小功率通用开关稳压电源的分析与设计(完整版)实用资料

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小功率通用开关稳压电源的分析与设计（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）2021年3月JournalofHunanInstituteofEngineeringMar.2021收稿日期:2021-09-01作者简介:许志伟(1978-,男,硕士,讲师,研究方向:电力电子.小功率通用开关稳压电源的分析与设计许志伟,谢卫才,林友杰,王志涛(湖南工程学院电气信息学院,湘潭411101摘要:利用芯片TOP249Y为核心来设计开关电源电路,详细讨论了电路的工作原理和高频变压器的参数计算,输出整流滤波电路,稳压反馈电路.本设计电路效率很高,体积小,能省去工频变压器.同时实现输入欠压保护、过压保护、从外部设定极限电流、降低最大占空比等功能.关键词:开关电源;线性光耦合器PC817A;可调式精密并联稳压器TL431中图分类号:TN86文献标识码:A文章编号:1671-119X(202101-0013-040引言本文设计的开关电源的基本技术指标为:①交流输入电压UACI:220V(85~265V;②电网频率:50Hz;③开关电源频率f:132kHz;④输出直流电压Uo:19V;⑤输出额定电流Io:3.6A;⑥额定输出功率Po:70W;⑦负载调整率SI:-4%~+4%;⑧电源效率H:高于84%(当交流电压UACI=85V时,满载效率可达85%;当UACI=230V时,电源效率高达90%;⑨空载功率损耗:低于0152W(UACI=230V时;⑩输出纹波电压:不高于120mV(峰-峰值.1开关电源电路中关键元器件的选择与设计1.1TOP249Y的管脚功能TOP249Y采用TO-220-7C封装形式,是TOPSwitch的第三代产品,其外形如图1所示.它有六个管脚依次为:控制端C、线路检测端L、极限电源设定端X、源极S、开关频率选择端F和漏极Do.各管脚如下:图1TOP249Y外形及管脚图选择TOP249Y能够满足本设计输出功率与输入电压的要求.1.2线性光耦合器PC817光电耦合器是以光为媒介来传播电信号的器件.通常是把发光器(发光二极管LED和受光器(光敏晶体管封装在同一管壳内.当输入端加电信号时,发光器发出光线,照射在受光器上,受光器接受光线后导通,产生光电流从输出端输出,从而实现了“电-光-电”的转换.1.3可调式精密并联稳压器TL431本设计的基准电压和反馈电路采用常用的三端稳压器TL431来完成.在反馈电路的应用中运用采样电压通过TL431限压,再通过光电耦合器PC817把电压反馈到TOP249Y的控制端C端.2基于TOP249Y的开关电源设计利用TOP249Y设计了一种新型单端反激式开关电源[1],其输出分别为19V/316A,电路原理如图2所示.从该电路原理图中可以看出,电阻R9和R10用来从外部设定功率开关管的漏极极限电流,使之略高于满载或输入欠压时的漏极峰值电流ID(PK.这就允许在电源起动过程中或输出负载不稳定但未出现饱和的情况下,采用较小尺寸的高频变压器.将F端与S端短接可将TOP249Y设为全频工作方式,开关频率为132kHz.当输入直流电压过压时,R9和R10还能自动降低最大占空比Dmax,对最大负载功率加以限制.而R11为欠压、过压检测电阻,在线路检测端L与直流输入电压UDCI端连接电阻R11可进行线路检测,并能给线路提供电压反馈,以减少开关频率的波动.取R11=2MΩ时,仅当直流输入电压UDCI达到100V时,电源才能起动.TOPSwitch-GX的欠压电流IUV=50μA,过压电流IOV=225μA.因此其欠压保护工作电压为100V,过压保护工作电压为450V,即TOP249Y在本电路中的直流电压范围为100~450V,一旦超出了该电压范围,TOP249Y将自动关闭.另外,空载时,TOP249Y能自动降低开关频率,使得在交流230V输入时电源损耗仅为520mW.TOP249Y具有频率抖动特性,这对降低电磁干扰很有帮助.图2高效率70W通用开关电源电路原理图当然,在过压时最大占空比Dmax随流入X端的电流IX的增大而减小,当IX从90μA增加到190μA时,最大占空比Dmax就从78%(对应于UUV=100V线性地降低到47%(对应于375V.在掉电后,欠压检测能在C1放电时减少输出干扰,只要出现输出调节失效或者输入电压低于40V的情况,都会使TOPSwitch2GX关闭.当开关电源受到450V以上的冲击电压时,R11同样可使TOP249关断,避免元器件受到损坏.但一般说来,由于交流输入电压在85~265V范围内,经整流滤波后的直流输入电压就在110~345V范围内波动,不会超出100~450V的范围,所以本设计的开关电源相对安全.另外,在TOP249Y的外端加接了由VDZ1和VD1构成的漏极钳位电路.在功率MOSFET关断瞬间,高频变压器初级漏感会产生尖峰电压UL,那么就利用由VDZ1和VD1构成的漏极钳位电路来保护MOSFET不受损坏.同时,高频变压器初级漏感在初级绕组上还会产生感应电压(即反向电动势UOR,两者叠加在直流输入电压UDCImax上,加至内部功率开关管MOSFET的漏极上.这就要求功率MOSFET至少能承受700V高压,UBRDS≥700V.所以,UOR+UDCImax+UL≤700V,将UOR=73V,UDCImax=345V带入式中得UL≤200V.因此,VDZ1采用钳位电压为200V的P6KE200型瞬态电压抑制器,VD1选用UF4006型超快恢复二极管,其反向耐压为800V,并将电容C11和VDZ1并联,以减少钳位损耗.在MOSFET截止瞬间,初级极性则变为上负下正,此时尖峰电压就被VDZ1吸收掉.2.1该开关电源高频变压器的参数计算在单端反激式开关电源中,高频开关变压器既是储能元件又是传递能量的主体,设计难度较大,是一个十分关键的环节[2].设计的主要参数包括变压器变比n,初、次级绕组匝数NP、NS和反馈绕组匝数NF等.21111选择恰当的磁芯与骨架由于该电源的输出功率较为70W,高频变压器的漏感应尽量小,一般应选用能够满足132kHz开关频率的锰锌铁氧体,为便于绕制,磁芯形状可选用41湖南工程学院学报2021年EI或EE型,变压器的初、次级绕组应相间绕制.参考其他同类型相关的实验数据资料,本设计就选用R2KDP锰锌铁氧体材料制成的EE22型铁氧体磁芯,R2KDP属于高频低功耗电源铁氧体材料.当开关电源的额定输出功率PO=70W时,设开关电源的效率H达到85%~90%,则高频变压器的额定输入功率PI=PO/H=70W/(85%~90%=80W.输入直流最小电压UDCImin=110V;最大导通时间ton=Dmax/f;占空比(也称导通比是漏极脉宽调制信号中的低电平通态时间ton与开关周期T的百分比,而开关周期T=ton+toff,则Dmax=ton/T=ton/(ton+toff为设定的最大占空比,通常取Dmax=014;开关频率f=132kHz;电源预测效率值H=(85%~90%.21112初级感应电压UOR的计算TOPSwitch关断且次级电路处于导通状态时,次级电压会感应到初级.初级感应电压UOR是开关管断开期间初级感应到的电压值.UDCImin=110,则由公式(1计算:UOR=UDCImin×ton/toff=UDCImin×Dmax/(1-Dmax(1计算得到:UOR=73V.21113确定变压器各绕组匝数(1变压器变比的计算当TOP249Y中的MOSFET关断时,储存在变压器初级中的能量开始向次级传递,次级两路绕组的电压US1、US2可表示为:US1=US2=UDCImin×ton/toff×NS/NP(2变压器次级电压与输出电压的关系为:US1=US2=UO+UL+UF=19+013+014=1917V;其中变压器次级绕组压降UL为013V,输出整流共阴极肖特基对管VD2、VD3压降UF为014V.变压器的变比n可表示为:n=NS/NP=US(UDCImin×ton/toff=US1/UOR(3计算得n=012699=0127.(2变压器初级、次级及反馈绕组匝数的计算根据单端反激式变压器的工作磁通密度及法拉第电磁感应定律εi=-N×dB/dt×S,另外参考同类型相应实验数据资料,可得到初级线圈匝数NP、次级线圈匝数NS,即NP=50匝,而NS=NP×US1/UOR=1315,取14匝.(3反馈绕组匝数的计算公式为:NB=NP×(UB+UF/UOR(4将UB=30V,UF=017V带入得NB=2110,取21匝.2.2输出整流滤波电路的设计输出整流滤波电路由VD2、VD3、C2、C3、L1、C4和C14构成.(1输出整流电路的设计输出整流管宜采用肖特基二极管,肖特基二极管是利用金属和半导体接触产生的势垒作用的二极管,它是以多数载流子工作的,因而在开关时没有少数载流子存储电荷和移动效应.其压降低、正向导通损耗小,能提高电源效率.此外肖特基二极管反向恢复时间短,在降低反向恢复损耗以及消除输出电压纹波方面有明显的优势[3].最高反向工作电压UBR=1917V,整流管实际承受最大反向峰值电压URM=(2~3UBR=50V.并且,额定输出电流IO=316A,则整流管标称电流IFI≥(2~3IO=10A.为了减小次级绕组和输出整流管的损耗,现将次级绕组分成两路,每路单独使用一只MBR20210型20A/100V的共阴极肖特基对管(VD2、VD3,然后并联工作.之后串接LC电路,进行滤波[4].(2输出滤波电路的设计滤波电容在132kHz时,相对于输入滤波电路,输出滤波电路要进行高频滤波.参考与本设计同类型相关的实验数据资料,选用滤波电容C2、C3、L1、C4和C14来构成高频滤波电路.串加LC滤波电路进一步降低纹波.电容C2、C3、C4分别取820μF,耐压值25V;C14取0.1μF,耐压值50V;L1取200μH,用来减少输出端的高频干扰.一般来说,当IO小于1A时可采用由非晶合金磁性材料制成的磁珠,大于1A时选用磁环绕制而成的扼流圈.而本设计的额定输出电流IO=3.6A,故须选用磁环绕制而成的扼流圈.滤波电容、电感是组成滤波电路的重要器件.需要指出的是,电容、电感通常不是理想的电容电感.实际上是一个R、L、C的综合器件.213稳压反馈电路设计反馈回路的形式由输出电压的精度决定,本电源采用“光耦PC817+TL431”.它可以将输出电压变化控制在±4%以内,反馈电压由19V/3.6A的直流输出端取样.输出电压UO通过电阻分压器R4、R5和R6获得取样电压后,与TL431中的215V基准电压进行比较后输出误差电压,然后通过光51第1期许志伟等:小功率通用开关稳压电源的分析与设计耦去改变TOP249Y的控制端电流IC,进而使占空比发生变化,再通过改变占空比来调节输出电压UO使其保持不变.光耦的另一作用是对冷地和热地进行隔离.反馈绕组的输出电压经VD4、C15整流滤波后,可给光耦中的接收管提供偏压.C15还与R8构成的尖峰电压,经滤波后可使偏置电压即使在负载较重时,也能保持稳定.R7、C9、C10和R3、C5、C8均为控制环路的补偿元器件.3结束语单片开关电源的效率很高,体积小,能省去工频变压器,输出直流电压的纹波含量比同功率线性电源大,可与其他相应的稳压器构成理想的高效、精密稳压电源.TOPSwitch-GX适合制作低成本、高效率、小尺寸、全密封式开关电源模块或电源适配器(adapter.本设计的交流输入电压范围是85~265V,这属于全世界通用的电压范围,该电源能同时实现输入欠压保护、过压保护、从外部设定极限电流、降低最大占空比等功能.参考文献[1]玛尼克塔拉(美.开关电源设计与优化[M].电子工业出版社,2006.[2]普莱斯曼(美.开关电源设计[M].电子工业出版社,2006.[3]杨恒.开关电源典型设计实例精选[M].中国电力出版社,2007.[4]刘立平.电力电子技术[M].中国电力出版社,2007.TheAnalysisandDesignofLowPowerUniversalSwitchingPowerXUZhi2wei,XIEWei2cai,LINYou2jie,WANGZhi2tao(CollegeofElect.andInformationEngineering,HunanInstituteofEngineering,Xiangtan411101,ChinaAbstract:AswitchingpowersupplycircuitisdesignedbyusingthecorechipTOP249Yinthispaper.Thentheworkingprincipleofthecircuit,theparametersofhighfrequencytransformer,theoutputrectifi2erfiltercircuitandthethevoltageregulatorfeedbackcircuitarediscussedindetail.Thecircuitishighlyefficientandsmall,andthefrequencytransformercanbeomitted.Atthesametime,ithasfunctionsofin2putingunder2voltageprotection,over2voltageprotection,currentlimitsetfromtheoutsideandreducingthemaximumdutyratio.Keywords:switchingpowersupply;linearoptocouplersPC817A;adjustableprecisionshuntregulatorTL43161湖南工程学院学报2021年

开关稳压电源的结构

图1画出了开关稳压电源的原理图及等效原理框图，它是由全波整流器，开关管V，激励信号，续流二极管Vp，储能电感和滤波电容C组成。实际上，开关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。这里我们对直流变换器和逆变器作如下解释。

逆变器，它是把直流转变为交流的装置。逆变器通常被广泛地应用在采用电平或电池组成的备用电源中。

直流变换器，它是把直流转换成交流，然后又把交流转换成直流的装置。这种装置被广泛地应用在开关稳压电源中。采用直流变换器可以把一种直流供电电压变换成极性、数值各不同的多种直流供电电压。

开关稳压电源的优点

[1].功耗小，效率高。在图1中的开关稳压电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。

[2].体积小，重量轻。从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。

[3].稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。

[4].滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500b倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500—1/1000。

[5].电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。

开关稳压电源的缺点

开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。

目前，由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距，因而造价不能进一步降低，也影响到可靠性的进一步提高。所以在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中，开关稳压电源还不能得到十分广泛的普及及使用。特别是对于无工频变压器开关稳压电源中的高压电解电容器、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件，在我国还处于研究、开发阶段。在一些技术先进国家，开关稳压电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在一些问题，不能十分令人满意。这暴露出开关稳压电源的又一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。对此，如果设计者和制造者不予以充分重视，则它将直接影响到开关稳压电源的推广应用。当今，开关稳压电源推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。

开关稳压电源的种类

现在，电子技术和应用迅速地发展，对电子仪器和设备的要求是：性能上，更加安全可靠，在功能上，不断地增加。在使用上自动化程度越来越高。在体积上，要日趋小型化。这使采用具有众多优点的开关稳压电源就显得更加重要了。所以，开关稳压电源在计算机、通信、航天、彩色电视等方面都得到了越来越广泛的应用，发挥了巨大的作用，这大大促进了开关稳压电源的发展，从事这方面研究和生产的人员也在不断地增加，开关稳压电源的品种和类型也越来越多。下面的组图给出了各种类型开关稳压电源的原理图。

(1)按激励方式划分

他激式

电路中转设激励信号的振荡器，电路形式如图6所示。

自激式

开关管兼作振荡器中的振荡管，电路形式如图7所示。

(2)按调制方式划分

脉宽调制型

振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小，有时通过取样电路、耦合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。

频率调制型

占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。

混合调制型

通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。

(3)按开关管电流的工作方式划分

开关型

用开关晶体管把直流变成高频标准方波，电路形式类似于他激式。

谐振型

开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准正弦波，电路形式类似于自激式。

(4)按开关晶体管的类型划分

晶体管型

采用晶体管作为开关管，电路形式如图6所示。

可控硅型

采用可控硅作为开关管，这种电路的特点是直接输入交流电，不需要一次整流部分，其电路形式如图5。

(5)按储能电感与负载的连接方式划分

串联型

储能电感串联在输入与输出电压之间，电路形式如图3所示。

并联型

储能电感并联在输入与输出电压之间，电路形式如图4所示。

(6)按晶体管的连接的连接方式划分

单端式

仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，这种电路的特点是价格低，电路结构简单，但输出功率不能提高，其电路形式如图3、图4和图6所示。

推挽式

使用两个晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式。这种电路的特点是开关变压器必须具有中心抽头，电路形式如图12。

半桥式

使用两个晶体管，将其连接成半桥形式。它的特点是适应于输入电压较高的场合。电路形式如图11。

全桥式

使用四个开关晶体管，将其连接成全桥形式。它的特点是输出的功率比较大。其电路形式如图13。

(7)按输入与输出的电压大小划分

升压式

输出电压比输入电压高，实际就是并联型开关稳压电源。

降压式

输出电压比输入电压低，实际就是串联型开关稳压电源。第1章开关稳压电源的基本原理1.1特征1.2稳定度1.3反电动势1.4电容C的充放电电流与电感L的充放电电压1.5无变压器的最简单开关稳压电源1.5.1降压型开关稳压电源1.5.2升压型开关稳压电源1.5.3极性反转型开关稳压电源1.6iE激式电路与回扫式电路1.7输入电压与输出功率决定的电路方式1.7.1输入电压低的场合1.7.2输入电压高的场合1.7.3小功率的场合第2章开关稳压电源的电路构成及特征2.1电路构成的特征2.2自激式直流一直流变换器的优、缺点2.3R.C.C变换器2.4R.C.C电路输出电压的控制方式2.5利用变压器饱和的直流一直流变换器2.6利用磁放大器的直流一直流变换器2.7利用磁放大器的稳定化电路及其特征2.8他激式开关稳压电源及其特征第3章开关稳压电源的设计方法3.1高频整流电路3.2整流电路电压的最低值3.3平滑电路中电容量的求法【专栏】开关稳压电源的寿命由电解电容器决定3.4输入滤波电容的实用设计方法3.5高频变压器的最佳设计3.6变压器设计实例3.6.1设计实例1(正向激励电路3.6.2设计实例2(桥式电路3.7带磁芯电感的最佳设计方法3.8扼流圈的设计实例【专栏】用户得不到好处的高频化是没有意义的第4章脉宽调制电路与保护电路4.1脉宽调制电路与集成控制器4.2控制用辅助电源与启动电路4.3过电流与过电压保护电路4.4最新集成控制器的发展趋势与关键问题第5章开关稳压电源应用实例5.1三个有源元器件构成带磁放大器的直流一直流5.2使用电流控制型磁放大器的三路输出电源5.3半桥脉宽调制的开关电源【专栏】仅由电平不能判断开关电源的纹波与噪声是否良好【专栏】电源瞬断时冲击电流防止电路完全不动作5.4多路输出电源实例第6章开关稳压电源效率的改善措施6.1电源效率的概念6.2效率提高的关键【专栏】仅由输出电流与效率不能计算出井关电源的输入电流【专栏】正态噪声与共模噪声的不同点6.3开关晶体管驱动方法对效率的改善6.4吸收电路的改进对效率的改善6.5由集电极电压与电流波形判断逆变器的工作情况6.6开关元件使用功率FET注意的问题第7章谐振变换器7.1谐振变换器的特征7.2无变压器的电压与电流谐振变换器7.3带变压器的桥式谐振变换器7.4利用变压器漏感的电流谐振变换器7.5增设谐振电感的正向激励电流谐振变换器7.6谐振电源的控制电路第8章仿真软件PSHCE在开关电源中的应用8.1计算机的电路仿真8.2PSPICE使用时的准备工作8.3开关电源中使用的元件与电路方式及关键点8.4CIR文卷编制的关键点8.5开关稳压电源中使用PSPICE时的注意事项与关键点8.6PSPICE在开关电源中的应用实例【专栏】参考图的说明附录参考文献Translatedfrom:XiongFusheng,DCSwitchingPowerSupplyProtectionTechnology,Guangzhou:TheWorldofPowerSupply[P],2002.2.DCSwitchingPowerSupplyProtectionTechnologyAbstract:TheDCswitchingpowersupplyprotectionsystem,protectionsystemdesignprinciplesandmachineprotectionmeasures,ananalysisofswitchingpowersupplyintherangeofprotectedcharacteristicsanditsdesignmethodology,introducedanumberofpracticalprotectioncircuit.Keywords:switchingpowersupplyprotectioncircuitsystemdesign1、IntroductionDCswitchingregulatorusedinthepriceofmoreexpensivehigh-powerswitchingdevices,thecontrolcircuitisalsomorecomplex,Inaddition,theloadswitchingregulatorsaregenerallyusedalargenumberofhighlyintegratedelectronicsystemsinstalleddevices.Transistorsandintegrateddevicetoleranceelectricity,lessheatshocks.SwitchingRegulatorsthereforeshouldtakeintoaccounttheprotectionofvoltageregulatorsandloadtheirownsafety.Manydifferenttypesofcircuitprotection,polarityprotection,introducedhere,theprogramprotection,over-currentprotection,over-voltageprotection,under-voltageprotectionandover-temperatureprotectioncircuit.Usuallychosentobesomecombinationofprotection,constitutesacompleteprotectionsystem.2、polarityprotectionDCswitchingregulatorinputaregenerallynotregulatedDCpowersupply.Operatingerrorsoraccidentsasaresultofthesituationwilltakeitswrongpolarity,switchingpowersupplywillbedamaged.Polarityprotectionpurposes,istomaketheswitchingregulatoronlywhenthecorrectpolarityisnotconnectedtoDCpowersupplyregulatortoworkat.Connectingasingledevicecanachievepowerpolarityprotection.SincethediodeDtoflowthroughswitchingregulatorinputtotalcurrent,thiscircuitappliedinalow-powerswitchingregulatormoresuitable.Powerinthelargeroccasion,whilethepolarityprotectioncircuitasaproceduretoprotectalink,savethepowerrequiredforpolarityprotectiondiodes,powerconsumptionwillbereduced.Inordertoeasytooperate,makeiteasiertoidentifythecorrectpolarityornot,collectthenextlight.3、procedurestoprotectSwitchingpowersupplycircuitisrathercomplicated,basicallycanbedividedintolow-powerandhigh-powerpartofthecontrolpartoftheswitch.Switchisahigh-powertransistors,fortheprotectionofthetransistorswitchisturnedonoroffpowersafety,wemustfirstmodulator,amplifierandotherlow-powercontrolcircuit.Tothisend,theboottoensurethecorrectprocedures.SwitchingRegulatorsgenerallytaketheinputofasmallinductor,theinputfiltercapacitor.Momentintheboot,filtercapacitorwillflowalotofsurgecurrent,thesurgecurrentcanbeseveraltimesmorethanthenormalinputcurrent.Suchalargesurgecurrentmaycontactthegeneralpowerswitchorrelaycontactmelting,andtheinputfusefuse.Inaddition,thecapacitorsurgecurrentwilldamagetoshortenthelifespanofprematuredamage.Tothisend,thebootshouldbeaccesstoacurrentlimitingresistor,throughthecurrentlimitingresistortocapacitorcharging.Inordernottomakethecurrentlimitingresistorexcessivepowerconsumption,thusaffectingthenormalswitchingregulator,andthetransientprocessinthebootafterashortperiodthenautomaticallyrelaysittoDCpowersupplydirectlytotheswitchingregulatorpowersupply.Thiscircuitswitchingregulatorcalleda"softstart"circuit.Switchingregulatorcontrolcircuitofthelogiccomponentsrequiredorop-ampauxiliarypowersupply.Tothisend,theauxiliarypowersupplymustbeintheswitchcircuit.Thiscontrolcircuitcanbeusedtoensuretheboot.Normalbootprocessis:toidentifythepolarityofinputpower,voltageprotectionprocedures→boot→auxiliarypowersupplycircuitandthroughcurrentlimitingresistorRoftheswitchingregulatorinputcapacitorC→chargemodulationswitchingregulatorcircuit,→short-circuitcurrentlimitingresistorstabilityswitchingregulator.Intheswitchingregulator,themachinesjustbecausetheoutputcapacitance,andchargetotheratedoutputvoltagevalueoftheneedforacertainperiodoftime.Duringthistime,samplingtheoutputamplifierwithlowinputvoltagesampling,closed-loopregulationcharacteristicsofthesystemwillforcetheswitchingofthetransistorconductiontimelengthened,sothatswitchingtransistorduringthisperiodwilltendtocontinuousconduction,andeasilydamaged.Tothisend,therequirementsofthisparagraphintheboottime,theswitchtoswitchtheoutputmodulationcircuittransistorbasedrivesignalofthepulsewidthmodulation,canguaranteetheswitchingtransistorbythecut-offswitchesarebecomingmoreandmorenormalstate,thereforetheprotectionofthesettingupofaboottotieinwiththesoftstart.4、over-currentprotectionWhentheloadshort-circuit,overloadcontrolcircuitfailureorunforeseencircumstances,suchaswouldcausetheflowofswitchingvoltageregulatortransistorcurrentistoolarge,sothatincreasedpowertubes,fever,ifthereisnoover-currentprotectiondevice,highpowerswitchingtransistormaybedamaged.Therefore,theswitchingregulatorintheover-currentprotectioniscommonlyused.Themosteconomicalwayistousesimplefuse.Asaresultoftheheatcapacityofsmalltransistors,generalfuseprotectioningeneralcannotplayaroleintherapidfusecommonfuse.Thismethodhastheadvantageoftheprotectionofvulnerable,butitneedstoswitchtransistorinaccordancewithspecificsecurityrequirementsoftheworkareatoselectthefusespecifications.Thisdisadvantageisover-currentprotectionmeasuresbroughtaboutbytheinconvenienceoffrequentreplacementoffuses.Linearvoltageregulatorcommonlyusedintheprotectionandcurrentlimitingtoprotectthecut-offintheswitchingregulatorcanbeapplied.However,accordingtothecharacteristicsofswitchingregulators,theprotectioncircuitcannotdirectlycontroltheoutputtransistorswitches,andovercurrentprotectionmustbeconvertedtopulseoutputcommandstocontrolthemodulatortoprotectthetransistorswitch.Inordertoachieveover-currentprotectionaregenerallyrequiredsamplingresistorinseriesinthecircuit,thiswillaffecttheefficiencyofpowersupply,somoreforlow-powerswitchingregulatorofoccasions.Inthehigh-powerswitchingpowersupply,bytakingintoaccountthepowerconsumptionshouldbeavoidedasfaraspossibleaccesstothesamplingresistor.Therefore,therewillusuallybeconvertedtoover-currentprotection,andunder-voltageprotection.5、over-voltageprotectionSwitchingregulator'sinputover-voltageprotection,includingover-voltageprotectionandoutputover-voltageprotection.SwitchingregulatorisnotusedinDCpowersupplyvoltageregulatorandrectifier,suchasbatteryvoltage,iftoohigh,soswitchingregulatorisnotworkingproperly,orevendamagetointernaldevices,therefore,itisnecessarytousetheinputover-voltageprotectioncircuit.Usingtransistorsandrelaysprotectioncircuit.Inthecircuit,whentheinputDCpowersupplyvoltagehigherthanthevoltageregulatordiodebreakdownvoltagevalue,thebreakdownvoltageregulatortube,acurrentflowingthroughresistorR,sothatVturn-ontransistor,relay,normallyclosedcontactoffopen,cutofftheinput.VoltageregulatorvoltageregulatorwhichcontrolsthevalueofVz=ESrmax-UBE.Thepolarityofinputpowerwiththeinputprotectioncircuitcanbecombinedwithover-voltageprotection,polarityprotectionconstituteadifferentialcircuitandovervoltageprotection.Outputover-voltageprotectionswitchingpowersupplyisessential.Inparticular,forthe5Voutputoftheswitchingregulator,itisalotofloadonahighlevelofintegrationofthelogicdevice.Ifatwork,switchingregulatorsuddendamagetotheswitchtransistor,theoutputpotentialmaybeincreasedimmediatelytotheimportationofnon-regulatedDCpowersupplyvoltagevalue,causinggreatlossinstantaneous.Commonlyusedmethodisshort-circuitprotectionthyristor.Thesimplestover-voltageprotectioncircuit.Whentheoutputvoltageistoohigh,theregulatortubebreakdowntriggeredthyristorturn-on,theoutputshort-circuit,resultinginover-currentthroughthefuseorcircuitprotectivedevicetocutofftheinputtoprotecttheload.Thiscircuitisequivalenttotheresponsetimeoftheopeningtimeofthyristorisabout5~10μs.Thedisadvantageisthatitsactionisfixedvoltage,temperaturecoefficient,andactionpointsofinstability.Inaddition,thereisavoltageregulatorcontrolparametersofthediscrete,modelover-voltagestart-upthesamebuthasdifferentvalues,difficulttodebug.Escasuddenincreaseinoutputvoltage,transistorsV1,V2conduction,thethyristorconduction.ReferencevoltageVzbytype.6、under-voltageprotectionOutputvoltagebelowthevaluetoreflecttheinputDCpowersupply,switchingregulatoroutputloadinternalorunusualoccurrence.InputDCpowersupplyvoltagedropsbelowthespecifiedvaluewouldresultinswitchingregulatoroutputvoltagedrops,theinputcurrentincreases,notonlyendangertheswitchingtransistor,butalsoendangertheinputpower.Therefore,inordertosetupduetovoltageprotection.Duetosimplevoltageprotection.Whennovoltageregulatorinputnormal,ZDbreakdownvoltageregulatortube,transistorsVconduction,therelayaction,contactpull-in,power-switchingregulator.Whentheinputbelowtheminimumallowablevoltagevalue,theregulatortubeZDbarrier,Vcut-off,contactKai-hop,switchingregulatorcannotwork.Internalswitchingregulator,asthecontrolswitchtransistorcircuitdisordersorfailurewilldecreasetheoutputvoltage;loadshort-circuitoutputvoltagewillalsodecline.Especiallyinthereversed-phasestep-uporstep-upswitchingregulatorDCvoltageoftheprotectionduetoover-currentprotectionwithcloselyrelatedandthereforemoreimportant.ImplementationofSwitchingRegulatorsintheterminationoftheoutputvoltagecomparators.Normally,thereisnocomparatoroutput,oncethevoltagedropsbelowtheallowablevalueinthecomparatorontheflip,drivealarmcircuit;alsofedbacktotheswitchingregulatorcontrolcircuit,sothatswitchingtransistorcut-offorcutofftheinputpower.7、over-temperatureprotectionSwitchingregulatorandthehighlevelofintegrationoflight-weightsmallvolume,withitsunitvolumegreatlyincreasedthepowerdensity,powersupplycomponentstoitsworkwithintherequirementsoftheambienttemperatureisalsoacorrespondingincrease.Otherwise,thecircuitperformancewilldeteriorate,prematurecomponentfailure.Therefore,inhigh-powerswitchingregulatorshouldbesetupover-temperatureprotection.Relaysusedtodetectthetemperatureinsidethepowersupplytemperature,whentheinternallygeneratedpowersupplyoverheating,thetemperatureoftherelayontheaction,sothatwholecircuitinawarningalarm,andtherealizationofthepowersupplyover-temperatureprotection.Temperaturerelaycanbeplacedinthevicinityoftheswitchingtransistor,thegeneralhigh-powertubeshelltoallowthemaximumtemperatureis75℃,adjustthetemperaturesettingto60℃.Whentheshellafterthetemperatureexceedstheallowablevaluetocutoffelectricalrelayontheswitchprotection.Semiconductorswitchingdevicethermal"hotthyristor,"intheover-temperatureprotection,playedanimportantrole.Itcanbeusedasdirectedcircuittemperature.Underthecontrolofp-hot-gatethyristor(TT102characteristics,byRTvaluetodeterminethetemperatureofthedeviceturn-on,RTgreaterthetemperaturethelowertheturn-on.Whenplacednearthepowerswitchingtransistororpowerdevice,itwillbeabletoplaytheroleoftemperatureinstructions.Whenthepowercontrolthetemperatureoftheshellortheinternaldevicetemperatureexceedstheallowedvalue,theheatconductionthyristoron,sothatLEDwarninglight.Iftheoptocouplerwith,wouldenablethewholecircuitalarmactiontoprotecttheswitchingregulator.Itcanalsobeusedasapowertransistorastheover-temperatureprotection,crystalswitchthebasecurrentbyn-typegatecontrolthyristorTT201thermalbypass,cut-offswitchtocutoffthecollectorcurrenttopreventoverheating.8、ConclusionDiscussedaboveintheswitchingregulatorofavarietyofconservation,andintroducesanumberofspecificwaystoachieve.Ofagivenswitchingpowersupplyisconcerned,butalsoprotectionfromthewholetoconsiderthefollowingpoints:1theswitchingregulatorusedintheswitchingtransistorintheDCsecurityrestrictionsontheworkofregionalwork.ThetransistorswitchesselectedbythemanualavailabletransistorsgetDCsafeworkingarea.Accordingtothemaximumcollectorcurrenttodeterminetheinputvalueofover-currentprotection.However,theinstantaneousmaximumvalueshouldbeconvertedtotheaveragecurrent.Atratedoutputcurrentandoutputvoltageconditions,theswitchofthedynamicloadlinedoesnotexceedasafeworkingareaDCmaximuminputvoltage,inputover-voltageprotectionisthevoltagevalue.2theswitchingregulatoroutputlimitgivenbythetechnicalindicatorswithin.Workwithintherequiredtemperaturerange,theswitchingregulator'soutputvoltage,thelowerlimitoftheoutputisoff,duetothevoltagevalueofvoltageprotection.Over-currentprotectioncanbebasedonthemaximumoutputcurrenttodetermine.Falsealarminordernottoprotectthevalueofacertainmargintoremainappropriate.3fromtheabovetwomethodstodeterminetheprotectionafterthepowersupplydeviceinaccordancewiththeneedsofmeasurestodeterminethealarm.Measuresthegeneralalarmsoundandlightalarmtwopolice.Voiceofthepoliceappliedtomorecomplexmachines,powersupplypartsanddonotstandoutinaplace,itcangivestaffaneffectivewarningoffailure;opticalPoliceinstructionscanbeeye-catchingandfaultalarmandpointedoutthatthefaultlocationandtype.Protectionmeasuresshouldbeprotectedastodeterminethelocation.Inthehigh-power,multi-channelpowersupply,alwayspaying,DCcircuitbreakers,relays,etc.high-sensitivityauto-protectionmeasures,tocutofftheinputpowersupplytostopworkingthesystemfromdamage.Throughthelogiccontrolcircuittomaketheappropriateprogramcut-offswitchtransistorissensitiveitisconvenientandeconomic.Thiseliminatedlarge,longresponsetime,thepriceofyourhigh-powerrelayorcircuitbreaker.4thepowerofputtingintheprotectioncircuitwillbeaffectedafterthereliabilityofthesystem,forwhichwanttoprotectthereliabilityofthecircuititselfishigherinordertoimprovethereliabilityoftheentirepowersystem,therebyincreasingitsownpowersupplyMTBF.Thisrequirestheprotectionofstrictlogic,thecircuitissimple,atleastcomponents,Inadditiontotheprotectioncircuitshouldalsobeconsideredafailureofmaintenanceoftheirdifficultyandtheirpowertoprotectthedamage.Therefore,wemustbecomprehensiveandsystematicconsiderationofavarietyofswitchingpowersupplyprotectionmeasurestoensurethenormaloperationofswitchingpowersuppliesandhigh-efficiencyandhighreliability.译自:熊福生,直流开关电源保护技术,广州:电源世界期刊[P],2002.2直流开关稳压电源的保护技术摘要:讨论了直流开关稳压电源的保护系统,提出保护系统设计的原则和整机保护的措施,分析了开关稳压电源中的各种保护的特点及其设计方法,介绍了几种实用保护电路。关键字:开关电源保护电路系统设计1、引言直流开关稳压器中所使用的大功率开关器件价格较贵,其控制电路亦比较复杂,另外,开关稳压器的负载一般都是用大量的集成化程度很高的器件安装的电子系统。晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差。因而开关稳压器的保护应该兼顾稳压器本身和负载的安全。保护电路的种类很多,这里介绍极性保护、程序保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护以及过热保护等电路。通常选用几种保护方式加以组合,构成完善的保护系统。2、极性保护直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。由于操作失误或者意外情况会将其极性接错,将损坏开关稳压电源。极性保护的目的,就是使开关稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工作。利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。最简单的极性保护电路如图1所示。由于二极管D要流过开关稳压器的输入总电流,因此这种电路应用在小功率的开关稳压器上比较合适。在较大功率的场合,则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节,可以省去极性保护所需的大功率二极管,功耗也将减小。为了操作方便,便于识别极性正确与否,在二极管之后接指示灯。3、程序保护开关稳压电源的电路比较复杂,基本上可以分为小功率的控制部分和大功率的开关部分。开关晶体管则属大功率，为保护开关晶体管在开启或关断电源时的安全,必须先让调制器、放大器等小功率的控制电路工作。为此,要保证正确的开机程序。开关稳压器的输入端一般接有小电感、大电容的输入滤波器。在开机瞬间,滤波电容器会流过很大的浪涌电流,这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化,并使输入保险丝熔断。另外,浪涌电流也会损害电容器,使之寿命缩短,过早损坏。为此,开机时应该接入一个限流电阻,通过这个限流电阻来对电容器充电。为了不使该限流电阻消耗过多的功率，以致影响开关稳压器的正常工作,而在开机暂态过程结束后，用一个继电器自动短接它,使直流电源直接对开关稳压器供电。这种电路称之谓开关稳压器的“软启动”电路。开关稳压器的控制电路中的逻辑组件