開關電源的設計與仿真

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開關電源的設計與仿真范文第1篇

【關鍵詞】電流脈寬調制;PWM;Pspice

1.概述

電源是電子設備的心臟部分，其質量的好壞直接影響電子設備的可靠性，電子設備故障60%來自電源，開關穩壓電源的調整工作在開關狀態，主要優越性是高達70%-95%變換效率。

目前，空間技術、計算機、通信、雷達、電視及家用電器中的穩壓電源已逐步被開關電源取代。開關穩壓電源的優越性主要表現在：功耗小，穩壓范圍寬，體積小、重量輕[1] [2]。

傳統的線性電源具有穩壓性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠等優點，但工頻變壓器體積龐大，調整管工作于線性放大狀態，導致電源功耗大、效率低、發熱嚴重。開關電源采用功率管作為開關器件，工作于開關狀態，損耗小;工作頻率在幾十到上百千赫茲，濾波電容、電感的數值較小。線性穩壓電源允許電網波動范圍為220v×（1±10%）， 對電網的適應能力很強。另外，由于功耗小、機內溫升低，提高了整機的穩定性和可靠性[3]。

2.系統整體概述

開關電源可分成：機箱（或機殼）、電源主電路、電源控制電路三部分。機箱既可起到固定的作用，也可起到屏蔽的作用;電源主電路負責進行功率轉換，通過適當控制電路將市電轉換為所需的直流輸出電壓;控制電路根據實際需要產生主電路所需的控制脈沖及提供保護。開關電源的結構框圖如圖1所示：

圖1 開關電源的結構框圖

電源主電路通過輸入整流濾波、DC-DC變換、輸出整流濾波將市電轉為所需的直流電壓。開關電源主回路可以分為：輸入整流濾波回路、功率開關橋、輸出整流濾波三部分。輸入整流濾波回路通過整流模塊將交流電變換成含有脈動成分的直流電，通過輸入濾波電容使脈動直流電變為較平滑的直流電;功率開關橋將濾波所得直流電變換為高頻方波電壓，通過高頻變壓器傳送至輸出側。由輸出整流濾波回路將高頻方波電壓濾波為所需直流電壓或電流。

控制電路為主回路提供正常功率變換所需的觸發脈沖。具有以下功能：控制脈沖產生電路、驅動電路、電壓反饋控制電路、各種保護電路、輔助電源電路[4] [5]。

3.軟開關技術

軟開關技術指零電壓開關（ZVS）和零電流開關（ZCS）。圖4所示為功率開關管在軟開關及硬開關下的波形：

圖2 軟開關理想波形和硬開關波形

軟開關包括軟開通和軟關斷。軟開通包括零電流開通及零電壓開通，軟關斷包括零電流關斷及零電壓關斷，可按照驅動信號時序來判斷。

零電流關斷：關斷命令在t2時刻或其后給出，開關器件端電壓由通態值上升到斷態值，開關器件進入截止狀態。

電壓關斷：關斷命令在t1時刻給出，開關器件電流由通態值下降到斷態值后，端電壓由通態值上升到斷態值，開關器件進入截止狀態。在t2前，開關器件端電壓必須維持在通態值（約等于零）。

零電壓開通：開通命令在t2時刻或其后給出，開關器件電流由斷態值上升到通態值，開關器件進入導通狀態。在t2前，開關器件端電壓必須下降到通態值（約等于零），電流上升到通態值以前維持在零。

零電流開通：開通命令在t1時刻給出，開關器件端電壓由斷態值下降到通態值以后，電流由斷態值上升到通態值，開關器件進入導通狀態。在t2以前開關器件電流必須維持在斷態值（約等于零）[6] [7]。

圖3 電源控制電路框圖

4.控制電路

根據電路功能將控制電路分為幾部分：脈沖產生電路、觸發電路、電壓反饋控制電路、軟啟動電路、保護電路、輔助電源電路等[8]，控制電路如圖3所示。

脈沖產生電路是控制電路的核心。脈沖產生電路根據電壓反饋控制電路、保護電路及軟啟動電路等提供的控制信號產生所需脈沖信號，該脈沖信號經過觸發電路的放大驅動開關元件，使開關管導通或關斷。

控制電路輸出的PWM信號，電平幅值和功率能力均不足以驅動大功率開關元件，需要選擇合適的驅動電路。驅動電路將控制電路輸出PWM脈沖信號經過電隔離后進行功率放大及電壓調整驅動大功率開關管，脈沖幅度以及波形關系到開關管的開關過程，直接影響損耗，需合理設計驅動電路，實現開關管最佳開通與關斷[9][10]。

5.系統仿真

5.1 總電路設計

利用理想電源代替振蕩器，通過設置時鐘周期給定振蕩頻率，仿真時控制震蕩頻率外接定時電阻和電容的6、7腳均可不接。簡化輸出電路，利用兩個晶體管模擬輸出級，關閉控制端用數字激勵驅動，內部邏輯利用數字仿真器進行仿真。電路參數選擇和設計時，應考慮上述簡化對系統的影響[11] [12]。

圖4 總電路設計圖

5.2 PWM模塊

根據PWM產生的原理得到仿真模塊，用以產生可調的PWM信號。工頻脈沖信號，通過比較器，經積分器產生三角鋸齒波，通過比較取符號產生一路脈沖信號，由分頻器產生兩路互補驅動脈沖，輸入調節PWM信號的占空比[13]。

圖5 PWM仿真圖

6.結論

采用組合式變換器實現多路輸出、多種保護。通過Pspice仿真，驗證了設計思路的正確，理論性的可實現。

參考文獻

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[3]李宣江.開關電源的設計與應用[M].西安交通大學出版社，2004.

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[7]劉勝利.現代高頻電源實用技術[M].電子工業出版社，2003.

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[12]李愛文.現代通信基礎開關電源的原理和設計[M].北京：科學出版社，2001.

[13]汪陽.智能高頻開關電源的研究[D].武漢大學碩士學位論文，2002.

開關電源的設計與仿真范文第2篇

關鍵詞：電流控制方式；PWM；開關電源；設計

隨著國家政策的傾斜，我國電力的發展越來越快，對開關電源性能的要求也越來越高。基于電流控制方式的PWM開關電源是一種高精度控制的形式，利用該設計形式可以保證配電系統輸出電壓、電流的穩定性，由此確保整個供配電系統具備相對較好的動態響應性和輸出穩定性。下面，主要針對基于電流控制方式的PWM開關電源設計展開討論，以便可以實現更好的開關電源設計。

1 開關電源的控制方式

開關電源的實質是完成DC-DC變換過程的一套系統，其構成部件主要涉及主電路和控制電路兩個方面。由于PWM電流控制開關電源使其開關動作始終受到固定脈沖波控制，所以它的脈寬也將根據負載與輸入電壓值的變化而變化。基于電流控制方式的PWM開關電源的電路控制須依仗開關控制通斷，從而實現利用輸出電壓調節并控制主電路的整體工作。究其控制的參數而言，開關電源控制的方式主要涉及電路模式和電壓模式兩種。電流模式則涉及平均電流模式和峰值電流模式兩種，且電流模式在實現高精度跟蹤電流設定值方面具有良好效果，且對電流放大裝置具有增益效果，并能在任何一套電路中實現拓撲應用。與此同時，平均電流模式不需要斜坡補償，因而在PWM開關電源設計中可以優先考慮選用平均電流控制模式。

2 基于電流控制方式的PWM開關電源的設計

2.1 設計思路

基于電流控制方式的PWM開關電源設計根本是將電壓電流的平均值設定為電流控制內涵的控制信號，然后利用控制信號實現對整個開關電源的控制。在開關周期內，電感電流的積分值和電流的平均值呈正比關系。因此，利用控制電流積分值可以有效控制電感電流的平均值。比如，于Buck型開關電源內設定恒定的輸入電壓，也就是說明它可以完全忽略輸出電壓紋波。利用電流控制環路可增加部分調解積分的電流誤差放大裝置，即可完成對平均電流的控制。于某個開關周期中，也可利用電流誤差放大裝置對電路輸入端電壓并確定平均電流值，利用對電阻電壓信號的檢測取樣又可取得電感電流的實際值。然后，將以上取得的電感電流實際值輸送到電路誤差放大裝置，使得電感引起的高頻達到極點，從而實現電流高頻噪聲的有效抑制。與此同時，計算比例積分，且選用適宜的電路參數，即可保障整個電路具備良好的穩定性。

2.2 系統建模

基于電流控制方式的PWM開關電源的設計應以維持輸出電壓或輸出電流的穩定為前提條件，利用負反饋控制和Buck型電路作為建模基礎。與采用峰值電流模式的PWM開關電源相比而言，平均電流模式還需在開關電源中配置一套電流調節裝置。另外，電路系統功率控制應構建一種功率級模型，該模型包括多組輸出變量與輸出變量，其主要目的在于獲取占空比于輸出電壓或電感電流之間的相互控制關系，也能掌握輸入電壓于以上二者參數之間的相互作用關系。當前，不同種開關電源的主電路連接形式有所不同，不同物理量的相互關系于功率級電路內仍然維持原狀。因此，可利用開關級等效電路嵌入PWM開關電源拓撲結構的方式構建功率級模型。然后，又可在功率級模型的基礎之上對控制回路予以建模。控制回路則主要由電流檢測部件、電流調節裝置、電壓調節裝置、電阻分壓裝置和占空比調制裝置組成。電流檢測部件則由電流檢測放大裝置和電感元件以串聯方式構成，可實現閉環變壓的放大功用。電流調節裝置則由電阻電容網與運放系統構成，可接收電流檢測部件兩組輸入信號，且同時又能利用電流信號運算實現調節電流的作用。控制回路內仍需通過占空比調制裝置來接收調節裝置運算數據并得到輸出電壓值和斜坡輸入電壓值，最后可以獲知占空比變量和電壓信號二者之間的聯系。在該環節中，電流的斜率與幅度將發生較大的變化，因而可以完全實現對電流的有效控制。同時，利用運算獲得的模塊傳遞函數便可構建起平均電流控制模型下的PWM開關電源系統模型。

另外，若電壓環處于開路狀態下，可應用Ti（s）來定義電流環開環環路電流的增益傳遞函數。在分析電流增益函數以后，可為系統電流調節裝置的整個回路提供有價值的參數依據，從而保證電路系統的穩定性和高效性。電壓負反饋環在斷開狀態下，電流環路的增益可由Ti（s）=TpiR1GCL（s）Fm公式計算。電壓環處于斷開或電流環處于閉合狀態下，輸入信號則為控制電壓V0，輸出信號則為負載電壓V0，且控制電壓則為控制負載電壓。由已構建的系統模型可實現電流環路的低頻增益、相位裕度和截止頻率的具體反映，也可提升整個電路系統的高精度控制。同時，在設計實際電路系統中，通過對應實際電路的構造結構與模型環節便能確保整個電路系統設計的高精度控制。

2.3 仿真分析

本節仿真分析的主要目的在于對已構建系統模型的精度控制予以驗證，利用Matlab數學模型繪制系統控制電壓于輸出電壓的傳遞函數Bode圖形。利用以上方式，即可設計出一組30V/50全橋開關電源，其開關的頻率則為20kHz，而輸入電壓的變化率可保證處于±10%范圍內。同時，開關電源濾波電容約為1000Μf，濾波電感則為1Μh。通常情況下，開關電源的相角不小于45°，因而可以保證電路系統的良好穩定性。與此同時，電路系統在穿越頻率方面較高，因而保證了電路系統具有良好的高效性。另外，電路系統外部存在干擾電壓，整個電路系統的輸出電壓將繼續維持穩定。最終，我們所設計的基于電流控制方式的PWM開關電源是一種兼具穩定性與高效性的元件，只有具備良好的系統穩定性和高效性才能確保整個電路系統具有應有的動態響應特征。

3 結束語

隨著我國電力需求日益增加以及電力市場不斷完善，開關電源設計工作逐步趨于完善。基于電流控制方式的PWM開關電源設計可獲取一種以平均電流PWM開關電源建模方案，在其設計過程中通過功率級傳遞函數構建與之相應的數學仿真模型，并通過Matalb對響應的數學仿真模型予以驗證，并根據該模型完成系統設計。經系統建模、仿真分析兩個重要步驟得出的平均電流PWM開關電源具備良好的系統穩定性和動態響應特征，可以滿足各類電路系統的需求，希望借此論文為廣大同行朋友提供一些可供參考的依據。

參考文獻

[1] 解凌云，丁然.移相控制軟切換PWM開關電源設計[J].鞍山鋼鐵學院學報，2012，（02）：98-101.

開關電源的設計與仿真范文第3篇

關鍵詞 開關電源；熱分析；ANSYS；熱設計

中圖分類號TN86 文獻標識碼A 文章編號 1674-6708（2011）47-0034-02

0 引言

開關電源被廣泛的應用于國防軍事，工業自動化，家用電氣等領域的電子系統中。隨著開關電源逐步向小型化、高頻化、高功率密度發展，用戶對開關電源的可靠性設計提出了更高的要求。溫升是影響開關電源可靠性的關鍵性因素，如何將熱量高效快速的導出，成為電源工程師的首要任務[1]。熱設計的好壞直接影響著開關電源的可靠性和壽命，因而熱設計是開關電源可靠性設計的重要環節。

本文以一個工作于密閉電源盒的開關電源為例，利用有限元軟件ANSYS對開關電源進行熱設計，來提高整個開關電源的散熱性能，使得開關電源的主要發熱器件的溫度控制在允許的范圍內，保證開關電源安全可靠的運行。

1 開關電源的熱分析

本文中開關電源為反激式，具有有源功率因數校正(APFC)環節，主要發熱元件有開關管，整流二極管，大功率電阻，變壓器與電感等[2]。

首先利用ANSYS分析工作在空氣中開關電源的溫度分布情況。

1.1 仿真邊界條件和載荷說明

1）環境溫度：25℃；

2）對流系數：6W/m?K；

3）載荷：器件的生熱率（P為器件的發熱功率，V是器件等效熱源的體積）。

1.2 模型的簡化處理

1）對于簡化線圈模型來說，由于線圈在實際中是由一圈一圈的漆包線繞制的，而且這樣的繞線也不規則，在模型建立中使用單一圓柱體來代替多圈的導體；

2）芯片熱源等效為長方體。

1.3 網格模型

模型中有些部分的尺寸微小，如MOSFET的等效熱源，尺寸為13.8×8×0.2mm3。選用ANSYS軟件中的SOLIDTO單元．通過設置MSHKEY和MSHAPE兩個選項，完成對單元形狀的控制。在建立網格處理不規則體的時候，特別是連接處理后的非六面體的情況，采用退化的四面體單元進行網格劃分，可以通過設定ESIZE，LESIZE的大小來決定單元網格的大小，則模型網格單元數目為324532。

1.4 仿真結果分析

表1中是工作在空氣中開關電源的溫度分布情況。利用紅外熱像儀測得的溫度，與仿真的溫度值對照，相對誤差較小，具有很好的準確性。實際上，此開關電源工作在一個封閉的電源盒內，內部的空氣流動速度很慢，在理想狀態下，認為內部空氣處于絕熱狀態，幾乎不導熱。因而各器件的實際工作時溫度會更高。因此。為保證開關電源安全可靠的運行。必須采取有效的散熱措施，迅速的將電源盤內部的熱量導出，降低主要熱源的溫度。

2 開關電源的熱設計分析

如何尋找低熱阻通路來將熱最迅速導出是設計開關電源熱設計的關鍵問題，因為只有開關電源器件的結點溫度降低后，這樣才能避免高溫而導致開關電源可靠性下降的問題。此開關電源工作在一個封閉的電源盤內，由于工作環境特殊，不允許加風扇，只能采取自然散熱的措施。其熱設計的內容包括電源盤的內部熱設汁和電源盤的外部熱設計。

通過設計將開關電源的前后級MOSFET，后級二級管，整流橋的溫度控制在60℃以內，變壓器的溫度低于65℃。

2.1 電源盒的內部熱設計

開關電源的電源盒內部熱設計主要是調整器件布局和改變內部介質。

1）電路布局的熱設計

密封電源盤內熱源的主要散熱途徑有以下幾個方面：首先，通過熱源經盒內介質向殼體傳導的熱量，可以通過對流和輻射在殼體的表面將熱量發散到大氣中；其次，通過盒體內部的介質可以把熱量傳遞到其他部件上，這樣就可以形成溫度的疊加效應。

所以，在設計過程中，在考慮不影響電路性能的情況下，應該使得發熱部件盡可能分散，且在電路板邊緣分布，另外，固定在電源盒的導熱鋁板應該與其相連。電路板的后邊緣則應該放置前后級MOSFET和整流橋，與電源盒的側壁相連靠的是2mm的導熱鋁板；而電路板的前側邊緣放置后級二極管，同樣，電源盒的側壁相連靠的是同樣厚度表2是開關電源電路靠局調整前后的溫度對照表，通過表2可以得出如下結論：

首先，可以看出前后級的MOSFET、整流橋和后級二極管溫度都有明顯的降低變化，其主要的原因是因為由于低熱阻通路-導熱鋁板的存在，使得電路布局為這些器件與外殼之間存在這樣一種合理的通路，這樣就可以使得器件產生的熱量傳導到電源盒體，從而溫度梯度也得以降低。

其次，對于變壓器來說，溫度變化很小。通過內部空氣傳導到電源盒的變壓器的熱量，在加上空氣的熱阻很大的原因，這樣可以認為在密閉條件較好的情況下的絕熱狀態。同時，最高結點溫度和環境溫度梯度也很大，這樣來說對于變壓器溫度沒有明顯的降低。

變壓器的溫度變化很小。這是因為變壓器的熱量主要通過內部空氣傳導到電源盒，而空氣的熱阻很大，在密閉條件很好的情況下，可以認為處于絕熱狀態。變壓器的最高結點溫度與環境的溫度梯度很大，導致溫度沒有明顯的降低。所以盡管電路布局的調整改善了開關電源的溫度分布情況， 有些器件的還存在較高的溫度梯度，無法滿足安全可靠運行的要求。

2）電源盒內部介質的熱設計

熱量主要以傳導方式由內部器件傳到電源盒，這一點可以從前面的電源盒內熱源的散熱途徑獲得，經過對流換熱的方式散發到空氣中。根據傳導散熱的原理，內部介質的導熱系數可以看做是影響電源盒內部溫度梯度的主要因素，其中，由于介質的導熱系數與內部熱源的溫度梯度成反比的原因，說明了質的導熱系數越大，內部器件的溫度梯度就越小，熱源的結點溫度就越低。

根據開關電源主要器件溫度與內部介質的導熱系數的關系曲線可以得出如下的結論：

（1）器件的溫度和內部介質導熱系數變化成反比，并且基本上所有器件最終趨于同一溫度。

（2）變壓器的溫度曲線存在一定區別，表現在介質導熱系數為1.2 W/m?K時有一定的上升，這可能是因為變壓器的溫度低于其他熱源的溫度，但是需要注意熱量具有從溫度高的流向溫度低物體的規律，這樣由于變壓器溫度相對較低時，當存在其他熱源的影響，變壓器溫度也是可以理解的。

2.2 電源盒的外部熱設計

電源盒的壁厚和殼體表面肋片的設計構成了電源盒的外部熱設計，需要注意，其表面的散熱方式為對流和輻射，這樣，根據流散熱的原理，表面散熱面積則是影響散熱的主要因素，其中，電源盒的表面散熱面積與外殼肋片的高度影響直接相關。

開關電源的傳導散熱主要受到電源盒的壁厚的影響，同時，電源盒表面的對流散熱則受到外殼的肋片高度影響。因此，對于多熱源的封閉盒體來說，在限定電源盒尺的條件下，外殼的肋片高度對于散熱的影響一般大于壁厚的影響，所以對于封閉盒體來說，主要的散熱形式為表面的對流散熱，這樣能有效的散發熱量，降低盒體內部器件的結點溫度。

所以根據上述結果分析可知，對于電源熱設計中需要采用內部灌膠，而對于主要發熱器件來說則需要通過導熱鋁板與電源盒外殼相連，同時采取電源盒外殼加肋片的綜合散熱措施，這樣可以有效控制開關電源溫度，達到預定目標，從而滿足設計要求。

3 結論

本文開共電源因其工作環境的要求，限制了散熱措施的選擇。在只能采取自然散熱措施，且功耗很大，電源盒的尺寸和重量受到嚴格限制的條件下，分別對電路板和電源盒的結構進行了熱設計，尋找一種有效的散熱措施，降低了主要器件的溫度，提高開關電源的可靠性，延長了壽命。

參考文獻

開關電源的設計與仿真范文第4篇

關鍵詞：LM2596 STM32 反饋閉環 數控開關電源 遠程控制

中圖分類號：Tp302 文獻標識碼：A 文章編號：1007-9416（2015）04-0080-02

1 數控開關電源的方案設計及電路設計

本設計中的數控開關電源[1，2]主要為了輸出1.2～24V，負載電流不低于3A，并且實現連續精確可調，調整分辨率不低于0.1V。通常，一個開關電源需要接入220V交流電，并通過變壓器AC/DC整流轉換，以輸出低壓直流電，然后再利用反饋型降壓穩壓開關芯片進行控制和電壓調整。由于市場上現有的220V轉24V技術已經非常成熟，比如常見的開關電源和電源適配器，因此本設計中將著重設計后端數控降壓部分，前段整流部分將用常用開關電源替代。為了實現輸出電壓的數字控制，必須使用單片機來控制降壓穩壓開關芯片，單片機再通過串口跟PC主機通信。單片機將使用目前較為流行的32位單片機STM32。

1.1 反饋腳的數控設計

由于單片機主要完成的工作是對比功能，即將LM2596的輸出電壓值與所需值對比，然后進行相應的反饋腳控制，因此，可以使用運放來替代這部分工作。可以使用運放減法器電路來實現對比做差。由于一般單片機的DAC輸出不會高過工作電壓，如5V或3.3V，因此在運放減法器前，還必須進行線性放大，也可以使用運放搭建。

1.2 LM2596與運放[4]構成的電路

其中，LM2596引腳1接24V開關電源輸入，右端端子JP2的1，2分別接單片機DAC輸出以及開關OFF控制。

1.3 STM32最小系統

系統中的STM32單片機最小系統包括STM32單片機芯片、復位電路、石英晶振時鐘電路。

除此之外，最小系統中還包含JTAG仿真、下載電路，用于程序測試仿真以及下載；4個LED燈電路，用于顯示STM32運行狀態，或者其他需要顯示的用途。

2 下位機程序設計

本設計中的下位機STM32所需完成的功能主要為以下幾個：

（1）與PC主機串口通信[3]；

（2）控制LM2596輸出的開和關；

（3）控制LM2596輸出的電壓值；

（4）保存和讀取設定的電壓值，以便下一次啟動后默認輸出電壓為關機前的輸出電壓；

（5）由于電源需要很高的可靠性，而STM32也有可能會死機，因此需要加入看門狗，讓它死機自動重啟[5]。

對于功能1，采用MAX232進行電平轉換，然后用串口轉USB線轉為USB接入PC機。單片機通過該串口即可進行通信。由于串口屬于底層的通信方式，因此單片機軟件中需要做串口數據的校驗、格式對準、自動應答等功能。

對于功能2，采用一個單片機IO管腳和一個開關三極管來控制LM2596的ON/OFF管腳，即可實現輸出控制。

對于功能3，根據前一章電路設計的原理，單片機只要改變相連DAC的電壓輸出，即可直接改變LM2596的輸出電壓。這里需要注意，并不是所有STM32都有DAC輸出，需要選擇具體的型號。本設計中，使用的是STM32F103RC，帶有兩個DAC輸出。

對于功能4，由于沒有外接片外EEPROM芯片，因此只能利用STM32片內的FLASH進行數據掉電保存。同時，FLASH中也會保存有程序本身，因此必須要將兩塊數據區域隔離開，否則會進行數據覆蓋。通常，程序數據從FLASH的低段開始寫入，因此保存的數據可以寫入在FLASH最高段，這樣就不會互相覆蓋。同時，燒錄程序時，也需注意不要將整個FLASH擦除，否則燒錄前保存的數據也會被擦除。

對于功能5，可以打開STM32的獨立開門狗，并設置喂狗時間，超時后自動重啟。

當DAC的參考電壓為VREF的時候，DAC的輸出電壓是線性的從0～VREF，12位模式下DAC輸出電壓與VREF以及DORx的計算公式如下：

DACx輸出電壓=

3 測試結果與分析

由上述分析可得VOUT與數字量DA中間的關系表達式：

實際輸出電壓如圖4所示，為20.5V，與理論值很接近。

證明該電路設計輸出電壓精度已達到設計要求。

參考文獻

[1]琦瑋，李樹華.開關電源的原理與設計[J].內蒙古大學學報（自然科學版），2003，（04）：15-20.

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開關電源的設計與仿真范文第5篇

【關鍵詞】開關電源;保護措施;分析

引言

開關電源由于具有體積小、質量輕、效率高、輸出穩定靈活等優點，在各個領域得到廣泛應用。電源系統在整個電子系統中，是一個比較重要的不見，它的穩定運行對于整個系統都有著相關的關系。因此，對其的安全保護措施的分析是一個重要的課題。

1.開關電源原理

高頻開關電源由以下幾個部分組成：

1.1 主電路

從交流電網輸入、直流輸出的全過程，包括：①輸入濾波器：其作用是將電網存在的雜波過濾，同時也阻礙本機產生的雜波反饋到公共電網。②整流與濾波：將電網交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級變換。③逆變：將整流后的直流電變為高頻交流電，這是高頻開關電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越校。④輸出整流與濾波：根據負載需要，提供穩定可靠的直流電源。

1.2 控制電路

一方面從輸出端取樣，經與設定標準進行比較，然后去控制逆變器，改變其頻率或脈寬，達到輸出穩定，另一方面，根據測試電路提供的數據，經保護電路鑒別，提供控制電路對整機進行各種保護措施。

1.3 檢測電路

除了提供保護電路中正在運行中各種參數外，還提供各種顯示儀表數據。

1.4 輔助電源

提供所有單一電路的不同要求電源。開關控制穩壓原理開關K以一定的時間間隔重復地接通和斷開，在開關K接通時，輸入電源E通過開關K和濾波電路提供給負載RL，在整個開關接通期間，電源E向負載提供能量;當開關K斷開時，輸入電源E便中斷了能量的提供。可見，輸入電源向負載提供能量是斷續的，為使負載能得到連續的能量提供，開關穩壓電源必須要有一套儲能裝置，在開關接通時將一部份能量儲存起來，在開關斷開時，向負載釋放。

改變接通時間TON和工作周期比例亦即改變脈沖的占空比，這種方法稱為“時間比率控制”。

1.5 開關電源原理框圖見圖1所示。

圖1 開關電源原理框圖

（1）通電瞬間，燈泡閃亮一下后，逐漸熄滅，則電源從輸入至整流濾波均正常，故障應在后面電路。否則電源保險或輸入濾波電感開路。

（2）若整流濾波電路正常，則檢測開關管兩端是否有310V電壓，若無，則取樣電阻RO或變壓器初級開路。

（3）若開關管電壓正常，則檢測開關管驅動電路是否有幾伏至十幾伏電壓，若無則檢測啟動電阻和驅動電路。

（4）若驅動有電壓，開關管正常，則自激繞組有故障或反饋電路有故障。

（5）若燈泡常亮，則開關管擊穿（短路）或整流橋擊穿（短路）。

（6）若燈泡周期性亮滅，則負載有短路故障，可著重檢測負載。

（7）若更換開關管多次擊穿，則檢測峰值電壓消除電路及負載是否有開路故障。

（8）經過上述維修步驟并檢測負載電壓基本正常后，即可閉合開關K，再次檢測時若輸出正常，則說明開關電源已修復。

2.影響開關電源可靠性的因素

2.1 環境溫度對元器件的影響

環境溫度對半導體、電容、電阻等元器件的可靠性均有很大影響。如表1所示，當溫度從20℃增加到80℃時，硅三極管（在PD/PR=0.5負荷設計條件下）失效率增加了30倍;電容（在UD/UR=0.65負荷設計條件下）失效率增加了14倍;電阻器（在PD/PR=0.5負荷設計條件下）失效率增加了4倍。

2.2 負載率對元器件的影響

負載率對元器件失效率的影響同樣很明顯。以電阻器為例，在環境溫度為50℃條件下，其PD/PR對電阻器失效率的影響，當PD/PR=0.8時，失效率比PD/PR=0.2時增加了8倍。

同樣，在環境溫度為50℃條件下，當PD/PR=0.8時，半導體器件失效率比PD/PR=0.2時增加1000倍。因此，在開關電源的設計和使用時，應盡量避免其負載率過大而導致電源故障。

3.開關電源中的具體保護措施探究

3.1 開關電源中的整機保護分析

通過上文對于開關電源的相關分析，結合實際的電源裝置的需要進而對報警措施來加以確定，對于開關電源的報警措施主要可以分為光報警以及有聲報警兩種。光報警能夠比較明顯的指出故障的部位以及類型，而有聲報警則是安裝在不容易看到的一些部位，能夠指引工作人員進行事后的處理。在電源當中如果加設了保護電路之后就會對整個的系統可靠性有一定的影響，所以就對電路本身的可靠性保護要求較高，從而才能夠有效的提高電源系統的可靠性。在對開關電源的保護在邏輯上要比較的嚴密，電路盡可能的簡單化，所用的元件也要對應的要少，對于維修的難度以及電源的損壞程度也要進行詳細的考慮。

3.2 開關電源過電流保護措施

根據圖2可知，這一電路主要就是通過三極管以及分壓電阻構成，當在正常的工作中所經過的R4以及R5起到了分壓的作用，這樣就會使得三極管基極電位要比發射極電位高出很多，發射極承受反向的電壓，當出現了截止狀態的時候對于穩壓的電路是沒有什么影響的，而出現短路狀態時候所輸出的電壓值為零，發射極為接地，出現短路，處于截止狀態從而對電流進行切斷，達到保護的目的。

圖2 過電流保護電路圖

3.3 對浪涌電流電路的保護措施

對于開關電源的輸入電路基本都是采用的電容濾波型的整流電路，當處在進線的電源合閘的瞬間在電容器上的初始電壓基本為零，當對其進行充電的時候就會造成很大的浪涌電流，尤其是功率較大的開關電源所用的電容器，這樣就會很容易造成輸入熔斷器燒斷以及合閘開關觸點燒損的情況發生，造成整流橋過流損壞，對于開關電源會造成無法工作的后果，對其設置涌浪電流的抑制措施能夠有效的防治這一類情況的發生，從而正常的使其工作，最為常用的方法措施有熱敏電阻保護法，晶閘管保護法，繼電器保護法。

3.4 開關電源過電壓保護措施

在開關電源的穩壓器過電壓的保護有兩種，即：過電壓保護、輸出過電壓保護。對于開關穩壓器使用的未穩壓的電源電壓倘若太高就會使得穩壓器不能進行正常的工作，還有可能對于內部器件發生損壞，所以對于輸入電壓保護電路的使用比較的有必要。

4.結束語

在開關電源中，有時由于其可靠性較低的緣故，會對整個設施產生嚴重的影響，因此，就需要采取相應的保護措施。根據實際的情況的需要，選擇合理有效的措施，從而對開關電源的安全起到保險的效果。

參考文獻

[1]牛春遠.開關電源的電磁兼容性研究[D].廣東工業大學，2013.