稳压电源设计原理篇1
【关键词】pwm；双闭环；检测仪器；开关电源
0引言
随着我国科技不断稳步发展，越来越多的设备需要用到电源，如：稳压电源、直流电源、交流电源等等。但随着设备先进性的不断提高，设备的功能越来越强大，对电源的要求也越来越高，特别是检测仪器仪表，精度要求非常高，需要有非常稳定可靠的电源来确保测量精度。因此，开关电源取代普通的电源设备，广泛应用于检测仪器仪表中。本文设计一种基于pwm脉冲宽制调试的双闭环开关电源，采用国外先进的全波整流控制器，该控制器工作模式不仅可以是电流式也可以是电压式，还能够为谐振零电压开关提供高效、高频的解决方案，因此具有非常广阔的应用前景。本文采用全桥整流装置，利用双闭环负反馈的直流-直流变换控制系统，能太太提高开关电源的电压、电流等精度，符合检验检测仪表行业的要求。
1检测仪器电源系统概况
随着信息时代的发展，便携式电子产品被越来越多的消费者亲睐。与此同时，解决能量消耗即电源管理问题成为重中之重。因此，具有高效节能特型的开关电源在近年来发展迅速，并在计算机通讯等领域的应用越来越广泛。而pwm型开关电源芯片就具备了此类特性，其核心技术集中在控制环节。此设计采用pwm控制电路，适用于开关电源芯片控制。对pwm调制电路为保证开关电源正常工作应具有的功能展开分析，得到设计要求。对pwm控制电路的组成模块、分类、基本原理及各项性能指标，进行细致深入的研究，最后得到调制电路的基本电路结构及满足性能指标的组成模块，对各个模块的功能和逻辑是电路设计的重点，最终该电路实现能产生一定脉冲驱动信号的功能。
2系统控制原理图
双闭环负反馈pwm秒冲宽制调制系统中，有两级的反馈系统。串级系统即是电流双闭环反馈系统，而转速反馈构成外环系统，内环是电流反馈。本方案设计三处进行系统的电流取样反馈，取拥缌髦岛拖低成杓频牡缌髦迪啾冉希当取样电流值过大时，系统会自动调节降低工作电流；但取样的电流过小时，系统会自动调节提高工作电压，这是内环电流反馈的工作情况。外环的转速反馈系统，系统通过电压检测装置检测系统的电压情况，再与设计的电压值相对比进行电压高低的调节，达到稳定电压的效果。基于双闭环的设计思想，图1中的各个部分相互独立工作、互不影响，如果某一部分出现故障，不影响另一部分系统的工作，系统内部由电流形成负反馈，外部由电压形成负反馈系统。电流电压负反馈一起运作，能太太的提高系统的稳定性和进度，满足检测仪器仪表的使用要求，达到良好的效果。双闭环反馈系统原理如图1所示。
图1所示虚线框中的1#.2#.…….n#是各个高频开关电源，其稳压或稳流精度很高，原因在于该内部自动控制原理图最终可以简化为一阶系统比例积分环节，图中它们工作在稳流状态下。
3硬件电路设计
图2为开关电源的硬件电路组成部分，设计采用国外先进的放大器作为本设计的核心器件。芯片的1脚与3脚相连接，构成差分放大，能有效的减小误差，提高设计的精度。
图2所示输出法人取样电压通过R5和R6设置，电压输出端与电阻5和6形成零点电位，电阻1/2/3与电容1/2/3形成效应，与pi构成补偿系统，电阻1和7在电路中形成增益作用。在电流内环中加入斜坡补偿以保证系统的稳定性。硬件电路通常容易出现不对称信号的问题，本设计利用电压负反馈补偿信号的作用，将电阻8作为上拉电阻提供直流电压，与RC构成的多谢震荡器作用，提供反馈电压，从而解决波形的不对称性。图中电流检测信号is经过i-V变换电路转换成电压信号。芯片741是一个pwm脉冲宽制比较器，根据比较器原理，依据三极管放大电路原理，在芯片3脚接地，芯片的2脚相当于一个反相输入端，对信号进行比较。其内部的过流及限流比较器实现逐周期过流及限流保护。当2V2.5V时，执行过流保护模式。
4结语
本设计依据3895芯片，利用双闭环负反馈的原理，引入电流负反馈和电压负反馈，提高了开关电源的精度，利用pwm脉冲宽制调制技术，提高了电源变换的效率和稳定了。开关电源系统设计之后，对该系统多次进行调试测，反馈结果稳定良好，系统稳定性好，动态响应快，证明本方案是可行的。
【参考文献】
稳压电源设计原理篇2
【关键词】双折射测试仪；UC3842；高压逆变；差动输出
1.引言
双折射率是表征各向异性晶体光学特性的一个重要的光学参数，它决定于材料的成分结构以及生成条件等多种因素，并且与波长有关[1]。测量双折射率的方法多样，电光调制法就是其中一种。这里的双折射测试仪便是基于电光调制的原理测量双折射率的一台仪器。
本文对北京大学无线电厂在1982年生产的一台双折射率测试仪的可调直流电压源部分进行了改进，用开关电源代替了原来的高压逆变电路，电路结构简单，成本低、体积小、易实现。
2.双折射率测试仪的原理
该双折射测试仪采用激光—电光调制的方法[2]，即：
这里代表待测样品的双折射率，和分别代表半波电压和调制电压，代表样品厚度，对一个电光调制器来说，它的半波电压在温度不变的情况下是一个确定值，而此时光程差和的比值可看做一常数，因此双折射率只和这里的调制电压有关。
双折射率测试仪是一种测量双折射率的仪器。其本身是由氦-氖激光管及电源、光具座、电光调制器等光学部分和光电调制器的交、直流调场电源、调制信号检测、显示及直流电压测试等电路部分组成。其核心器件是电光调制器。经高压电路生成的可调直流电压上加载一个同步载波信号，两者共同输入电光调制器用以对通过电光调制器的入射光的光程差进行控制，如图1所示。
其中可调直流电压电路部分如图中虚线框中所示，主要包括高压逆变、整流滤波、稳流控制、差动输出四部分[3]。高压逆变、整流滤波电路采用晶体管和高频变压器等器件构成单管自激式直流变换器。将稳压电源供给的-18V电压逆变成20KHz左右的方波，经变压器升压，得到建立高压电场所需的+1KV电压，以及信号显示部分示波管所需的+1150V、-400V、-450V，共四组电压，分别经高压硅堆整流、滤波送至各部。稳流控制电路实际上就是一个电压-电流转换器，通过控制震荡管的基极电流，使变换器的输出电压保持稳定。差动输出电路采用高压的差分对，以差分管两个集电极作为输出端，用三极管接成恒流源的形式，电位器w用来调节两支路的平衡对称，使得在输出为零时，两管的工作电流相等。
经分析，原电路的高压逆变电路具有分立元器件过多、输出不稳当等缺点，这里可以对其重新设计。
3.可调直流电压电路设计
新的设计思路主要对高压逆变部分进行设计，其设计方法采用开关电源的思想。
3.1脉冲宽度调制（pwm）控制芯片UC3842
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源[4]。开关电源一般由脉冲宽度调制（pwm）控制iC和moSFet构成。其工作原理框图如图2所示。
UC3842是美国Unitorde公司生产的一种高性能单端输出电流控制型脉宽调制器芯片，可直接驱动双极型晶体管、moSFeF和iGBt等功率半导体器件，并具有管脚数量少、电路简单、安装调试简便、性能优良等诸多优点，故广泛应用于计算机、显示器、便携式电子产品等系统电路中作开关电源控制芯片[5]。
3.2高压逆变电路设计
改进后的高压逆变电路如图3所示。220V市电由C1、L1滤除电磁干扰，负温度系数的热敏电阻R1限流，再经VC整流、C2滤波，电阻R1、电位器w1降压后加到UC3842的供电端（7脚），为UC3842提供启动电压，电路启动后变压器的付绕组3、4脚的整流滤波电压一方面为UC3842提供正常工作电压，另一方面经R3、R4分压加到误差放大器的反相输入端2脚，为UC3842提供负反馈电压，其规律是此脚电压越高驱动脉冲的占空比越小，以此稳定输出电压。4脚和8脚外接的R6、C7决定了振荡频率，其振荡频率的最大值可达500KHz。R5、C5用于改善增益和频率特性。6脚输出的方波信号经R8、R10分压后驱动BG1功率管，变压器原边绕组1、2脚的能量传递到付边各绕组，经整流滤波后输出各数值不同的直流电压供负载使用。电阻R11用于电流检测，经R9、C9滤波后送入UC3842的3脚形成电流反馈环。所以由UC3842构成的电源是双闭环控制系统，电压稳定度非常高，当UC3842的3脚电压高于1V时振荡器停振，保护功率管不至于过流而损坏。
3.3差动输出电路设计
差动输出电路基本上沿用原来的思想.由直流变换器得到的+1KV高压，还不能直接送到电光调制器上，必须将其变成极性可变，电压连续可调的电压源，供给调制器。根据使用要求，这里采用的是高压的差分对，以差分管t5、t9的两个集电极作为输出端，电位器w1用来调节两支路的平衡对称，使得在输出为零时，两管的工作电流相等。输出电压的连续调整由设置在面板上的多圈电位器w2、w3实现。由+12V和-12V稳压电源经过两稳压管D2、D4做二次稳压，分别接到w2、w3的两端，使电位器在整个调节范围内，输出端电压由+1KV至-1KV连续可调。电位器w2做为电压细调，w3做为电压粗调。设计后的电路图如图4所示。
整个电路用到一些常用压值的电压如+12V、-12V。因此电源的设计可以采用传统的变压、整形、滤波、稳压的方法得到。由于这两电源输出的电流都小于1a，所以+12V电压的获得可以利用稳压芯片7812，而单片机所需要的-12V电压同理可采用7912电源模块得到。
4.双折射率测试仪改进后实施与调试
双折射测试仪测量玻片双折射率时，除了必须读取电压表的数值外主要需要观察示波器波形的变化。
先将改进后的直流电压电路连接至原仪器的其他电路，然后调试。
如图5所示。调试时先打开开关，调节面板，使示波器波形呈标准正弦波。然后加上样品，并转动放玻片的转盘450，这时波形发生变化，不再是标准正弦波。最后打开电压输入装置，并调节输入电压，使波形重新变为正弦波。这时用电压表测量出直流电压电路接入电光调制器的电压便可计算出样品的双折射率。经过多次试验表明改进后该仪器效果良好。
5.结束语
经过长时间使用，改造后的可调直流电压源工作稳定、可靠性高、成本低等优点，可在测量仪器中推广使用。
参考文献
[1]周文平.晶体材料折射率的测量方法研究[D].曲阜师范大学，2007.
[2]马玲，沈小丰，王杰.电光调制系统设计[J].电子工程师，2007，33（3）：38-39.
[3]北京大学无线电厂.SZY-1型双折射测试仪说明书[S].
[4]路秋生.开关电源技术与典型应用[m].北京：电子工业出版社，2009：1-2.
稳压电源设计原理篇3
关键词：mC34063a；宽电压输入；降压型电路；嵌入式系统
中图分类号：tn964?34文献标识码：a文章编号：1004?373X（2014）04?0142?03
applicationofswitchingpowerchipmC34063ainembeddedwidevoltageinputdevices
ZHUXiao?yu，LiJin
（CollegeofSciences，Henaninstituteofengineering，Zhengzhou451191，China）
abstract：powersupplyisanimportantcomponentofelectronicsystem.thestabilityofthepowersupplyaffectstheperformanceandservicelifeofthewholesystemdirectly.thecorevoltageofembeddedsystemsisusually+5V.inordertomakesurethesystemhaveawideradaptability，thestep?downwidevoltageinputcircuitdesignedaccordingtotheprincipleoftheswitchingpowerchipmC34063aisintroduced.thecircuitdesignwascompletedbyparametercalculationofitsperipheraldevices.theseveralimportantperformanceindexesofthesystemweretested.thegoodstabilityandpracticabilityofthewidevoltageinputcircuitwereverifiedbythetestedresults.Comparedwithotherwidevoltagemodes，thisdesignhasawideradaptabilityandaccuracy.
Keywords：mC34063a；widevoltageinput；step?downcircuit；embeddedsystem
0引言
嵌入式的检测设备核心电压多为+3.3V或+5V，其往往被带到各种环境下进行检测工作，而每一种环境能够提供的电压标准常常不一致。虽然每一个器件都有其工作电压上限和下限，但在非正常电压下工作，器件极易损坏，从而造成整个设备的故障。一个在各种电压标准下都能够正常工作的宽电源电路设计就显得很有必要。mC34063a能够在很宽的电压范围内正常工作，保持输出稳定可靠。
1mC34063a芯片介绍
mC34063a是一种单片双极型线性集成电路，能够实现升压和降压效果，专用于直流-直流变换器控制部分，片内包含有温度补偿带隙基准源、一个占空比周期控制振荡器驱动器和大电流输出开关，能输出1.5a的开关电流。它能使用最少的外接元件构成开关式升压变换器、降压式变换器和电源反向器。
具有以下特点：
（1）能在3～40V的输入电压下工作；
（2）带有短路电流限制功能；
（3）低静态工作电流；
（4）输出开关电流可达1.5a（无外接三极管）；
（5）输出电压可调；
（6）工作振荡频率从100Hz～100kHz；
（7）可构成升压降压或反向电源变换器。
管脚及内部结构图如图1所示。
2mC34063a的降压型宽电压输入应用电路
一个比较精确地嵌入式硬件电路应该对模块进行焊接、调试，避免遇到问题时无从下手检查。由于系统中每个电路模块都需要接入输入电源，如果电源输入不当，则会使输出结果不当甚至烧坏系统。因此电路的设计至关重要，本系统的电路设计如下文所示。
图1mC34063a管脚及内部结构图
2.1电路原路图
如图2所示，是采用mC34063a芯片构成的降压型宽电压输入电路。
图2降压型宽电压输入电路
Vin可以在7～40V的范围内变化，而Vcc保持不变。其原理是当芯片内部开关管t1导通时，电流经mC34063a的1脚、2脚给电感L4、定时电容C4以及负载供电，同时电感L4存储能量；当t1断开时，续流二极管D2导通，此时由电感L4继续给电容C4和负载供电。由于电源间歇供电，所以输出电压低于电源电压。这样只要芯片的工作频率相对负载的时间常数足够高，负载上便可获得连续直流电压[1]。
2.2电阻参数计算
根据芯片手册可知：
[VCC=1.251+R1R2]
也就是输出电压与输入电压Vin没有直接关系（Vin>VCC），只需要选好R1和R2的参数即可保证在输入变化的情况下输出保持稳定不变。
通过计算和实际比较，R1选用[103]kΩ（即3个10kΩ并联），R2选用10kΩ。这样：
[VCC=1.251+R1R2=1.25×1+3=5]
R10为限流电阻，当电流值超过1a时起作用，通常选取0.33Ω。
2.3电容电感的选取
电感L4是存储电能的作用，其计算公式为：
[Lmin=Vmin-Vcettonipk]
式中：Vcet=1.0V；Vmin为输入电压的最小值；ton为导通时间；ipk为输出电流。
电容C4=0.0004ton，ton为开关管的导通时间[2]。通常选取L4=220μH，C4=270pF。
3输出特性性能分析
宽电源的输出特性主要技术指标有：误差分析、稳定性分析、温度影响量分析。本小节测试所使用的测量仪器为Hp34401台式数字万用表[3]。
3.1误差分析
宽电压输入设备的基本要求就是输入电压可以在一定范围内变化而输出保持基本不变，误差要达到要求。经过测量，本设计的输出电压如表1所示。
表125℃室温下输出与输入测量值V
由表1可以计算出最大相对误差：
[Δsm=Δxa×100%]
式中：[Δx]为最大绝对误差；a为理论输出值5V。
所以：
[Δsm=Δxa×100%=0.025×100%=0.4%]
综合，最大相对误差为0.4%，达到嵌入式系统对输入电压的要求范围。
3.2稳定性分析
稳定性主要是指给定一个稳定的输入量，在任何时间下输出都保持稳定的状态。本部分测试所给定的输入电压为9V，每间隔15min对输出进行一次测量[4]。测得的数据如表2所示（室温25℃）。
表2稳定性测量
稳定性的计算公式为：
[δ=1nn=0～nX-X′2]
式中：n为测量次数；X为理论值；X′为测量平均值；
根据上式代入数值得：
[δ=1100～105.00-5.0062=0.02]
稳定度较好，达到嵌入式系统的电源要求。
3.3温度影响量分析
温度影响量主要是指在稳定的输入条件下，调节环境温度，测试输出量。输出量变化越小，则系统的温度稳定性越高。本测试在保持输入为+12V的条件下，逐步改变环境温度对输出电压进行测量[5]。
测试的结果如表3所示。
表3温度影响量测量
根据表3可知，在不同的环境温度下系统的输出值会产生一定的波动，但总体保持稳定。根据稳定度的计算公式：
[δ=1nn=0～nX-X′2]
式中：n为测量次数；X为理论值；X′为测量平均值；
可以计算出温度稳定度为0.03。达到嵌入式系统所要求的范围[6]。
4结论
本设计电路使用了很少的元器件达到了很宽的输入电压目的，并且通过测试，在不同的输入电压下，电源输出稳定可靠，误差在许可范围内。可以在嵌入式系统中可靠应用。相对于其他的宽电压，本设计的精度更高，稳定性更可靠。
参考文献
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稳压电源设计原理篇4
关键词:电涡流测功机;直流线性稳压;二级电压控制;模拟故障
中图分类号:tp274文献标识码:B
文章编号:1004-373X(2009)10-189-04
newtypeofHigh-powerLinearDCVoltage-stabilizedpower
SourceineddyCurrentDynamometer
ZHanGXukai,ZHanGwenming,ZHoUHaiyong
(ShanghaiinternalCombustionengineResearchinstitute,Shanghai,200438,China)
abstract:anewtypeofpowersourceusedforexcitationvoltagecontrolineddycurrentdynamometerindesigned.BasedontheSCRrectificationcircuitandanalogtechnology,usingthefullythreephasepositioncontrolledbridgeofSCRandpowermoSFetregulationtooutputlinearDCvoltage.over-loadprotectioncircuit,open-phaseprotectioncircuitandthermal-shutdowncircuitaredesignedforequipmentreliability.experimentalresultsshowthattheequipmentcanoutputlinearDCvoltageandthevoltagestabliltyfulfiltheneedsofeddydynamometer.theequipmentalsocanquicklyshutdownwhenatfaultstatussuchasover-loads,open-phaseandoverheat.thepowersourcedesignedbythefullythreephasepositioncontrolledbridgeofSCRandpowermosfetregulationcanfulfiltheneedsofvoltageofeddydynamometer.
Keywords:eddydynamometer;DClinearvoltagecd
stabilized;secondaryvoltagecontrol;analogfault
测功机是发动机台架检测系统中重要的组成部分,用于测量发动机的有效功率。对测功机来讲,为了满足发动机所有转速和负荷范围内都保持稳定运转工况,并且可以平顺且精细地调节负荷,需要一个稳定的加载器来满足发动机实验的要求,需要对加载器提供稳定且可线性变化的电源。在电涡流测功机中,需要对励磁电机提供的直流电源进行驱动,以完成发动机台架检测。
由于电涡流测功机励磁电机要求磁场恒定,故要求电源提供的负载电压恒定不变,而且磁场一般都是稳定的,还要求有较好的电压稳定度,即要求即使输入电压发生一定变化时,输出电压应保持不变。
为了达到平顺调节负荷的目的,输出电压应有适当的线性调节范围,并且还要有一定的保护措施。根据设计需要,该电源输出电压的变化范围为0～180V,要求最大负载功率为5.4kw,输出电压稳定度应优于1%。
1工作原理
由于要求的电压调节范围较宽,要求的功率较大,目前电涡流测功机励磁加载电源采用较多的方法是可控整流器,在此通过控制晶闸管的导通角进行调压。其工作原理是对晶闸管的控制极进行控制,通过改变晶闸管的导通角,可以在输出端获得平均值和有效值都随导通角变化而变化的直流脉动电压。采用该原理设计的电源可以达到很高的输出功率,但是电压稳定性差,而且控制呈显著的非线性,不适合电涡流测功机对电压的要求。因此,该电源采用晶闸管三相桥式移相控制和功率moSFet调整两个控制环联合控制的方法,使输出电压可以满足大功率、高稳定度和可宽范围线性调节的要求。
1.1系统方框图
由于该电源要求功率较大,并且对电压稳定度也有较高的要求,所以采用如图1所示的电源方框图。
1.2可控整流原理
如图2所示,通过控制晶闸管的导通角,可以在整流电路输出端获得随控制电压变化的电压。
可控整流电路是指在输入交流电压的波形和幅值一定时,输出电压的平均值可以通过调节晶闸管的导通角进行调节。采用可控整流电路可以提高变压器的初、次级利用率,具有较大的功率因数和较小的脉动率,因此选作为主回路。
由于采用整流滤波电路以及稳压电路构成两级控制环。因此选择对整流滤波电路要考虑两点:考虑调整管的工作状态,确保调整管能工作在线性放大区;考虑交流电网波动的影响。交流电网的波动会反映到整流滤波电路的输出电压上。按照国家有关规定,在没有特定说明的情况下,一般按变化±10%来考虑。这就要求当电网电压变化±10%时,调整管要处于线性放大区,从而使稳压电路能保持正常工作。在该电源设计中,由于负载容量较大,使用单相电源会造成三相电网的不平衡,影响电网中其他设备的正常工作,所以采用的是三相桥式全控整流调节方式。三相可控整流的脉动频率比单相高,纹波因数显著低于单相。三相全控桥式整流电路电路可以在负载上得到比三相半控桥式整流电路更为均匀的波形。
采用市场上常见的三相整流功率模块,集成了晶闸管三相桥式整流电路以及触发电路,通过对模块的输入电压进行控制,即可完成整流与调相功能。通过在功率模块输入端连接三相隔离变压器,将输出电路与交流输入隔离。隔离变压器具有电压变换功能及有源滤波抗干扰功能。隔离变压器在交流电源输入端的特点为:若电网三次谐波和干扰信号比较严重,采用隔离变压器,可以去掉三次谐波和减少干扰信号;
采用隔离变压器可以产生新的中性线,避免由于电网中性线不良造成设备运行不正常;非线性负载引起的电流波形畸变(如三次谐波)可以隔离而不污染电网。
隔离变压器在交流电源输出端的特点为:防止非线性负载的电流畸变影响到交流电源的正常工作及对电网产生污染,起到净化电网的作用;在隔离变压器输入端采样,使得非线性负载电流的畸变不影响取样的准确性,得到能反应实际情况的控制信号。
对于小功率或者中等功率的使用场合,可以采用单相桥式半控的方法作为其整流主回路。电路组成可以选择晶闸管模块作为主回路,使用KC04芯片作为晶闸管模块的移相触发电路。通过调节KC04的控制电压控制晶闸管的导通角,从而得到随控制电压变化的直流脉动电压。
1.3串联反馈晶体管电路
可控整流输出的电压经电容整形滤波后的电压仍然具有较大的纹波,波动很大,而且很容易受电网电压的影响,并且单纯控制晶闸管的导通角得到的输出电压呈明显的脉动和非线性。这就要求系统在可控整流电压输出端添加串联反馈调整电路,使输出电压达到设计要求。其稳压原理是调整元件的动态电阻,它是随输出电压的变化而自动变化的。当负载电阻变小使输出电压降低时,调整元件的动态电阻便会自动变小,从而使调整元间两端的压降降低,确保输出电压趋近原来的数值。串联反馈调整电路的框图如图3所示,包括调整管、取样电路、基准电压源和比较放大器等部分。输入电压经过调整元件调节后,变成稳定的输出电压,取样电路与基准电压相比较,并把比较后的误差信号送入放大器,增强反馈控制效果。采用串联反馈调整型稳压电路,输出电压范围不受调整元件本身耐压的限制,而且各项技术指标均可以做得很高。但是过载能力差,瞬时过载会使调整元件损坏,需要添加过载保护电路。
1.4调整元件控制电路设计
在该电源系统中,采用大功率moSFet作为调整元器件,与三相桥式移向控制一起组成输出电压控制环。
1.4.1三相调压模块的控制
由于采用三相调压模块,所以只需对调压模块进行控制,即可完成整流输出功能。尽管三相模块中控制电压与晶闸管的导通角呈线性关系,如图2所示,晶闸管的输出电压与晶闸管导通角的变化却呈非线性关系;同时,为了保证电源功率输出调整管集-射级之间的电压差基本稳定,便于控制功耗,提高电源安全性,需要使电源功率调整管的输入电压基本呈线性变化。这里采用对控制电压进行非线性处理后,再输入到三相整流模块控制端的方法。控制输入电压经过二极管后作用到运算放大器,利用二极管的非线性特性与三相模块的非线性进行匹配,基本上可以使计算机输出的控制电压与晶闸管整流输出的电压呈现线性比例关系。电压输入/输出特性如图4所示,线路如图5所示。
1.4.2功率moSFet的控制
该电源选用功率moSFet作为调整元件,为电压控制型器件,在驱动大电流时无需驱动级,具有高输入阻抗,工作频率宽,开关速度高以及优良的线性区。为了保证电源的可靠性与安全性,需要将强电控制部分与弱电控制部分进行隔离。在此采用光电耦合器完成地的隔离,具体过程如图6所示。
moSFet的控制电压由计算机提供,经过F/V变换器、光电耦合器、V/F变换器变换后与取样电路取来的电压信号同时作用在比较放大器的输入端,通过与基准电压进行比较,比较放大器将输出相应的电压去控制moSFet,以稳定输出电压。由于负载电流较大,因此moSFet需采用并联连接方式,增加输出电流,确保在大电流情况下电源的正常工作。并联运用时,各管的参数尽量一致,可以在发射极串联均流电阻,利用负反馈减小电流分配的不均匀。电路如图7所示。
2监控管理设计
2.1电源保护电路
由于采用串联反馈型稳压电路作为电压控制环,因此在测功机发生短路或者过载时会有很大的电流流过调整管moSFet,并且所有输入电压几乎都加在调整管的集-射级之间,很容易将其烧坏,因此添加保护电路是必需的。常用的过电流保护电路有限流型、截止型和减流型。这里采用晶体管截止型保护电路,其原理是当负载电流达到限流值,过电流保护电路使稳压电源进人截止状态,并不再恢复,使稳压电源与负载得到有效的保护。其优点是:这时的电源调整管功耗为零,最大缺点是:属冲击性负载时,容易误动作,使稳压电源进人过流保护
状态,且一旦进入过电流保护状态后,即使过电流状态解除,也不能自动复位。具体线路如图8所示,当电流超过额定负载时,采样电阻R4两端电压上升,使晶闸管SCR导通,晶体管npn1导通,npn2截止,这时moSFet的栅级输入电压(即R3处的电压)被强制拉底,使moSFet输出为零;同时,串联在过载保护线路中的光耦导通,使三相功率整流模块的控制信号输入端接地,串联反馈稳压线路的输入电压为零,起到保护元件的作用。
由于电网自身原因或者电源输入接线不可靠,电源有可能会运行在缺相的情况下,而且掉相运行不易被发现。当电源缺相运行时,整流桥上的电流会不平衡,容易造成损毁,因此必须加入缺相保护电路,以进行缺相保护。电路原理图如图9所示,当aBC三相有一相发生缺相时,其对应的电源指示灯熄灭,缺相指示灯亮起,并且通过光耦输出信号到继电器驱动,此时继电器吸合,将三相功率模块的控制输入与地短接,使可控整流输出为零,起到保护电源的作用。
2.3过热保护
在电源处于长时间大电流工作状态或者工作环境比较恶劣时,电源的内部温度很高,会影响电源的可靠性。有资料表明,电子元器件温度每升高2℃,可靠性下降10%,这就意味着温度升高50℃时的工作寿命只有温度升高25℃时的1/6。因此,为了避免功率器件过热损坏,必须对电源的温度进行控制。通过控制moSFet的管压降可以控制moSFet上的功率,从而减少发热量,降低温度的升高。
在电路设计中增加一个光电耦合器反馈可以完成这个目的,当moSFet两端管压降过高时,光耦导通,光耦输出信号反馈至三相调压模块的控制输入,使其输出的控制电压降低,从而降低moSFet两端的管压降,在保证电源正常工作的前提下,使moSFet的功率保持在额定范围以内。
当使用环境较为恶劣或者出现电路故障时,即使对moSFet两端电压进行控制,moSFet的管芯也可达到很高的温度,这就需要对moSFet进行散热处理,并在moSFet附近安装温度继电器;当温度高于温度继电器的额定值时,温度继电器导通,通过一个光耦将导通信号传递到三相功率模块的输入端,使其输入为零,从而使电源功率调整管的输入电压为零,起到保护调整元件的作用。当温度回到正常时,电路可自动恢复工作。
各种保护电路与主回路的关系如图10所示。
3结语
经连续负载试验,该设备各项指标均达到技术要求。经过不断的完善和改进,使其性能稳定,工作可靠。采用晶闸管三相桥式移相控制和功率moSFet调整两个控制环联合控制,可以有效提高电源的稳定度,降低电源的纹波;采用三相隔离变压器接入电网,可以提高电源的安全性,降低对电网功率的要求;采用集成三相功率调压模块,减少了电路的复杂程度;通过添加各种保护电路,在设备出现不正常运转时,及时切断三相输入,保护元件不受到损坏。由于采用截止型保护电路,电源不能自动复位,所以在环境条件允许的情况下,可以采用开关型过电流保护,解决了限流型的高功率损耗,减流型的锁定效应和截止型的手动复位等问题。该电源主要用于需要大功率线性调压的场合,也可用作大功率高稳定度线性稳压电源使用。
参考文献
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稳压电源设计原理篇5
>>微型电机转速仪设计电机数字化控制系统的电源设计对进口旧电机电源规格不符解决方法的探讨对机电设备开关电源设计的思考跑步机电源控制器的设计提升机电控电源系统的优化设计基于微型空心杯直流电机的迷宫电脑鼠设计微型压电发电机在公交车上的设计与应用微型风力发电机的应用关于柴油发电机作应急电源电气设计的探讨直流电机伺服驱动开关电源的emi滤波器设计直流电机伺服驱动专用电源的设计远程计算机电源控制系统的设计及实现某型飞机电源枢纽舱的改进设计与分析智能手机电源管理模块的设计基于atmega8的无刷直流电机电调的设计浅析微型直流电机的智能测试对发电机电气参数采集传输系统的设计与探讨基于矢量变频技术的起重机电机控制系统设计基于单片机控制步进电机电路的设计常见问题解答当前所在位置：
关键词：微型电机电源；高压启动；低压运行
Doi：10.3969/j.issn.1005-5517.2013.9.017
引言
微型电机电源用于双子动压陀螺电机，驱动陀螺电机高速旋转，并需要角动量。微型电机电源的输入为220V/50Hz的交流电，输出两项相位差为90°，频率为1.5kHz的方波，其原理框图如图1。这其实是一个aCDC-aC转换电路，因此主要包括两大部分电路，即直流部分和交流部分。
直流部分电路
微型电机电源的直流部分输入电压为220V/50Hz交流电源，通过电源变压器降压后，经整流、滤波及稳压电路的输出直流电压。这部分可以说是比较常用的线路，但由于微型电机电源要求在电机启动60s前，输出电压为25V；60s后，输出电压为20V。而最终输出的交流电压的幅值是由前级的直流电压决定的，因此，就需要在直流电压的输出增加一部分电平转换电路，来控制电路最终的交流输出。
微型电机电源的高低压电平转换电路主要采用的是三端可调式稳压器w117和w137，该稳压器链接方式简便，有多种封装形式，由于此电路要求的电流较大为1a（可以同时带动多个马达，大大提高了效率这也是此电源的优点），因此采用了F-2型的，以保证电流。具体的电路是通过双单稳触发器CC4098产生一个延时脉冲，延时时间可调节，由这个延时脉冲控制稳压器w117和w137，稳压器w117和w137及其电路如图2。
图2中的n1为三端可调式正电压稳压器w117，延时脉冲有两点输入，前60s为低电平，三极管V1不导通，输出电压按公式Uo=1.25（1+R4/R3）Ui输入电压计算。
60s后高电平到来，三极管V1导通，电阻R5并入电路，即与R4并联，R4并联R5后阻值小于R4，按公式计算Uo减小，即达到了高低电平的转换。由于w137是负电压工作，因此还需将延时脉冲反相后经1点输入，其余工作原理与w117相同。
结束语
本文设计的微型电机电源与以往的电源相比拥有很好的高电压、大电流工作状态，且增加了高压启动、低压运行的功能，较以前的电源大大提高了其工作效率和使用可靠性，同时克服了微型电机有时在低压时无法正常启动的现象，可以在同类型的电机上推广应用。
参考文献：
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稳压电源设计原理篇6
关键字：直流电源；低纹波；双电池；通断原则
中图分类号：tn86?34；tp303+.3文献标识码：a文章编号：1004?373X（2016）14?0150?04
Designandimplementationoflow?rippledualbatteryDCregulatedpowersupply
LiJie，CHenGweibin，FenGDu，manRongjuan
（Schoolofelectronicengineering，Xi’anShiyouUniversity，Xi’an710065，China）
abstract：inordertorealizethelow?rippleoutputofthepowersupply，alow?rippledualbatteryDCpowersupplywasdesignedwiththeripplecontrolmethod，whichcanswitchfromthelowpowerstatetofullpowerstateautomatically.theripplecharacteristictestforthepowersupplywasperformed.theoriginalsignalistransmittedtothemaincontrolcircuitthroughthevoltageacquisitioncircuit，andthenthemaincontrolcircuitisusedtocontrolthechargingandsupplyingpowerselectioncircuitaccordingtotheon?offprincipleoftherelayswitchandcollectedvoltagesignal.thepowersupplybatterycanrealize+5Vvoltageoutputinonechannelandadjustablevoltageoutputintwochannelsthroughthelinearvoltageadjustmentcircuit.thelowrippleDCvoltageregulatoroutputfromchargingstatetosupplyingpowerstatewasimplemented.acoaxial?cabletestingdevicewasadoptedinpowersupplyrippletest.thetestdatashowsthatthelowrippleDCregulatedpowersupplyhasgoodrunningconditionandgreateradvantageinripplecontrolincombinationwithotherDCpowersupply，anditsoutputvoltageisstable.
Keywords：DCpowersupply；lowripple；dualbattery；on?offprinciple
0引言
提高参数测量精确度的重要方法是降低各类误差，其中直流电源纹波是产生误差的主要根源之一。二极管工频整流后直流电源有较大的工频纹波，需要较大容量滤波器件；开关电源采用高频工作，滤波器件体积和容量降低[1]，但存在高频纹波，虽然通过增加电路滤波器件可降低纹波，有时可达几毫伏，但仍达不到高精度测量的要求[2]。
本身没有纹波的直流电池供电是一种较好的选择，可以得到高质量的直流电源供应，但单一电池的容量有限，需要充电。有些电源采用交流供电、电池备用的方式，可保证交流失电后一段时间内的供电，交流供电时的纹波仍然存在。
为了克服了现有工频整流稳压电源和开关电源纹波控制技术的不足，以及电池容量有限不能持续低纹波输出的问题，本文设计了一种基于StC89C54的低纹波双电池直流稳压电源。
1硬件电路原理
系统的硬件主要包括控制主电路、电压采集电路、充电选择电路、供电选择电路、线性电压调整电路、可充电电池以及电源适配器，电路结构如图1所示。
控制主电路包括单片机StC89C54、a/D转换器pCF8591和LCD12864。pCF8591把模拟型的电压信号转换成数字信号，供单片机进行信号处理；单片机根据当前电池的充、供、欠、满4种状态和继电器通断原则，实现对双电池充电和供电的最优控制；液晶显示器显示各个电池的充、供、欠、满4种状态，并且实时显示各个电池当前电压以及充电电池的充电电流，为使用者提供便捷。
电压采集电路由分压电阻、运算放大器和充电电流采样电阻组成，电池端电压首先通过分压电阻分压，再由运算放大器调整到可采集的电压范围，最后传输到pCF8591进行a/D转换，而充电电流采样电阻的作用是把充电电流信号转换成电压信号。
充电选择电路和供电选择电路分别是由两个继电器开关和两个二极管组成[3]，控制主电路遵循通断原则控制继电器闭合与断开，在保障持续供电的前提下，尽可能使稳压电源低纹波输出。线性电压调整电路采用线性稳压模块、滤波电路和缓冲电路来稳定输出和降低开关调整产生的谐波，以此实现稳定的低纹波输出。可充电电池选择12V电池，并配备相应的电源适配器。双电池低纹波直流稳压电源供电原理图如图2所示。
2硬件电路设计
2.1控制主电路设计
控制主电路是以自带看门狗的单片机StC89C54为控制核心，a/D转换器pCF8591输出的数字信号和充供继电器开关的通断情况作为单片机的输入信号，LCD12864为显示输出，单片机遵循以下几个通断原则控制双电池的充供电：
（1）该电池充电开关需要闭合时，必须同时满足：
①该电池处于未充满状态；
②该电池的供电开关处于断开状态（即该电池不供电）；
③另一电池的充电开关处于断开状态（即两个电池不同时充电）。
（2）该电池充电开关需要断开时，只需满足其一即可：
①该电池处于充满状态；
②该电池的供电开关即将闭合（即需要该电池供电）；
③另一电池的充电开关即将闭合（即两个电池不同时充电）。
（3）该电池供电开关需要闭合时，必须同时满足：
①该电池处于不欠电状态；
②该电池的充电开关处于断开状态（即该电池不充电）；
③另一电池的供电开关即将断开（即两个电池不同时供电，但为了保证后级供电，需要该电池供电开关闭合后，另一电池供电开关才能断开）。
（4）该电池供电开关需要断开时，只需满足其一即可：
①该电池处于欠电状态；
②该电池的充电开关即将闭合（即该电池需要充电）；
③另一电池的供电开关已经闭合（为保证后级供电，另一电池供电开关闭合后，该电池供电开关才能断开）。
如图2所示，以上四条通断原则逻辑关系可总结为：
式中：B1Q，B1m分别代表B1电池欠电和B1电池满电。
以通断原则为根本控制思想，完成软件程序的编写和调试，是实现低纹波、稳定、持续供电的核心思路。
2.2电压采集电路设计
由于电池充电时，采集到的电池端电压是充电器的端电压，不能只用电池端电压值来判断电池是否满电，所以需要电池端电压信号采集电路和充电电流信号采集电路配合使用[4?5]。
电池端电压信号采集电路又可分为正极性电池电压信号采集和负性电池电压信号采集，由于所选择的串行a/D转换芯片pCF8591可识别0～5V电压信号[6]；故正极性电池电压信号需通过一组分压电阻分压为0～5V，再接电压跟随器即可采集成功；而负极性电池电压信号由于负电压的特殊性，需先通过分压电阻分压为反相运算放大器可识别的电压范围内，然后选择合适的放大倍数，反向放大到合适的电压区间[7]。负极性电池端电压信号采集电路如图3所示。
充电电流信号采集电路也可分为正极性充电电流信号采集和负性充电电流信号采集。采集到信号实际上是电压信号，但是考虑到功耗问题，所选用的采样电阻十分小，故采集到的电压信号十分微弱，所以分别需要通过同相比例放大器和反向比例放大器来放大采集到的微弱电压信号，并且在放大器输入端加入了RC滤波电路来抑制干扰。
这样就使得所有电压信号满足pCF8591芯片的采集范围，为后级控制主电路的信号输出提供参考。正极性充电电流信号采集电路如图3所示。
2.3其他电路设计
除了控制主电路和电压采集电路，该系统还包括充电选择电路、供电选择电路、线性电压调整电路、可充电电池和电源适配器。
这几部分电路中，充电选择电路和供点选择电路分别是由两个5V继电器和两个二极管组成，由单片机根据通断原则依次输出高低电平来控制各个继电器的导通和断开，二极管的单向导通性，保证了充电电流或者供电电流的单向性；线性电压调整电路通过三块线性稳压模块分别可实现一路5V和两路可调电压输出，稳压模块前级输入和后级输出分别并联0.1μF普通电容和100μF电解电容来对输入/输出电流滤波和缓冲，达到稳定输出和降低开关调整谐波的目的，以此实现稳定的低纹波输出。
线性稳压模块的性能要求输入电压比输出电压高2～3V，所以本设计选择无纹波的12V可充电电池为后级电路提供低纹波直流电压，前级交流充电选择与之匹配的电源适配器提供充电电流。
3软件系统设计
低纹波双电池稳压电源开始上电，程序初始化完成，接着将采集到的电压信号a/D转换并显示于LCD12864，然后控制主电路判断双电池是否均欠电，若均欠电，则充满一个电池，再依次执行a/D转换子程序、电池状态扫描子程序、供电子程序、充电子程序以及液晶显示子程序；若至少一个电池不欠电，则直接执行后级子程序。设计流程图如图4所示。
4电源纹波测试分析
电源制作并调试完毕后，采用同轴电缆测试装置来对电源进行纹波测试，在被测电源的输出端接RC电路后经输入同轴电缆后接示波器的aC输入端，具体连接方法如图5所示[8]。
示波器选用RiGoL公司的DS1204B，在示波器的设置方面，应注意尽量使用示波器最灵敏的量程档，打开aC耦合和带宽限制功能，表笔选用同轴电缆，并设置衰减比为1倍[9?10]。
根据以上方法，分别对普通直流电源（兴隆nS?3）、可编程直流电源（RiGoLDp832）和本设计的低纹波直流电源进行纹波对比，三种电源输出电压均为5V，测量结果如图6所示。
由图6可知，普通直流电源输出纹波为5.36mV，可编程直流电源输出纹波为2.88mV，低纹波直流电源输出纹波为400μV。
纹波对比试验结果可知，同环境、同电流以及同负载情况下，本文设计的低纹波直流电源输出纹波电压低于500μV，在输出纹波方面优于其他直流电源。
5结语
设计的低纹波直流电源可以准确识别电池电压和充电电流，并能遵循开关通断原则实时控制继电器，控制状况良好。输出纹波对比试验表明：本设计在纹波控制方面具有较大优势，是实现高精度参数测量的有效途径。
目前，该低纹波双电池直流稳压电源已成功应用到旋转导向钻井测斜仪中，电源工作稳定可靠，参数测量精确度明显提高。
注：本文通讯作者为程为彬。
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稳压电源设计原理篇7
关键词：atmega16单片机；Da转换器；开关稳压芯片；BUCK电路
数控直流电压源，就是输出电压可控的直流电压源。如今，电子设备己成为人们日常工作和生活中必不可少的一部分，而电源恰恰是电子设备的心脏，为电子设备提供所必需的能量，起着万分关键的作用。电源系统对安全性、可靠性、便捷性以及实用性的要求正变得越来越高，数控直流电压源也因此逐渐受到人们的青睐。传统可调电源往往通过电位器来达到目的，虽然这样的电源有很大的输出功率，但很难做到精确调整，效率也不高。而数控直流电压源输出精确可调，亦有较高的输出功率以及转换效率，且更加轻便。本文的目的就是研究和实现高效低耗的数控直流电压源。
1数控直流电压源基本组成及工作原理
本文所设计的数控直流电压源的基本组成结构框图如图1所示，系统中，mCU选用aVR单片机atmega16，它内部资源丰富，功耗低，可以保证系统稳定、可靠运行。Da转换器选用tLC5615，其基准源由基准源芯片ReF5020产生。模拟电路模块包括开关稳压芯片Lm2596_aDJ，运放芯片tL082，开关型电压转换芯片LmC7660以及功率电感等器件，共同构成一个BUCK电路。输出电压、电流经采样电路采入mCU并由液晶LCD5110进行显示。按键作为输入设备，对输出电压进行设置。
本设计工作原理是将单片机与Da转换器进行Spi通信，使Da输出可调的控制电压，送到运放tL082反相端。而以开关稳压芯片Lm2596_aDJ为核心的BUCK电路上电后即输出电压，经分压后送到运放同相端，此时tL082作为比较器使用以比较上述两个电压。运放输出信号经二极管in4148送入Lm2596-aDJ的反馈脚（FB端）控制输出电压，由于Lm2596-aDJ内部有1.235V基准电压以及比较器，当FB脚处电压小于基准时，会抬高输出电压；反之，则会降低，最终达到稳定从而达到数控的功能。接上负载后，输出电压、电流经采样点路送入mCU，就能在LCD5110上显示输出电压与输出电流。当采得电流值大于额定值，则将软件关闭Lm2596_aDJ的使能端，进行过流保护。
2系统硬件电路设计
2.1单片机最小系统电路设计
单片机最小系统是利用最少的器件而使单片机工作的电路组织形式。最小系统电路原理图如图2，包括单片机、振荡电路、复位电路及供电电路。
2.2Da转换器及其基准源电路设计
Da转换器及其基准源电路设计如图3所示，ReF5020电路简单，在其2脚（Vin）与4脚（Gnd）之间加上18V以下直流电压，再在6脚（Vout）接小电容即可得到基准电压。tLC5615为10位Da转换器，其1～4脚可与单片机标准Spi口pB4～7相连，通过收到的10位数字码控制输出电压。它的5脚与8脚加上供电电压，6脚（ReFin）接来自基准源的2.048V电压，就能在7脚获取Da的输出电压。
2.3稳压电路及其后级滤波电路设计
Lm2596系列是降压型开关稳压芯片，其电路为一标准BUCK电路。稳压电路及其后级滤波电路设计如图4所示，输入电压从其1脚（in）与3脚（GnD）接入，输入电压为40V以下直流电压。开关信号由其2脚（oUt）输出，加到电感与吸纳二极管上。5脚（on/oFF）为芯片使能端，低电平有效。4脚（FB）为反馈端，接入反馈信号以控制输出电压。图中上半部分为5.0V稳压输出，为单片机供电。下半部分为主稳压电路，输出可数控的电压。pCB设计要点，输出电感、电容以及后级滤波电路参数设计可按实际设计要求参考芯片技术手册。
2.4负电压产生电路设计
由于需为运放提供双电源，故需产生一负电压，可利用开关型电压转换芯片LmC7660。负电压产生电路设计如图5，在芯片8脚（V+）与3脚（GnD）加入一正直流电压，并在2脚与4脚之间串上一10～22μF电容，即可在5脚得到对应正电压的负电压。
2.5比较电路设计
比较电路设计如图6所示，本部分电路的核心思想是将输出电压（经分压后）与Da输出的控制电压进行比较，若输出电压小，则抬高输出电压；反之，则降低，使两个电压达到动态平衡以达到数控目的。本电路中，运放与反相端之间的电容，与反馈端的电阻构成一个类似积分器的结构，当平衡时，正负偏移量相等，故系统输出将很稳定。
3系统软件设计
系统软件总流程图如图7所示，本部分设计包括单片机与DaC的Spi通信子程序、aD采样子程序、掉电保持子程序、液晶显示子程序以及键盘扫描子程序，从而达到控制Da输出电压、获取实时电压电流、掉电保持、实时显示以及键盘控制等多项功能，具体见下文分析。
3.1单片机Spi通信程序设计
aVR单片机atmega16的标准Spi口为pB4～pB7，当直接使用时，只需配置若干相关寄存器即可进行数据的主从机传输，且由于本程序无需从Da传数据到单片机，故实际上miSo（pB6）口是不需工作的。工作时，需要配置Spi相关寄存器，即SpCR寄存器以及确定主机模式、时钟频率等。当使能端（pB4）有效，将一个字节数据赋给数据寄存器SpDR，就可传送一个字节的数据到tLC5615，完成后状态寄存器SpSR中的Spi完成标志位置位，在下次传送时需软件清零，完成后pB4拉高以停止Spi数据传输。
3.2aD采样程序设计
atmega16单片机内部集成了一个8通道10位的aD转换器。使用时，首先需要配置aD模式寄存器aDmUX以确定aD的参考电压选取、采样通道、放大倍数等。下面要配置aDC控制和状态寄存器aDCSRa寄存器以决定分频率，aD中断是否使能，aD是否启动等。另外，若要使用aD中断，还要配置全局中断寄存器SReG。完成后就会开始进行aD转换，转换得到的10位数字码存在两个寄存器aDCH与aDCL，在程序中取出两个寄存器内容后进行一定的转换即可。
3.3掉电保持程序设计
atmega16内部具有512字节eepRom，地址范围为0～511。eepRom的读写方便，Rom的每个地址可存储一个字节。每当用于控制的10位数字码变化，就将其按高低8位拆分，存入Rom中，当开机时再取出相应地址里的内容，重组10位数字码，即可完成掉电保持功能。
3.4液晶显示程序设计
LCD5110是84*48点阵液晶显示屏，它采用串行接口与mCU进行通信且支持多种串行通信协议。液晶显示字符的原理就是将每个6*8的点阵进行选择性点亮，使其显示出相应字符的形状。本设计需显示电压、电流，当得到aD采样结果后，将数据按位拆分，并显示在不同位置即可。
4结论
通过测试，本文所设计的数控直流电压源性能稳定可靠，设计电路实用、简单，效率高，带负载能力较强，该系统有如下特点：
（1）本系统输出电压在0～24V可调，步进为0.1V，输出电流最大可达3a，输出电压值、电流值由液晶LCD5110显示。
（2）最大输出功率45w以上，电源效率在80%以上，纹波不大于100mV。
（3）具有掉电保持、过流保护、常用电压预置等多种功能。
本数控直流电压源设计方案巧妙、电路及控制原理简单，输出可调且具有不错的带负载能力、很高的转换效率，可应用于供电电压在24V以下的各类电子设备供电。
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作者简介：
沈瀚祺，男，（1991～）浙江桐乡人，杭州电子科技大学电子信息学院本科生，研究方向：数字图像处理与DSp芯片设计。
稳压电源设计原理篇8
1、开关电源概述
2、开关电源的发展
3、开关电源的基本构成及分类
4、开关电源的电路组成及功能
开关电源的pwm
1、开关电源pwm的五种反馈控制模式
2、三种经典型号控制集成芯片：UC3842、tL494、SG3525
开关电源的电磁兼容性与可靠性
开关电源的电磁电磁兼容技术
开关电源的噪声
开关电源的emC设计
开关电源的计算机辅助分析与计算
直流开关电源设计
直流开关电源原理及特点
直流开关电源的保护
六、参考文献
开关电源设计相关
电源，即提供电能的设备，主要分三类：一次电源（将其它能量转换为电能），二次电源和蓄电池。其中，二次电源指的是把输入电源（由电网供电）转换为电压、电流、频率、波形及在稳定性、可靠性（含电磁兼容，绝缘散热，不间断电源，智能控制）等方面符合要求的电能供给负载。电子设备都离不开可靠的电源。开关电源由于具有效率高、体积小、重量轻的特点，近年来获得了飞速发展。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（pwm）控制iC和功率开关器件（如moS-Fet）等构成。简单的说：就是开关型直流稳压电源。开关电源把直流电源或交流电源通过它可以获得一个稳定的直流电压源。它具有效率高，输出电压稳定，交流纹波小，体积小和重量轻的许多优点。
开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。它们的功能是：
输入电网滤波器：消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。
输入整流滤波器：将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。
变换器：是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。
输出整流滤波器：将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。
控制电路：检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。
保护电路：当开关电源发生过电压、过电流短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。
现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。
pwm开关稳压或稳流电源基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。pwm的开关频率一般为恒定，控制取样信号有：输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压、开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流及恒定功率的目的，同时可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁、均流等功能。对于定频调宽的pwm闭环反馈控制系统，主要有五种pwm反馈控制模式
开关电源pwm的五种反馈控制模式
1、电压模式控制pwm(VoLtaGe-moDeContRoLpwm)：2.峰值电流模式控制pwm(peaKCURRent-moDeContRoLpwm)：3.平均电流模式控制pwm(aVeRaGeCURRent-moDeContRoLpwm)：
4.滞环电流模式控制pwm(HYSteRetiCCURRent-moDeContRoLpwm)：5.相加模式控制pwm(SUmminG-moDeContRoLpwm)：
开关电源的pwm专用芯片有三个经典型号:UC3842,tL494,SG3525
UC3842是电流模式八脚单端pwiVi控制芯片，其内部电路框图如图所示，主要由基准电压发生器、欠电压保护电路、振荡器、pwm闭锁保护、推挽放大电路、误差放大器及电流比较器等电路组成。该控制芯片与振荡定时器件、开关管、开关变压器可构成功能完善的他励式开关电源。
直流稳压电源是一种常见的电子仪器，广泛地应用于电子电路、教学实验和科学研究等领域。目前使用的直流稳压电源大部分是线性电源，利用分立器件组成，其体积大，效率低，可靠性性差，操作使用不方便，自我保护功能不够，因而故障率高。随着电子技术的飞速发展，各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断朝着小型化，高效率，低成本，高可靠性，低电磁干扰，模块化和智能化方向发展。以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代智能稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而可排除和减少由于骚扰信号和模拟电路引起的误差，大大提高稳压电源输出电压和控制电流精度，降低了对模拟电路的要求。智能稳压电源可利用单片机设置周密的保护监测系统，确保电源运行可靠。输出电压和限定电流采用数字显示，输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作使用方便，具有较高的使用价值。
控制和保护电路主要处理信号，属于“弱电”电路，但它控制着主电路中的开关器件，一旦出现失误，将造成严重的后果，使电源停止工作或损坏。电源的很多指标，如稳压稳流精度、纹波、输出特性等也与控制电路相关
开关电源主要有以下特点：
体积小、重量轻：由于没有工频变压器，所以体积和重量只有线性电源的20～30%。
功耗小、效率高：功率晶体管工作在开关状态，所以晶体管上的功耗小，转化效率高，一般为60～70%，而线性电源只有30～40%。
开关电源的电路组成：
开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（emi）、整流滤波电路、功率变换电路、pwm控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。
开关电源的电路组成方框图如下：
输入电路的原理及常见电路：
aC输入整流滤波电路原理：
防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由moV1、moV2、moV3：F1、F2、F3、FDG1组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3会烧毁保护后级电路。
输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加Rt1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在Rt1电阻上，一定时间后温度升高后Rt1阻值减小（Rt1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。
整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5容量变小，输出的交流纹波将增大。
DC输入滤波电路原理：
输入滤波电路：C1、L1、C2组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。C3、C4为安规电容，L2、L3为差模电感。
R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、Rt1、C7组成抗浪涌电路。在起机的瞬间，由于C6的存在Q2不导通，电流经Rt1构成回路。当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。如果C8漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间电流在Rt1上产生的压降增大，Q1导通使Q2没有栅极电压不导通，Rt1将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。
功率变换电路：
moS管的工作原理：目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是moSFet（moS管），是利用半导体表面的电声效应进行工作的。也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电状态，所以输入电阻可以大大提高，最高可达105欧姆，moS管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。
常见的原理图：
3、工作原理：
R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器，和开关moS管并接，使开关管电压应力减少，emi减少，不发生二次击穿。在开关管Q1关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，能很好地吸收尖峰电压和电流。从R3测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制，因此是当前工作周波的电流限制。当R5上的电压达到1V时，UC3842停止工作，开关管Q1立即关断。
R1和Q1中的结电容CGS、CGD一起组成RC网络，电容的充放电直接影响着开关管的开关速度。R1过小，易引起振荡，电磁干扰也会很大；R1过大，会降低开关管的开关速度。Z1通常将moS管的GS电压限制在18V以下，从而保护了moS管。
Q1的栅极受控电压为锯形波，当其占空比越大时，Q1导通时间越长，变压器所储存的能量也就越多；当Q1截止时，变压器通过D1、D2、R5、R4、C3释放能量，同时也达到了磁场复位的目的，为变压器的下一次存储、传递能量做好了准备。iC根据输出电压和电流时刻调整着⑥脚锯形波占空比的大小，从而稳定了整机的输出电流和电压。
C4和R6为尖峰电压吸收回路。
4、推挽式功率变换电路
Q1和Q2将轮流导通。
5、有驱动变压器的功率变换电路：
t2为驱动变压器，t1为开关变压器，tR1为电流环。
输出整流滤波电路：
正激式整流电路：
t1为开关变压器，其初极和次极的相位同相。D1为整流二极管，D2为续流二极管，R1、C1、R2、C2为削尖峰电路。L1为续流电感，C4、L2、C5组成π型滤波器。
反激式整流电路：
t1为开关变压器，其初极和次极的相位相反。D1为整流二极管，R1、C1为削尖峰电路。L1为续流电感，R2为假负载，C4、L2、C5组成π型滤波器。
同步整流电路：
工作原理：当变压器次级上端为正时，电流经C2、R5、R6、R7使Q2导通，电路构成回路，Q2为整流管。Q1栅极由于处于反偏而截止。当变压器次级下端为正时，电流经C3、R4、R2使Q1导通，Q1为续流管。Q2栅极由于处于反偏而截止。L2为续流电感，C6、L1、C7组成π型滤波器。R1、C1、R9、C4为削尖峰电路。
稳压环路原理：
1、反馈电路原理图：
2、工作原理：
当输出U0升高，经取样电阻R7、R8、R10、VR1分压后，U1③脚电压升高，当其超过U1②脚基准电压后U1①脚输出高电平，使Q1导通，光耦ot1发光二极管发光，光电三极管导通，UC3842①脚电位相应变低，从而改变U1⑥脚输出占空比减小，U0降低。
当输出U0降低时，U1③脚电压降低，当其低过U1②脚基准电压后U1①脚输出低电平，Q1不导通，光耦ot1发光二极管不发光，光电三极管不导通，UC3842①脚电位升高，从而改变U1⑥脚输出占空比增大，U0降低。周而复始，从而使输出电压保持稳定。调节VR1可改变输出电压值。
反馈环路是影响开关电源稳定性的重要电路。如反馈电阻电容错、漏、虚焊等，会产生自激振荡，故障现象为：波形异常，空、满载振荡，输出电压不稳定等。
六、短路保护电路：
1、在输出端短路的情况下，pwm控制电路能够把输出电流限制在一个安全范围内，它可以用多种方法来实现限流电路，当功率限流在短路时不起作用时，只有另增设一部分电路。
2、短路保护电路通常有两种，左图是小功率短路保护电路，其原理简述如下：
当输出电路短路，输出电压消失，光耦ot1不导通，UC3842①脚电压上升至5V左右，R1与R2的分压超过tL431基准，使之导通，UC3842⑦脚VCC电位被拉低，iC停止工作。UC3842停止工作后①脚电位消失，tL431不导通UC3842⑦脚电位上升，UC3842重新启动，周而复始。当短路现象消失后，电路可以自动恢复成正常工作状态。
3、右图是中功率短路保护电路，其原理简述如下：
当输出短路，UC3842①脚电压上升,U1③脚
电位高于②脚时，比较器翻转①脚输出高电位，给
C1充电，当C1两端电压超过⑤脚基准电压时
U1⑦脚输出低电位，UC3842①脚低于1V，UCC3842
停止工作，输出电压为0V，周而复始，当短路
消失后电路正常工作。R2、C1是充放电时间常数，
阻值不对时短路保护不起作用。
4、左图是常见的限流、短路保护电路。其工作原理简述如下：
当输出电路短路或过流，变压器原边电流增大，R3
两端电压降增大，③脚电压升高，UC3842⑥脚输出占空
比逐渐增大，③脚电压超过1V时，UC3842关闭无输出。
5、右图是用电流互感器取样电流的保护电路，有
着功耗小，但成本高和电路较为复杂，其工作原
理简述如下：
输出电路短路或电流过大，tR1次级线圈感
应的电压就越高，当UC3842③脚超过1伏，UC3842
停止工作，周而复始，当短路或过载消失，电路自行恢复。
七、输出端限流保护：
左图是常见的输出端限流保护电路，其工作原理简述如下：
当输出电流过大时，RS（锰铜丝）两端电压上升，U1③脚电压高于②脚基准电压，U1①脚输出高电压，Q1导通，光耦发生光电效应，UC3842①脚电压降低，输出电压降低，从而达到输出过载限流的目的。
八、输出过压保护电路的原理：
输出过压保护电路的作用是：当输出电压超过设计值时，把输出电压限定在一安全值的范围内。当开关电源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出过压现象时，过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备。应用最为普遍的过压保护电路有如下几种：
1、可控硅触发保护电路：
如图，当Uo1输出升高，稳压管（Z3）击穿导通，可控硅（SCR1）的控制端得到触发电压，因此可控硅导通。Uo2电压对地短路，过流保护电路或短路保护电路就会工作，停止整个电源电路的工作。当输出过压现象排除，可控硅的控制端触发电压通过R对地泄放，可控硅恢复断开状态。
2、光电耦合保护电路：
如右图，当Uo有过压现象时，
稳压管击穿导通，经光耦（ot2）
R6到地产生电流流过，光电耦合器
的发光二极管发光，从而使光电耦合
器的光敏三极管导通。Q1基极得电导通，
3842的③脚电降低，使iC关闭，停止整个电源的工作，Uo为零，周而复始，。
3、输出限压保护电路：
输出限压保护电路如下图，当输出电压升高，稳压管导通光耦导通，Q1基极有驱动电压而道通，UC3842③电压升高，输出降低，稳压管不导通，UC3842③电压降低，输出电压升高。周而复始，输出电压将稳定在一范围内（取决于稳压管的稳压值）。
4、输出过压锁死电路：
图a的工作原理是，当输出电压Uo升高，稳压管导通，光耦导通，Q2基极得电导通，由于Q2的导通Q1基极电压降低也导通，Vcc电压经R1、Q1、R2使Q2始终导通，UC3842③脚始终是高电平而停止工作。在图B中，Uo升高U1③脚电压升高，①脚输出高电平，由于D1、R1的存在，U1①脚始终输出高电平Q1始终导通，UC3842①脚始终是低电平而停止工作。
九、功率因数校正电路（pFC）：
1、原理示意图：
2、工作原理：
输入电压经L1、L2、L3等组成的emi滤波器，BRG1整流一路送pFC电感，另一路经R1、R2分压后送入pFC控制器作为输入电压的取样，用以调整控制信号的占空比，即改变Q1的导通和关断时间，稳定pFC输出电压。L4是pFC电感，它在Q1导通时储存能量，在Q1关断时施放能量。D1是启动二极管。D2是pFC整流二极管，C6、C7滤波。pFC电压一路送后级电路，另一路经R3、R4分压后送入pFC控制器作为pFC输出电压的取样，用以调整控制信号的占空比，稳定pFC输出电压。
十、输入过欠压保护：
原理图：
工作原理：
aC输入和DC输入的开关电源的输入过欠压保护原理大致相同。保护电路的取样电压均来自输入滤波后的电压。
取样电压分为两路，一路经R1、R2、R3、R4分压后输入比较器3脚，如取样电压高于2脚基准电压，比较器1脚输出高电平去控制主控制器使其关断，电源无输出。另一路经R7、R8、R9、R10分压后输入比较器6脚，如取样电压低于5脚基准电压，比较器7脚输出高电平去控制主控制器使其关断，电源无输出。
十
一、电池管理：
电池管理原理图：
虚线框a内的零件组成电池启动和关断电路；虚线框B为电池充电线性稳压电路；虚线框C为电子开关电路；虚线框D为电池充电电流限制电路。
电池启动原理：
输入电压由inpUt和aGnD端输入，分为三路。第一路经D7直接送后级和电池启动、关断电路。R28、R27、R26分压后的电压使U3导通（此电压在设计时已计算好了，正常工作时高于2.5V），光藕ot1导通。R25为U3提供工作电压，R23、R24为光藕的限流及保护电阻。
光藕导通后电源经R22、ot1、D9给Q4提供基极偏置电压，Q4导通，R21为Q4的下偏置电阻。继电器RLY1-a的线圈中有电流流过，继电器触点RLY1-B吸合，将电池Bat接入电路中。D4为阻止在Q4关断时继电器线圈产生的电动势影响后级电路，D5为防止在Q4关断时继电器线圈产生的电动势损坏Q4，将继电器线圈产生的能量释放。
电池充电稳压原理：
在通电的初期，由于Q3没有偏置而不导通，D3的正端无电压。电源经R1降压Z1稳压后给U1和U2提供工作电压。R2、U1组成基准电压，R13、R4、R5、R6、VR1组成电池电压检测电路，当U2②脚检测电压低于③脚电压时，其①脚输出高电平，经R14给Q2提供偏置电压，Q2导通、Q3也跟着导通，电源经Q3、D3、继电器触点RLY1-B、F1给电池Bat充电。
当U2②脚检测电压高于③脚电压时，其①脚输出低电平，Q2失去偏置电压而截止，Q3截止，D3的正端无电压，其负极电压下降，U2②脚检测电压也跟着下降，当U2②脚检测电压低于③脚电压时，其①脚输出高电平，Q2、Q3导通继续充电，如此周而复始，使D3的负端电压维持在某一设定值。调节VR1可以改变充电电压值。
电池充电限流原理：
在充电的过程中，电流经Q3、RLY1-B、F1、Bat、R20回到地（aGnD）。在电池充电的初期，因电池电压比较低，流经Q3、RLY1-B、F1、Bat、R20的电流就会增大，那么在R20上产生的压降就会增大(R20为电流取样电阻)。电阻R20的上端S点经R11连接到U2B的同相输入端⑤脚，U2B的反相输入端⑥脚有一固定参考电压，当R20上的压降超过参考电压时，U2⑦脚输出高电平，经D2、R15给Q1提供偏置电压，Q1因此导通。Q1导通后Q2因失去基极电压而截止，将使线性稳压器的输出关断，Q3、RLY1-B、F1、Bat、R20回路中就没有电流流过，R20上的压降消失，U2⑦脚输出低电平，Q1截止，Q2、Q3导通继续充电，如此周而复始，就将充电电流限制在某一设定值范围内。
调节R10、R11可改变限流点。
电池欠压关断原理：
当输入电压没有时，电池电压经D6给后级和电池启动、关断电路供电。当电池电压下降，U3①脚电压也跟着下降，在电池电压下降至设计关断点时（也就是U3①脚电压低于2.5V时），U3不导通，ot1不发生光电藕合，Q4无偏置而截止，继电器RLY1-a的线圈中没有电流流过，继电器触点RLY1-B断开，将电池Bat从电路中断开，防止电池过放电而损坏。改变R26、R27的阻值，可以改变电池欠压关断时的电压值。
十
二、智能风扇散热：
在开关电源中，对电源进行散热的方式有很多种，智能散热就是其中之一。它是随电源工作时的温度高低，来调节散热风扇的工作电压而改变风力大小，达到最佳散热效果。有着节能的目的。其原理图如下：
工作原理：
输入电压由inpUt端（12～13V）输入，R6为U2提供工作电压，R7、R8阻值相同，分压后为tL431提供触发电压，使a点的基准电压在+5V；Rt1为负温度系数热敏电阻，经R1、R2分压加在U1的反相输入端⑥脚。R5为输出电压取样电阻，与R4分压后加在U1的同相输入端⑤脚；Q1为电子开关管；风扇电压由FanoUt端输出。
在刚通电的时候，由于Q1还没导通，C点无电压，U1的⑥脚电压高于⑤脚，因此U1⑦脚输出低电平，Z1击穿导通，Q1导通，C点有电压输出；应Q1的发射极接输入电压端，因此C点电压约等于输入电压，经R5与R4分压后加在U1的同相输入端⑤脚，使⑤脚电压高于⑥脚电压，U1⑦脚输出高电平，Z1不导通，Q1不导通，C点无电压输出；使⑤脚电压又低于⑥脚电压，U1⑦脚又输出低电平，如此反复最终使C电压稳定在某一值（因⑥脚电压不变）；也就是说C点的电压是随B点的电压变化而变化的。
开关电源工作的初期（或轻载工作），机内温度低，热敏电阻Rt1的内阻很大，B点的电压相对较低，因此C点的输出电压也低，风扇因工作电压低而转速慢、风力小。当开关电源机内温度逐渐升高（满载工作），热敏电阻Rt1的内阻逐渐减小，B点的电压也升高，因此C点的输出电压也跟着升高，风扇因工作电压升高而转速加快、风力加大。当机内温度下降后，热敏电阻内阻逐渐增大，B点电压下降，C点的输出电压也降低，风扇因工作电压低而转速变慢、风力小。当B点电压（温度）升高到一定程度时，U1③脚电压高于②脚基准电压，U1①脚输出高电平，一路经D1、R13返回到B点，使U1①脚始终输出高电平（也就是自锁）；另一路经D2输出到过温保护电路，实现过温保护功能。
十
三、均流技术：
在通讯设备或其它用电设备中，为了使系统不间断的工作，对供电系统的要求就很高。除了要求电源本身的性能要稳定外，另一种方法就是采用1+1备分的方式，就是一台设备用两台电源并联供电，当其中的一台损坏，另外一台可继续给系统供电。在正常工作时，每台电源提供的能量相等，也就是它们输出的电压、电流基本一致。为了使每台电源输出的电压、电流基本一致，就要用到均流技术。原理如下图所示：
均流电路原理图
工作原理：
U1a、R1～R7、C1～C5、VR1组成电流取样电压放大器；U1B、D1组成电压跟随器；R10为均流电压输出电阻；R11～R14、U2a、C6～C10组成平衡电压比较器；R15～R17、Q1为电子开关；R30～R33、C17、C18、U2B组成过流保护电路；R19～28、D2、D3、D4、C12～C14、Q2是电源的输出电压稳压环路，其中D2、D3、R19～R21为输出电压取样电路。D6为输出隔离二极管。
电源在工作时，由电流环或锰铜丝检测的电流取样电压由+iS、-iS加入U1a
组成的电压放大器进行放大，经R5、R6、R7、VR1分压后分两路输出，一路
送入U1B电压跟随器，D1起隔离作用，防止均流母线上的电压变化对前级电
路产生影响，另一路送过流保护电路。经过电压跟随器后的电流取样电压又
分为两路，一路经R10输出作为均流信号电压JL+，另一路经R11送入U2a
组成的平衡电压比较器与U2②脚的参考电压进行比较，当U2③脚电压高于②
脚电压，其①输出高电平，Q1基极得电导通，将R17、R18并入输出电压取
样电路，使输出电压升高，输出电压升高后输出电流就会减小，检测的电流
取样电压也就降低，均流信号电压JL+降低，U2③脚电压低于②脚电压，其①
输出低电平，Q1截止，R17、R18从输出电压取样电路中退出，输出电压降低。
如此循环，最终使输出电压、电流保持稳定。
如右图，当两台电源并机工作时，其输出端是并接在一起的，均流信号线也连接在一起。现在假设电源a的输出电流io1大于电源B的输出电流io2，在两台电源内部的电流取样电压就会a高于B，也就是JL1+高于JL2+，而JL1+和JL2+是接在同一条线上（均流母线），因此JL2+升高，通过电源B内部均流电路的控制迫使其输出电压升高，io2增大，io1减小（负载电流不变）；io2高于
io1时，其控制过程刚好相反，如此循环，最终使两台电源的输出电压、电流保持一致。
Q3、C19、R34～R36组成的电路的作用是，在电源启动初期输出电压低或输出欠
压时Q3导通，使U2a③脚处于低电位，U2a①脚输出低电平，Q1截止，也就是使均
流电路不起作用。
VR1可调节均流信号的电压值，也可调节输出限流点。
参考文献：1、开关稳压电源原理与实用技术科学出版社刘芯
2、开关电源原理机械工业出版社王维
3、直流开关电源技术人民大学出版社李田新
4、开关电源维修实用技术电力出版社高一
5、开关电源集成芯片技术机械出版社王新
6、开关稳压电源原理及设计电力出版社张伟
7、开关电源的原理与设计（修订版）电子工业出版社张占松
8、电源应用技术科学出版社邹怀虚
9、现代高频开关电源实用技术电子工业出版社刘胜利
稳压电源设计原理篇9
关键词：matlab；逆变源；建模仿真；双环控制
中图分类号：tn911?34文献标识码：a文章编号：1004?373X（2013）16?0164?03
0引言
随着太阳能、风能等可再生能源的发展，分布式发电以其环境污染少、能源综合利用率高、供电可靠等优点，逐渐成为了各国家竞相研究的热点，在美国、欧洲等技术成熟的国家和地区，以将其广泛应用在微电网中[1?3]。逆变电源作为一种有效的电力供应源，成为了微电网的重要组成部分，并在微电网的研究和实施中得到了广泛的应用。设计的基于pwm的孤立逆变电源，其控制模型采用电压外环和电流内环双环控制策略，电压外环和电流内环均采用pi控制方式。应用matlab软件建立实验模型进行仿真，通过仿真验证了控制系统设计的合理性，以及双环控制策略的应用效果，分析仿真结果证明了系统设计的合理性和有效性。
1pwm逆变器的电路结构和工作原理
在交?直?交变频器中，通常要求直流电路采用可控硅整流电路，如图1（a）所示。逆变输出的电压[Uo]的大小可以通过改变[Ud]的大小来控制。通过对逆变器触发电路频率的控制，可以改变输出电压[Uo]的频率。但是，这种变频电路存在有缺陷：如果输出的交流电压为含有较多谐波的矩形波，这无论是对负载或是交流电网都是不利的；如果输出功率用相控方式来调节，就会使输入功率因数降低，同时由于有滤波大电容存在于中间直流环中，使得调节输入功率时惯性较大，系统响应缓慢。
为解决上述缺陷，可以采用如图1（b）所示的变频电路。这种电路通常称为pwm（pulsewidthmodulation）型变频电路，其基本的工作原理是对逆变电路中开关器件的通断进行有规律的控制，使输出端得到等幅不等宽的脉冲列，并用这些脉冲列来替代正弦波。按要求的规则对脉冲列的各脉冲宽度进行调制，既可改变电路输出电压的大小，又可以改变输出电压的频率[4?5]。
2孤立逆变源双环控制策略
如图2所示，为设计的基于pwm孤立逆变源的电压电流双环控制原理图。控制外环为电压控制环，电压[Vabc]的反馈值由测量模块2测得，并与给定的参考值进行比较，误差信号经过pi控制器调节后作为电流内环基准；控制内环为电流控制环，由测量模块1测得的反馈的电流值[iabc1]与电流基准进行比较产生的误差信号，经过pwm发生器离散化之后产生pwm控制信号[6]。
pi控制器是具有比例?积分控制规律的控制器，其框图如图3所示，其控制规律是指控制器的输出信号[ut]既反映输入信号[et]，又反映[et]对t的积分，即：
[ut=kpet+kpti0tetdt]
式中：[kp]为可调比例系数，[ti]为可调积分时间常数。
在控制工程实践中，pi控制器主要用来改善控制系统的稳态性能[7]。pi参数的准确设置，对控制效果至关重要，可调积分时间常数[ti]会影响系统达到稳定的时间和稳定性，可调比例系数[kp]会对系统的响应时间产生影响。在本文设计的孤立逆变源中，利用工程整定的方法，对外环电压反馈值[vabc]进行调节的pi调节器，其参数整定值为：[kp]=0.25，[ti]=300；对内环电流反馈[iabc1]进行调节的pi调节器，其参数整定值为：[kp]=1.25，[ti]=1。
3仿真结果
根据控制方案，设计的孤立逆变源的建模仿真使用matlab?Simulink?SimpowerSystems软件平台来完成。仿真时间设定为0.3s，仿真数据均采用标幺值，仿真模型如图5所示。设计的电压外环和电流内环的pi控制模型分别如图6、图7所示。
模型仿真的主要参数如表1所示。
3.1逆变源仿真结果
根据表1的参数设置进行建模仿真，仿真开始后，逆变电源在很短暂的时间就达到了稳态运行，经测量模块2测量输出的电流[iabc]和电压[Vabc]，测量模块1测量输出的电流[iabc1]，以及调制系数m的输出波形如图7、图8所示。
表1仿真模型主要参数
逆变电源运行达到稳态后，由图7输出的电压和电流波形分析可知，逆变电源达到稳后的运行状态非常稳定，达到了预期的效果。由图8可知，调制系数m在经过短暂的震荡之后收敛到0.85～0.9稳定的区间，表明了调制控制的稳定性。
3.2电压控制pi仿真结果
逆变电源运行达到稳态后，电压外环控制模块的pi调节的输入信号及经过pi调节后的输出信号如图9所示。由图9的输出波形可知，输入到pi的Vd，Vq信号经过短暂的波动收敛到0，并输入到pi调节器中，经pi调节器调节后输出较为稳定的误差信号，作为电流内环控制的基准信号，保证了电流内环控制的稳定性。
调节前的输入波形
3.3电流控制pi仿真结果
逆变电源运行达到稳态后，电流内环控制模块经过pi调节后的输出Vd，Vq和电压Uabc的波形如图10所示。在电流内环调节中，电流经d?q变换得到信号与经电压外环控制后输入的基准信号作比较，比较结果作为电流控制环的pi调节输入信号，经pi调节后输出稳定的控制信号Vd，Vq，如图10所示，输出信号经过短暂的震荡收敛到了一个稳定的状态，表明了电流内环控制系统稳定性。输出的电压Uabc作为pwm发生器的输入信号，经过pwm发生器离散化之后产生pwm控制信号，形成一个闭环控制系统，保证了整个控制系统的稳定运行。
4结语
分布式发电作为高效、清洁的发电方式，以其具有投资少、可与环境兼容等优点，在微电网中得到了广泛的应用。逆变电源作为微电网的重要组成部分，其设计运行的稳定性、有效性和可行性，直接会影响到整个微电网供电的电能质量。设计的电压外环和电流内环双环控制的逆变电源，电压外环可以增加系统的稳定性和消除静态误差，电流内环可以提高系统的快速性和动态特性。采用pi控制策略，利用matlab软件建立了实验仿真平台。仿真结果表明，设计的逆变电源具有很好的稳态性能和动态性能，控制系统设计合理稳定，参数的选择合理有效。
参考文献
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稳压电源设计原理篇10
关键词:二次电源;自激推挽;串联调整;抗干扰设计
中图分类号:tm91文献标识码:a
文章编号:1004-373X(2010)13-0036-03
DesignforSecondaryelectricSource
wanGpeng-hui
(Chinaairbornemissileacademy,Luoyang471009,China)
abstract:thequalityofthesecondaryelectricsourceonmissiledetermineswhethertheintendedfunctionsofamissilecanbeimplementedornot.thecircuitframeisanalyzedaccordingtothedesignrequirements.thehybridelectricsourceofself-oscillatorypush-pullconverterandserialvoltageregulationcircuitwasadopted.thestability,anti-interferenceandreliabilityweredesignedattentively.thedesignedproductworkswell.thedesignmethodologyinengineeringhasaveryhighpracticalvalue.
Keywords:secondaryelectricsource;self-oscillatorypush-pull;serialvoltageregulationcircuit;anti-jammingdesign
二次电源将弹上一次电源(热电池、涡轮电机等)所提供的+28V直流电源变换成弹上探测系统、信息处理、驱动控制等分系统所需要的各种电压。电压质量的好坏,对不同部件工作的稳定性和可靠性将产生重要影响[1]。同时,由于弹上电源工作环境较为恶劣,在达到设计要求的同时,必须考虑电源工作温度环境、电磁兼容环境,同时保证较高的可靠性[2]。本文通过分析某产品弹上二次电源的设计要求,成功设计了某型二次电源,在性能满足要求的同时,达到了较高的稳定性、可靠性和抗干扰性。
1设计分析
系统要求输出正电压有高压+150V,低压+6V,+12V等,负压-6V,-12V等,高压供给探测系统,±6V供给预处理电路,±12V供给信息处理电路。因此高压150V和±6V要求电压稳定度高、输出纹波(峰峰值)低,同时要求较低的硬件成本。为了达到规定的要求,对高压输出、负电压输出部分前级采用DC/DC,后级采用线性串联调整电路;对低压输出的正电压直接采用线性串联调整稳压电路。
1.1主电路分析
1.1.1DC/DC
它激式变换器由振荡级和输出级组成,效率高、适用于大功率电源,但电路复杂、硬件成本高;自激推挽式变换器[3-4]结构简单、输出电压稳定、效率较高、硬件成本低、应用广泛。本设计中DC/DC部分采用自激推挽式变换器。
1.1.2直流稳压电路
由于要求电压的稳定度高、输出纹波非常低,因此直流变换器后端必须采用稳压系数大、纹波抑制比高的滤波电路。但是,当对纹波要求较严时,采用多极滤波器不能达到很好的效果;通常情况下,需要采用直流稳压器[5]。本设计中采用串联调整晶体管稳压电路。
1.2电磁兼容设计分析
电源的电磁兼容性设计主要指+28V直流系统正常电压瞬变特性和正常工作稳态电压特性[6],通过合理设计宽范围电压输入和抗宽脉冲低压和高压性能设计可以满足要求,这里主要指抗干扰性能分析。
二次电源在DC/DC变换过程中容易形成各种干扰噪声,产生严重的传导干扰和辐射干扰,直接影响了不同电源输出的供电质量。需要采取几方面的措施:首先,在电源结构设计时,考虑整体屏蔽设计和各功能模块的功能分割;其次,为减小输入噪声和阻止二次电源向输入电源反馈的噪声,设计输人和输出滤波电路;最后,考虑接地设计,减小接地电阻和接合面的接触电阻[7],形成低阻抗电流通路。
1.3可靠性设计分析
1.3.1元器件选用
选用可靠性高的元器件,进行二次筛选试验,并进行降额设计[8]。
1.3.2三防设计
三防设计指防潮设计、防盐雾设计和防霉菌设计,通过对印制板及组件表面涂覆专用三防清漆可以有效避免导线之间的电晕、击穿,提高电源的可靠性;变压器、电感应进行浸漆,以防潮气进入。
1.3.3热设计分析
热设计是利用热传递特性,通过附加的冷却措施,控制电子设备内部所有元器件的温度,使其在设备所处的工作环境条件下不超过降额后规定的最高允许工作温度[9]。在弹上电源中,首先选用低功耗的器件,减少发热器件的数目;其次,确定主要发热单元,确定传热途径,采用电源内部的热交换机制,采用传导、对流和辐射三种方式,将电源内部多余的热量转移;最后,加大加粗印制线的宽度,提高电源效率。
2电源组成及工作中需要解决的问题
2.1电源组成
二次电源组成框图见图1。+28V输入首先经过独立的滤波电路,一路直接进行串联调整稳压,经过滤波电路输出+12V,+6V以稳压后滤波前的+12V为源,经过二级串联调整稳压、滤波输出;另外一路经过自激推挽振荡电路进行DC/aC变换,产生一路高压和一路负电压,高压由整流滤波电路进行aC/DC变换输出+170V左右的高压,经高压串联调整电路和高压滤波电路输出+150V,负电压由整流滤波电路进行aC/DC变换、串联调整电路、滤波电路输出-12V,同样-6V由-12V调整稳压后得到。
图1二次电源组成
2.2自激推挽变换器存在的问题
图2所示为自激推挽式变换器电路图。
图2自激推挽式变换器电路图
2.2.1晶体管同时导通
自激推挽式变换器是由自激的方式产生方波,V3,V4交替饱和导通,理论上其高低电平之间的转换在时间上是完全一致的;实际上由于晶体管存贮时间的作用,会产生两个晶体管同时导通的情况,导通时间(1～2μs)虽然很短,但由于变压器的作用,造成本应截止的晶体管产生高频尖峰损耗。尖峰损耗造成的平均功率可使管子结温升高到损坏点,产生二次击穿而损坏管子。因此,要保证自激推挽变换器稳定工作,必须避免两个晶体管同时导通。
(1)缩短晶体管的存贮时间。
应避免管子进入深度饱和,可以缩短存贮时间,V1,V2使晶体管避免进入深度饱和。当晶体管一旦进入饱和区后,V1,V2就把基极的激励电流向集电极分流而使基极电流不再增加,这样就防止了晶体管进入深饱和,从而减小了存贮时间。
(2)用RC电路延迟导通。
图2中,C3和R4(C5和R5)接于晶体的基极与地之间,当一个管子的基极处于脉冲的上升沿时,由于电容的充电过程而使基极达到导通的时间被延迟,从而避开了另一个管子截止时的存贮时间。
2.2.2吸收尖峰
由于变压器的两个初级线圈之间存在漏感[10],当一个初级线圈中的电流突然降到零时,存储在这部分漏感中的磁能只能向分布电容充电,因而晶体管从饱和转为截至时,会在截止晶体管的集电集和发射集之间造成瞬间过压,所以推挽式变换器的输出波形上一般都带有尖峰,尖峰宽度与漏感、集电集电流、集电集电压上升时间、电流下降时间有关。减小这个尖峰,不但可以保护晶体管,还可以使输出电压纹波峰值减小。
(1)采用RC缓冲电路。
RC电路在信号去耦电路、小电流滤波电路应用较多,可以起到平滑尖峰的作用。R6,C4的时间常数略小于晶体管存储时间,远小于振荡脉冲宽度,可以使尖峰电压减小,从而保护晶体管。
(2)变压器绕线方式。
变压器线圈的分布电容和漏感对变换器的工作状态有很大影响。采用双线并绕的绕线方式,利于绕组间更好的耦合,降低漏感和分布电容的要求。
2.3串联调整稳压电路存在的问题
图3为串联调整稳压电路图。
图3串联调整稳压电路图
2.3.1基准电压
基准电压的稳定度实际上是电源稳定度的极限值,若要获得较高的稳压电源稳定度,必须使基准电压的稳定度比所要求的电源稳定度高一个数量级[11],因此选用稳定性高和温漂低的基准稳压器非常重要,可以选取温度系数及动态电阻都很小的双向硅稳压基准源。
2.3.2调整管热击穿问题
采用复合管(图3中V12,V13)作调整管时,为了防止由于三极管的iceo过大引起的热击穿[12],必须在保证三极管最高结温时,icbo能够泄放掉,图3中R15就是需要的泄放电阻。
2.4抗干扰及可靠性
在功能分割上,将串联调整电路和自激推挽电路及变压器物理隔离,同时输出级尽量远离推挽电路;保证印制板地和电源壳体尽量大面积接触,电源壳体和大地面接触。
在结构上,将易发热器件直接固定在电源外壳上;内部发热器件通过印制板上大面积覆铜进行散热,同时
印制板布线尽量宽。
3结语
弹上二次电源虽然较多采用了模块化的线性或开关电源,但设计原理是相同的。通过对二次电源的设计分析,可以掌握弹上电源设计方法、故障分析方法,以及可靠性设计、抗干扰设计等方法。本设计研制成功的弹上二次电源,通过了电磁兼容试验、各项环境试验,电压稳定度、输出纹波达到了非常高的要求,实用性强,在整机应用上取得了较好效果。
参考文献
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