怎样才能比较快地设计出开关电源电路

精工电源科技深圳有限公司: 曾宪明: 概述：1 电子产品，特别是军用稳压电源的设计是一个系统工程，不但要考虑电源本身参数设

计，还要考虑电气设计、电磁兼容设计、热设计、安全性设计、三防设计等方面。因为任何

方面那怕是最微小的疏忽，都可能导致整个电源的崩溃，所以我们应充分认识到电源产品可

靠性设计的重要性。

　　2 开关电源电气可靠性设计

　　2.1 供电方式的选择

集中式供电系统各输出之间的偏差以及由于传输距离的不同而造成的压差降低了供电质量，

而且应用单台电源供电，当电源发生故障时可能导致系统瘫痪。分布式供电系统因供电单元

靠近负载，改善了动态响应特性，供电质量好，传输损耗小，效率高，节约能源，可靠性

高，容易组成N＋1冗余供电系统，扩展功率也相对比较容易。所以采用分布式供电系统可以

满足高可靠性设备的要求。

　　2.2 电路拓扑的选择

开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽

式、半桥、全桥等八种拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的

承压在两倍输入电压以上，如果按60％降额使用，则使开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑

中可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力，所以就

不会出现这个问题。双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输入电压，即使按

60％降额使用，选用开关管也比较容易。在高可靠性工程上一般选用这两类电路拓扑。

　　2.3 控制策略的选择

在中小功率的电源中，电流型PWM控制是大量采用的方法，它较电压控制型有如下优点：逐

周期电流限制，比电压型控制更快，不会因过流而使开关管损坏，大大减小过载与短路的保

护；优良的电网电压调整率；迅捷的瞬态响应；环路稳定，易补偿；纹波比电压控制型小得

多。生产实践表明电流控制型的50W开关电源的输出纹波在25mV左右，远优于电压控制

型。

硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在350kHz以下，软开关技术是应用谐振原理，

使开关器件在零电压或零电流状态下通断，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高到兆

赫级水平，这种应用软开关技术的变换器综合了PWM变换器和谐振变换器两者的优点，接近

理想的特性，如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件尺寸、较宽的控制范围及负载范

围，但是此项技术主要应用于大功率电源，中小功率电源中仍以PWM技术为主。

　　2.4 元器件的选用

　　因为元器件直接决定了电源的可靠性，所以元器件的选用非常重要。元器件的失效主要

集中在以下四个方面：

　　（1)制造质量问题

　　质量问题造成的失效与工作应力无关。质量不合格的可以通过严格的检验加以剔除，在

工程应用时应选用定点生产厂家的成熟产品，不允许使用没有经过认证的产品。

　　（2)元器件可靠性问题

　　元器件可靠性问题即基本失效率的问题，这是一种随机性质的失效，与质量问题的区别

是元器件的失效率取决于工作应力水平。在一定的应力水平下，元器件的失效率会大大下

降。为剔除不符合使用要求的元器件，包括电参数不合格、密封性能不合格、外观不合格、

稳定性差、早期失效等，应进行筛选试验，这是一种非破坏性试验。通过筛选可使元器件失

效率降低1～2个数量级，当然筛选试验代价(时间与费用)很大，但综合维修、后勤保障、整

架联试等还是合算的，研制周期也不会延长。电源设备主要元器件的筛选试验一般要求：

　　①电阻在室温下按技术条件进行100％测试，剔除不合格品。

　　②普通电容器在室温下按技术条件进行100％测试，剔除不合格品。

　　③接插件按技术条件抽样检测各种参数。

　　④半导体器件按以下程序进行筛选：

　　目检→初测→高温贮存→高低温冲击→电功率老化→高温测试→低温测试→常温测试

　　筛选结束后应计算剔除率Q

　　Q=(n / N)×100%

　　式中：N——受试样品总数；

　　n——被剔除的样品数；

　　如果Q超过标准规定的上限值，则本批元器件全部不准上机，并按有关规定处理。

　　在符合标准规定时，则将筛选合格的元器件打漆点标注，然后入专用库房供装机使

用。

　　（3)设计问题

　　首先是恰当地选用合适的元器件： ①尽量选用硅半导体器件，少用或不用锗半导体器件。

　　②多采用集成电路，减少分立器件的数目。

　　③开关管选用MOSFET能简化驱动电路，减少损耗。

　　④输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管。

　　⑤应选择金属封装、陶瓷封装、玻璃封装的器件。禁止选用塑料封装的器件。

　　⑥集成电路必须是一类品或者是符合MIL－M－38510、MIL－S－19500标准B－1以上质量

等级的军品。

　　⑦设计时尽量少用继电器，确有必要时应选用接触良好的密封继电器。

　　⑧原则上不选用电位器，必须保留的应进行固封处理。

　　⑨吸收电容器与开关管和输出整流管的距离应当很近，因流过高频电流，故易升温，所

以要求这些电容器具有高频低损耗和耐高温的特性。

在潮湿和盐雾环境下，铝电解电容会发生外壳腐蚀、容量漂移、漏电流增大等情况，所以在

舰船和潮湿环境，最好不要用铝电解电容。由于受空间粒子轰击时，电解质会分解，所以铝

电解电容也不适用于航天电子设备的电源中。

钽电解电容温度和频率特性较好，耐高低温，储存时间长，性能稳定可靠，但钽电解电容较

重、容积比低、不耐反压、高压品种(>125V)较少、价格昂贵。

　　关于降额设计：

电子元器件的基本失效率取决于工作应力(包括电、温度、振动、冲击、频率、速度、碰撞

等)。除个别低应力失效的元器件外，其它均表现为工作应力越高，失效率越高的特性。为

了使元器件的失效率降低，所以在电路设计时要进行降额设计。降额程度，除可靠性外还需

考虑体积、重量、成本等因素。不同的元器件降额标准亦不同，实践表明，大部分电子元器

件的基本失效率取决于电应力和温度，因而降额也主要是控制这两种应力，以下为开关

　　电源常用元器件的降额系数：

①电阻的功率降额系数在0.1～0.5之间。

②二极管的功率降额系数在0.4以下，反向耐压在0.5以下。

③发光二极管

(2)首先分析了现代开关电源的优缺点及其发展状况，在传统开关电源的基础上设计了一种新型的带全面检测和保护功能的开关电源，该电源输入带雷电浪涌保护，并配有RS-485通讯接口，可实现与上位通讯。 1、概述 随着电子技术和电源技术的发展，开关电源以体积小、重量轻、功率密度大、集成度高、输出组合便利等优点而成为电子电路电源的首选。在实际的工作环境中，特别是在一些工业场所中，电磁环境十分恶劣，常常有异常情况出现，例如过电压、瞬态脉冲冲击波、强电磁辐射等。这些都有可能击毁电源。影响整个系统的工作。通过设计以微处理机为核心的具有全面电源检测技术辅以提高开关电源抗过电压、抗干扰性能力的手段，设计了一种具有保护和监控功能的开关电源。 2、设计思想 随着电子设备对电源系统要求的日益提高，研究廉价的具有监视"管理供电电源功能的开关电源愈来愈显得必要。通过综合考虑电源各种技术性能和对自身的安全要求以及开关电源性能的基础上，设计出了一种新型实用的带有过电压检测和保护装置的智能化源。它具有以下几个特点：（1）实现了对过电压的检测，并能记录每次过电压的瞬时值和峰值。可启动备用电源供电。实现对电子电路的保护作用。（2）具有抗冲击能力强、使用寿命长、带液晶屏数字监视的特点。 同时通过RS-485通信接口与管理计算机通讯能实现电源的工作和保护等功能的透明化。（3）能实时显示输出电压、电流的大小、过电压的次数、大小以及必要的参数设置信息。（4）通过接口与后台或远端PC机实现数据传送。智能化电源的核心由显示板、CPU板、通信板、备用电源板、过电压检测板、键盘、通信转接板组成。装置的关键是实现电压的峰值检测，尤其是过电压的检测。该开关电源使用了一种基于单片机的过电压检测和峰值电压检测方法，实验证明它满足了对检测的快速性和精确性的要求。 3、系统硬件设计 3.1 原理框图 系统硬件框架如图1所示。在正常的情况下220V的交流输入电压经过整流、滤波、DC/DC.变换、限流稳压电路后可得到一个稳定的输出电压。是一个普通开关电源。当有过电压时，过电压信号经过过电压检测电路检测和峰值电压保持电路保持，控制电源回路，断开正常工作的交流电路，同时通过计算机启动备用电源工作，以及完成对过电压的瞬时值和峰值的测量。 3.2 PWM控制电路 系统采用的PWM调制器为SG3524型号[4]的芯片，电路如图2所示。在芯片的电源信号入口端并联一电容C2构成一个软启动电路。设计软启动电路的目的是防止在电源突然开通时产生的过大电流对芯片造成冲击。在刚通电时，电容两端电压不能突变，它的电压随外部电源对其充电而逐渐升高，经过一段时间后，电路进入正常工作状态。这样保证了输入电压缓慢地建立起来，确保芯片不受损坏。输出电路的开关功率管选用MOS功率管。由于功率管是在高频状态下工作会产生振荡。为了消除这种寄生振荡，应尽量减少与功率管各管脚的连线长度，特别是栅极引线的长度。若无法减少其长度，可以串联小电阻，且尽量靠近管子栅极。图中R3既是功率管的栅极限流电阻，又与R4一起消除功率管工作时产生的寄生振荡。 3.3　变压器驱动电路 变压器驱动电路见图3。驱动电路采用单端驱动工作方式，这种电路简单、工作可靠性高。功率管由来自SG3524芯片的信号驱动。11、14脚的单端并联输出。当SG3524输出高电平时，功率管导通，在电感L中储能；输出低电平时，功率管截止，导致流过电感L上的电流突然下降为零，L产生反电势。该反电势的脉冲电压加在高频变压器的输入端，驱动变压器工作。同时，电感L作变压器的阻抗匹配元件。　　 由高频变压器输出的交流电压经二极管VD2、VD3进行整流倍压后，再经C2滤波，得到高压输出。 3.4　采样反馈电路 反馈回路中，对输出电压信号的取样，采用在输出端并联电阻，再将高压经电阻串联衰减的方法实现。　　 R3、R4、RW为电压取样反馈电阻。电压经隔离反馈后，从SG3524芯片的1脚输入，控制占空比，进而调节输出电压，达到稳压的目的。其稳压原理是：若输出电压偏高，采样反馈的信号也偏高，与SG3524中误差放大器的基准电压比较后的电压偏低，导致占空比的宽度变窄，引起输出电压下降；反之亦然。RW是可调电阻，通过调节RW来调节输出电压。 3.5 过电压检测电路 过电压对于电源来说是一个非常有害的信号。雷电等引起的瞬时高电压如果不加遏制，直接由电源引入RTU（远程终端设备）则会影响其电源模块的正常工作，各功能模块的工作电压升高而工作不正常，严重时会损坏模块，烧坏元器件IC。 过电压保护的基本原理是在瞬态过电压发生的时侯（微秒或纳秒级），通过过电压检测电路对这个信号进行检测。过电压检测电路中主要的元件是压敏电阻，压敏电阻相当于很多串并联在一起的双向抑制二极管。电压超过箝位电压时，压敏电阻导通；电压低于箝位电压时，压敏电阻截止。这就是压敏电阻的电压箝位作用。压敏电阻工作极为迅速，响应时间在纳秒级。 过电压检测电路原理图如图(4)所示，当有过电压信号产生时，压敏电阻被击穿，呈现低阻值甚至接近短路状态，这样在电流互感器的原级产生一个大电流，通过线圈互感作用在副级产生一个小电流，再通过精密电阻把电流信号转变为电压信号。这个信号输入到电压比较器LM393后，电压比较器LM393输出高电平，经过非门A 输出的控制脉冲1控制电源回路,断开开关电源电路，启动备用电源。控制脉冲2送到单片机的中断口，单片机控制回路启动A/D转换，采样过电压的瞬时值。 3.6 峰值电压采样保持电路 峰值电压采样保持电路如图(5) 所示。峰值电压采样保持电路由一片采样保持器芯片LF398 和一块电压比较器LM311构成。LF398的输出电压和输入电压通过LM311进行比较，当Vi>Vo时LM311输出高电平，送到LF398的逻辑控制端8 脚，使LF398 处于采样状态。我也只能和你说到这里，不知道能帮助到你没。

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