电源设计概况

1、电源一、 电源分类1. 根据转换形式分类2. 根据转换方法分类二、 电源的应用1. 各种电源转换方式应用2. 开关电源发展关注焦点三、 电源的设计1. 电源设计指标和定义2. 电源设计方法和流程四、 电源设计模型1. 硅稳压管电源设计2. 串联反馈电源设计3. 开关电源设计一 电源分类 电源转换器：能够将电力能源的形式进行控制、转换的装置。按转换类型的不同，可细分为：1、 根据转换形式分类：AC-AC、AC-DC、DC-DC、DC-AC2、 根据转换的方法分类：线性电源、开关电源线性电源：线性电源的电压调整管总是工作在线性(放大)状态. 线性电源一般是将输出电压取样然后与参考电压送入比较电压放

2、大器，此电压放大器的输出作为电压调整管的输入，用以控制调整管使其结电压随输入的变化而变化，从而调整其输出电压。 开关电源：开关电源是指用于电压调整的管子工作在饱和和截止区，即开关状态，开关电源是通过改变调整管的开和关的时间即改变占空比来改变输出电压的。 DC/DC类开关电源 将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波器。斩波器的工作方式有两种:PWM是脉宽调制方式T不变，改变频率调制方式t(通用);PFM是频率调制方式t不变而改变T(易产生干扰)。常用的电路拓扑有：1）Buck电路降压斩波器 输出平均电压小于输入平均电压极性输入/输出相同2）Boost电路生压斩波器 输出平均电压大于

3、输入平均电压极性输入/输出相同3）Buck-Boost电路降压或升压 极性输入/输出相反 电感传输4）Cuk电路降压或升压 极性输入/输出相反 电容传输电路结构开关型稳压电源的电路结构有多种。(1) 按驱动方式分，有自励式和他励式。(2) 按控制方式分，有脉冲宽度调制(PWM)式、脉冲频率调制(PFM)式和PWM与PFM混合式。(3) 按DC/DC变换器的工作方式分，有单端正励式和反励式、推挽式、半桥式、全桥式、降压式、升压式和升降压式等。 二 电源的应用 1. 各种电源转换方式应用：AC-AC：稳压器、不断电系统UPS、 交流电源供应器、变频电源AC-DC：整流器、直流电源供应器DC-DC：

4、直流电源供应器DC-AC：逆变器在通信领域，通常把整流器称为一次电源，而将直流-直流（DC-DC）变换器称为二次电源。一次电源的作用是将单相或三相交流电网换成标称值为48V的直流电源（AC-DC）。目前在一次电源中，传统的相控式稳压电源已被高频开关电源取代，高频开关电源通过MOSFET或IGBT的高频工作，开关频率一般控制在50-100KHz范围内，实现高效率和小型化。DC-DC变换器，将固定的直流电压变换为可变的直流电压。现用直流斩波器代替变阻器可节约电能（20-30%）。直流斩波器不仅能起调压的作用（开关电源），同时还能起到有效抑制电网侧谐波电流噪声的作用。DC-AC 变频器电源： 主要用

5、于交流电机的变频调速，能获得巨大的节能效果。变频器电源主电流均采用交流-直流-交流方案。 工频电源通过整流器变成固定的直流电压，然后由大功率晶体管或IGBT组成的PWM高频变换器，将直流电压逆变成电压，频率可变的交流输出，电源输出波形近似于正弦波，用于驱动交流异步电动机实现无极调速。有源电力滤波器：传统AC-DC变换器将向电网注入大量的谐波电流，引起谐波损耗和干扰。电力有源滤波器能动态抑制谐波，其工作原理：通过电流互感器检测负载电流，并通过内部的DSP计算。提取出负载电流中的谐波成分，然后通过PWM信号发送给内部IGBT，控制逆变器产生一个和负载谐波电流大小相等，方向相反的谐波电流注入到电网中

6、，达到滤波的目的。2. 开关电源发展关注焦点：（1） 功率半导体性能。（2） 开关电源功率密度。使开关电源小型化的具体办法有： 高频化：为了实现电源高功率密度，必须提高PWM变换器的工作频率，从而减小电炉中储能元件的体积重量。 应用压电变压器：应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。 采用新型电容器：要求电容量大，等效串联电阻ESR小 ，体积小等。（3） 高频磁与同步整流技术。高频磁元件的材料，结构和性能都不同于工频磁元件，高频磁元件要求：损耗小，散热性好，磁性能优越。（4） PFC变换器由于AC/DC变换电路的输入端有整流元件和滤波电容，在正弦电压输入时，单相整流电源供电

7、的电子设备，电网侧(交流输入端)功率因数仅为0.60.65。采用PFC(功率因数校正)变换器，网侧功率因数可提高到0.950.99，输入电流THD小于10%。既治理了电网的谐波污染，又提高了电源的整体效率。（5）电磁兼容性 开关变换器中的电磁噪音源，主要来自主开关器件的开关作用所产生的电压、电流变化。变化速度越快，电磁噪音越大三 电源设计1. 电源设计指标和定义：（1）输入电压范围，输出电压，电流范围。（2）输入电压影响输出电压的几个指标： 稳压系数：输出的电压的相对变化量和输入的电压的相对变化量的比值。用来表征电源的稳压性能。 电网调整率: 它表示输入电网电压由额定值变化10%时，稳压电源输

8、出电压的相对变化量，有时也以绝对值表示。 电压稳定度: 负载电流保持为额定范围内的任何值，输入电压在规定的范围内变化所引起的输出电压相对变化Uo/Uo（百分值），称为稳压器的电压稳定度。（3） 负载对输出电压影响的指标：负载调整率：额定电网电压下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化量，常用百分数表示，有时也用绝对变化量表示。输出电阻：在额定电网电压下，由于负载电流变化IL 引起输出电压变化Uo，则输出电阻为Ro=| Uo/ IL| 欧。（4） 纹波电压指标： 最大纹波电压：在额定输出电压和负载电流下，输出电压的纹波（包括噪声）的绝对值的大小，通常以峰峰值或有效值表示。 纹波系数：

9、在额定负载电流下，输出纹波电压的有效值Urms与输出直流电压Uo之比，即：y=Umrs/Uo x100%。 纹波电压抑制比：在规定的纹波频率（例如 50HZ）下，输出电压中的纹波电压 Ui与输出电压中的纹波电压 Uo之比，即：纹波电压抑制比=Ui/Uo。（6） 冲击电流： 冲击电流是指输入电压按规定时间间隔接通或断开时，输入电流达到稳定状态前所通过的最大瞬间电流。（7）保护： 过流保护（过流保护值一般为额定值110-130%） 过压保护（输出电压130-150%） 输出欠压保护（多为输出电压80-30%） 过热保护（8）温度漂移和温度系数： 温度漂移：环境温度的变化影响元器件的参数的变化，从而

10、引起稳压器输出电压变化。常用温度系数表示温度漂移的大小。绝对温度系数：温度变化1引起输出电压值的变化UoT，单位是 V/或毫伏每摄氏度。相对温度系数：温度变化1引起输出电压相对变化UoT/Uo，单位是 V/。（9）漂移、起伏、噪声： 稳压器在输入电压、负载电流和环境温度保持一定的情况下，元件参数的稳定性也会造成输出电压的变化，慢变化叫漂移，快变化叫噪声，介于两者之间叫起伏。（10）响应时间： 指负载电流突然变化时，稳压器的输出电压从开始变化到达新的稳定值的一段调整时间。在直流稳压器中，则是用在矩形波负载电流时的输出电压波形来表示这个特性，称为过度特性。（11）失真： 交流稳压器特有，是指输出波

11、形不是正 波形，产生波形畸变，称为畸变。（12）浪涌： 这是在输入电压，以 1 分钟以上的间隔按规定次数加一种浪涌电压，以避免发生绝缘破坏、闪络、电弧等异常现象。2. 电源设计方法和流程：电源工程师主要从事各种电器设备电源供电设计，以及各种电压转换需求的研发工作。1） 电源拓扑选型：l 清楚不同变换器所能实现的功能，根据设计要求选取合适的拓扑；l 熟知变换器的工作状态，能对变换器进行稳态分析和交流小信号分析：l 熟悉变换器的数学模型，能获取变换器稳态输入输出关系和传递函数；l 根据变换器的传递函数，能对变换器进行环路设计；l 在环路设计的基础上，分析系统的稳定性（伯德图，傅里叶变换等）；l 熟

12、悉变换器的损耗计算（导通损耗，开关损耗）。2） 仿真分析：电源设计方案确定后，可以对其进行仿真分析，以验证设计方案的准确性和可行性。在进行开关电源设计时，常用仿真软件有：l PSIM/Pspice(电力电子建模)；l Saber（数模混合建模）；l MATLAB/Simulink 3） 元器件知识完成了方案设计，仿真分析后，就要进行硬件设计，首先就是元器件的选型问题。l 熟悉功率元器件（IGBT、MOSFET等）的特性及使用方法；l 熟悉RLC等常用元件的使用；l 熟悉变压器和电感是设计方法；l 熟悉滤波器的设计方法。4） PCB绘图与制版l 根据设计方案绘制电路原理图，PCB板（考虑接地，布

13、线等问题）；l PCB图交工厂生产；5） 数字控制器的使用l 开关器件的开关信号可由模拟电路产生也可由数字控制器产生，当使用数字控制器时，需要熟悉其原理及使用方法；l 熟悉数字控制器的外围电路设计；l 熟悉数字控制器的编程语言；l 能根据相应的调制方式产生开关器件的开关信号。6） EMC设计EMC设计贯穿电源设计的始终，涉及到屏蔽、滤波、接地、PCB设计等层面。四 电源设计模型1. 硅稳压管电源设计： 设计原则及程序：1） 稳压管的选择，稳压管是电路的设计关键，担负稳压电源的调节作用。为了满足输出电路电压Uo和负载电流Io的要求，悬着稳压管时要留有一定的裕量。一般按照Uw=Uo，Iw=（2-3

14、）Io max。2） 根据输入电源电压变化百分数比，确定输入Ui的最大和最小值，一般选取Ui=(2-3)Uo,计算出Ui后，可以进一步设计整流滤波电路及电源变压器。3） 确定限流电阻R，考虑两种极限情况：第一，输入电压为最大值，同时负载开路，此时电路电流全部经过稳压管，此时的电流应该不能大于稳压管最大工作电流Iwm. 因此：R min= ( Ui max-Uo)/I wm. 第二，当输入Ui最小，同时负载电流最大时，应保证流过稳压管电流不小于稳压管的稳压电流，因此限流电阻R应满足R max=(Ui min-Uo )/(Iw+Iomax).4）如果出现Rmin大于Rmax，说明稳压管最大工作电流

15、太小，应选择Iwm 比较大的管子。2. 串联反馈电源设计：串联反馈型稳压电源属于一个闭环反馈系统，具有执行器件和反馈支路。一般以电压作为调节对象来实现电源系统的自动调节。带有放大器的串联反馈型晶体管稳压器典型电路如下：电路组成：VT1 是调整管，接成射级输出器的形式，负载电阻RL为射级电阻。R1，R2和RL并联组成分压器，起到取出输出电压的作用，叫做取样电路。VD是硅稳压管和限流电阻R3 一起组成基准电压源。VT2 是比较放大器，R4是其集电极电阻，同时也是VT1的偏流电阻。VT2 将取样电路送来的输出电压上升或下降的型号与基准电压比较，并把比较结果差值电压放大，以此来控制VT1的压降Uce1

16、,从而使输出电压基本保持稳定。电路分析：.3. 开关电源设计：原理：开关接通时间Ton，开关断开时间Toff，关断转换周期为T=Ton+Toff，则输出电压的平均值Uo为： Uo=（Ton/T）Ui=&Ui 其中&为脉冲占空系数，等于Ton/T。1） 串联开关型稳压电路及工作原理：他和普通串联反馈型稳压电源一样，都有连续工作的取样电路，误差放大器和基准电压。所不同的是调整管工作在开关状态，并且增加了脉冲发生器，L，C脉冲滤波器和续流二极管。串联开关型稳压电路：电路组成：VT1，VT2为复合开关调整管，同时和VT3，R1，C1组成一个多谐振荡器，在VT3管截止时，复合管饱和导通，VT3饱和导通时

17、，调整管截止。储能元件L，C1，C2和续流二极管VD组成平滑滤波器。VT4是误差放大器。稳压管VDw和R5为稳压器提供基准电压。R6，R7，RP串联组成电压取样电路。电路工作原理：当VT3 饱和导通时，VT1，VT2调整管截止，此时将有一部分电流通过VT3的发射极向电容C1充电，同时形成Ib3，C1下端为正，上端为负。VT3基极与C1下端相连，因此基极点位随C1下端点位升高而升高，当C1下端电位升高到一定值时，VT3截止，同时复合管转入饱和导通状态。电容器C1通过R4和VT4放电，放电时间长短与VT4基极电位有关，基极电位越低，放电时间越长。当C1放电使VT3基极电位下降到一定范围时VT3进入导通状态，调整管立即进入截止状态。如此循环，形成自激振荡。电路分析：.2. PWM开关电源及组成 控制变换器型变压器开关电源，是指电压变换器既能完成频率及电压变换，又兼有执行电压调整的功能，它分为脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和集两者为一体的混合调制三种方式。常用为PWM。脉冲宽度调制式开关稳压电源原理方框图：