高性能开关电源的设计探讨

刘秉科

（天水师范学院，甘肃天水，741001）

开关电源在通信系统得到广泛应用，通信业迅速发展又助推开关电源技术的发展，使得开关电源在电子信息设备中得到广泛应用。随着大功率硅晶体管耐压提高，1969年做成25KHz开关电源，经过多年努力开关电源电路拓扑类型等研究取得很大进展。开发出单端贮能式反激电路，单端正激式电路，半桥电路等，可适应不同场合的需要。功率晶体管性能得到较大提高。随着通信开关电源技术的广泛应用，人们对开关电源提出更高的要求。提出应用技术的高频化，软件控制的数字化，新一代电源技术含量提高，使之更加可靠稳定安全。为提高开关频率，开发出相移脉宽调制的零电压开关谐振变频器，克服了准谐和多谐振变换器频率变化大的缺点，大大减小了开关管损耗，进一频提高电源效率。降低变换电路对分布参数的敏感性，提高电源开关的可靠性。开关电源的研发朝着高频，高可靠性，低噪声与模块化的方向发展。

1 开关电源简介

开关电源利用电子电力技术控制开关器件高频率导通和关断，实现DC/DC电压变换。随着电力电子技术的发展，开关电源优点日益突出。效率可达90%以上，由于使用了高频变压器使得体积重量大幅降低，抗电磁干扰能力强。开关电源应用已十分普及，小功率电源主要用于IT等领域，如摄像机，冰箱等仪器；大功率电源主要用于工业军事领域。

现代开关电源按输入电压类型分为直流与交流两大类，DC/DC开关分为隔离式与非隔离式，输出输入无电气隔离作用为非隔离式。隔离式开关电源可按有源功率器件个数划分。开关电源种类繁多，每种拓扑各有其优缺点，设计开关电源前应选择合适的拓扑类型。反激式变换器拓扑在输出功率5-150W电源中应用广泛，具有输出输入电气隔离，易于多路输出，造价低等优点，目前单管反激式开关电源在家电领域已广泛应用。建国初期我国邮电部门科研人员开发国产大功率电动发电机组成套设备作为通信电源，后引进苏联BCC51系列自动化硒整流器，与工厂研制成功国产XZL系列自动化硒整流器，用硒整流器装备通信局替换电动发电机组。

1963年研制可控硅整流器，由于文革动乱研制工作停滞，1967年武汉通信电源厂形成系列化生产，供通信设备不断改进。80年代生产20kHzDC/DC变换器，无法作为通信设备一次电源使用。90年代初我国大多数通信设备采用一次带能源为可控硅整流器，有庞大的工频变压器，电解电容等，效率低，不易实现集中控制。开关电源发展趋势为向高效，低耗，抗干扰方向发展。

2 系统整机分析

开关电源由机箱，电源控制电路与电源主电路组成。电源主电路负责完成功率转换，将市电转换为所需的直流电输出。电源主电路研发中必须对各部分认真设计调试，以满足电源设计要求。

控制电路是电源的大脑，应具有驱动电路，保护电路等功能。为使开关电源设备正常工作，必须让电源各部分相互协调工作。DC-DC变换器是开关电源实现功率转换部分，对开关器选用全桥电路较为合适，绕组能得到最优利用。功率开关在安全条件下运行，需要功率元件较多，三相整流桥提供直流电压较高，目前常用全桥式变换器有传统硬开关式及移相式两种。硬开关PWM电路以其结构简单得到广泛应用，开关管工作在硬开关状态，大电流关断。开关瞬间有大量损耗，常加入缓冲电路，可限制开通时的du/dt，使功率负荷期间安全运行。

硬开关电路在开关频率低时缺点不突出，随着频率提高电磁干扰又成为严重问题。从而出现了谐振式软开关概念，增加附加元件，利用谐振电感作用使开关期间在正弦波零电压处关断。SPS装置如图1所示，电路主要由控制芯片LD7532A控制，通过LD7532A芯片对变电器输出量进行内部调节，电压出现异常可关掉电路。LD7532A芯片内部模块包括基准电压，误差放大器，针对电压的检测器，芯片主要特点是在内部设置欠压锁定比较器，通过VCC引脚电压，保持充足的动力。出现故障时，可采取LD7532A保护，LD7532A芯片具有消耗低优点，芯片启动时，电路电压不断提高，阈值内部值过低时，装置不能产生很强的脉冲信号，LD7532A装置在芯片内部为了CMOS设计通过PWM控制最大启动电流，电阻助力值过大会造成启动时间过长，合理选择电流有利于降低功耗。

图1 PWM控制电路

根据电路功能可将控制电路分为脉冲产生电路，保护电路等。脉冲产生电路为控制电路核心，提供控制信号所需脉冲信号，驱动开关元件。控制电路输出PWM信号，需选用合适的驱动电路，将控制电路输出PWM脉冲信号进行功率放大以驱动动大功率开关管，脉冲幅度关系到开关过程，应认真设计调试驱动电路。保护电路是控制电路的重要部分，为提高电源可靠性需完善保护电路功能，应具备过流保护与欠压保护等基本功能。

3 开关电源主电路设计

PWM集成控制器分为电压型与电流型两种，电压型有电压反馈控制，电流型也有电流反馈控制。当流过开关管电流达到设定值开关管自动关断，多条开关电源并联工作时PWM开关控制器具有均流能力。自动消除工频输入电压经整流后的波纹电压，可减小滤波电容容量，具有更快的负载动态响应等优点。基准电压通过误差放大器放大，输出差值信号与锯齿波比较，改变输出脉冲宽度。

图2 开关电源输入电源方式

电路主要由控制芯片LD7532A控制，通过LD7352芯片对变压器输出量进行内部调节。电压出现异常可关掉电源保护芯片。LD7532A芯片内部模块包括基准电压，误差放大器，芯片特点是在内部设置欠压锁定比较器，通过VCC引脚电压确保能量加载到PWM控制器，有时可能出现故障，如电流高峰引发错误操作，可采取LD7532A保护，由于LD7532A芯片具有消耗低等优点，启动时电路电压不断提高，其阈值内部值过低装置不能产生很强的脉冲信号。LD7532A装置在芯片内部为CMOS设计通过PWM控制最大启动电流，电阻阻力值过大造成启动时间过长，合理选择电阻有利于降低功耗。

检测电路反馈可采用精密稳压源TL431，通过对输出电压取样检测，反馈信号传递到初级变压器，通过LD7532A芯片控制占空比保持输出电压稳定。由于电源开关引起漏电，出现电感电压突然增高情况，设计缓冲器以释放能量。考虑到SPS装置对变压器闭合回路产生寄生电感，其产生的反向电压是造成开关器损坏的主要原因，必须设计RCD缓冲电路。

4 元器选择与仿真

设计输入交流电压范围为90-240V，直流电压为交流电压的1.3倍，考虑裕量输入最低电压105V，开关管电压应力为700V，整合二极管电压应力。如变压器匝比设为8，选择初级匝数为64。开关管关断时，变压器存储能量对输出电容充电，充电电流不断减小至输出电流，设输出电容电压波纹为110mV。电源组装后对开关单元测试，分析不理想波形，利用仿真软件进行验证分析，针对波形问题提出对策解决方案。通过仿真可了解因实验设备限制无法测试的部分信息。

输出电压测试目的是确保输出电压调整率在规定范围。根据设计指标要求，电源输出电压在允许范围内，但输出电压在轻载与满载电压相差较大，负载调整率不达标。轻载时辅助绕组Vcc值为+16.4，与设计值+15相差很大，分析结果显示，电源输出电压不稳的原因是多路输出电源交叉调整特性造成。

开关管关断时，存储能量如何被副边多路输出分配根据副边漏感决定。用于反馈的主输出负载重，其他各路辅输出负载调整率差。Vcc绕组接近原边绕组，VCC绕组漏感小，满载时相比其他负载很轻，为验证是否为漏感引起差异，用软件进行仿真分析。仿真输入电压250V，仿真输出电压与设计额定值一致，副边漏感为0，输出电压与理论值一致。将理想变压器原边-副边，磁芯-副边耦合系数设为0.95，VCC电压提升，二次侧其他路输出电压下降，各路副边绕组漏感增加，电压下降。

仿真无法精确设置绕组耦合，未仿真出与实际测试值相同结果。通过对比可知变压器绕组耦合度与漏感均影响电源交叉调整率，造成VCC电压与额定电压差距较大，主要由于绕组间的不同耦合度导致。针对VCC电压偏高，其他各路负载加重使VCC电压升高，可采用线性稳压器，增加整流二极管个数等措施解决。调试时VCC绕组串联5.6Ω功率电阻分担电压，满载时能满足工作电压需求。

5 结语

本文提出大功率直流开关电源系统主电路，及监控系统设计方案，分析了硬件电路设计。高频电压设计中，绕组绕制等多个环节需反复设计调试以达到理想效果。直流滤波环节参数选择非常重要，PWM驱动电路设计非常关键，通过并联均流控制，按平均值均流法可得到良好均流效果。设计运用单端反激式变换器结构中，应采取LD7532A芯片控制PWM控制器，因芯片LD7532A内部消耗功率低，安全性具有很大的技术优势。对电源装置损耗很小，达到极高的效率，通过实验检测得出高性能开关电源设计方法。