直流稳压电源设计方法范例(3篇)

直流稳压电源设计方法范文篇1

简介

基于微处理器的器件需要使用稳压电源(PSU)以检测输入功率损耗和继续在完成内存备份(即将关键数据写入非易失性存储器)的时间内进行供电。

设计连续输出功率的一种方法是：生成较高的输出电压和使用线性稳压器生成所需的较低电压。线性稳压器输入端电容用于提供维持时间。但遗憾的是，这种方法会降低电源的整体效率，原因是它需要使用次级线性稳压器，进而需要更大的变压器和元件，使得电源电路初级侧的额定功率更高。

另一种解决方案是使用已知的导通时间延长技术，这种方法在PowerIntegrations(PI)的一系列离线式开关IC中得到采用。在PI芯片中，导通时间延长功能与开/关控制功能相结合，用来提供稳压。这两种技术都可以替代传统的脉宽调制(PWM)控制，而无需添加额外的电路。

内存备份功率要求

需要在关断之前存储关键数据的产品应用通常会使用EEPROM内存，并需要获得稳压电源电压，以便在完成内存写周期的时间持续供电。对于某些EEPROM内存而言，写周期时间可能长达10ms。为了提供足够的写周期时间，标准的做法是：通过关闭所有外设和不必要的额外负载来降低断电序列条件下的功耗。直流总线电压和断电序列的关系，从而可以有效利用储存在输入直流总线端滤波电容中的能量。

功率转换器阶段需要使用储存于输入滤波电容中的能量，以便将输出电压维持在稳压限制范围之内。在图2中，这代表着直流总线电压从Vmin2降到Vmin3，及进行数据备份所需要维持的一段时间(检测到输入失败情况后)。

对于大多数低功率应用而言，反激式转换器因为具有成本低、元件数量少和在通用输入应用中易于设计等优势，而成为一种可选的拓扑结构。我们将用两个反激式转换器进行比较，来说明导通时间延长技术的效率及其对电容选择的影响：一个反激式转换器在非连续导通模式工作一固定频率技术(DCMFF)，而另一个则利用导通时间延长来实施非连续导通模式一占空比扩展技术(DCMDE)。

输入电压下降时的功率输出

案例1：DCMFF一最大占空比为50％。

在本例中，我们将针对工作频率为100kHz并使用了一个500μH初级电感的21.25W(5V@4.25A)电源设计，对最大占空比为50％的DCMFF转换阶段的功率输出能力进行测评。假设能效为84％。

此设计的Vmin为100V。当直流总线电压为100V时，如果所连负载等于满载(即21.25W)，则占空比将达到最大值。

对于最大占空比为50％的DCMFF设计最大输出功率与直流总线电压之间的关系如公式(1)所示。

电路的最大功率能力将随着电压的下降而下降，对于为50％满载的负载，电路可以维持输出端稳压，使直流总线电压仅下降到69V。

案例2：DCMDE一导通时间延长而不改变关断时间可以自动扩展占空比。要使导通时间延长方法与固定频率DCMFF方法进行可行性对比，需要将VmⅢ=100V下的占空比假设为50％。其结果是，电路在100V直流输入电压下输出满载功率时的初级电感值相同，以及高于100VDC的直流总线电压具有相同的工作条件。

电路工作情况：电路的工作情况与DCMFF配置相同，直到直流输入电压降到与Vmin相等的值。随着输入电压降到Vmin以下，tO-tl的时间间隔将被延长，直到初级电流达到预定的峰值初级电流值，后者等于输入电压为Vmin(占空比为50％)时的预计值。t1到t2的时间间隔保持不变，且等于正常工作条件下开关频率的时间间隔的一半。

输入电压下降时初级绕组电流波形的变化。由于电感电流斜率随着输入电压的降低而降低，因此初级电流达到所需的峰值电流值将需要更长的时间。虽然通过延长导通时间间隔可以自动降低工作频率，但每个工作周期储存在电感中的能量仍将保持不变。工作频率下降可以导致电路的最大功率能力随之下降。此时，电路的最大功率能力曲线表现为不同的形状。

最小输入电压与最大输出功率之间的关系如公式(2)和公式(3)所示。

对比以上两条曲线可以明显确定，与DCMFF(固定频率占空比限制)设计相比，导通时间延长方案可以使功率转换器在较低的输入电压下输出更高的功率。

通过这两条曲线还可以看到，对于输出端50％的负载，DCMFF可以维持直流总线电压降至大约69V的稳压，而DCMDE转换器则可以维持低至31.5V的稳压。因此，DCMDE方法使电源能够为内存备份操作提供更长的维持时间，充分利用储存于输入电容中的能量。

直接输入总线滤波电容值的选择

直流总线滤波电容可以用来将转换器阶段的输入电压维持在等于或高于Vmin值的水平，使转换器可以保持工作并维持稳压。转换器在td期间所需的能量由放电电容提供。所需的电容值可以通过公式(4)进行估算。

90VDC或100VDC的值是转换器最小直流总线电压的最佳选择。Vmin值进一步减小有助于降低输入端所需的电容值，但这也会导致初级绕组中的峰值电流大幅升高，并且还需要过大设计电路中的开关元件。

如果开关电源必须保持工作并在干扰期间提供稳压输出电压，则必须对其输入电容进行选择，以使最小输入RMS电压比额定电压低30％，即120V系统的最小输入RMS电压约为84VAC(参见公式(5)和公式(6))。

在任何给定输入电源电压情况下，时间td是工作频率的函数。

在不同转换器工作频率下的不同最小直流总线电压值(Vmin)所需的输入电容估计值。三组曲线分别表示：不需要任何维持的条件下的额定电容；4ms的维持时间；输入电源线电压频率的一个半周期的维持时间。

对于正常工作情况或存在短时间电源线干扰的工作情况，提供了易于使用的倍增系数，用于计算所需的电容值。此电容的值称为Cn或额定电容。

用于在断电序列期间维持稳压的直流总线电压最小值可以从图4得出，或使用公式(1]和公式(2)计算得出。然后，可以使用公式(7)来计算输入端所需的电容值，以确保在完成断电序列期间能够提供足够长的维持时间。

Ch=完成断电序列或内存备份所需的电容

Pr=在断电序列期间降低的输出功率水平

ηr=功率水平降低时的转换器效率

th=断电序列的持续时间

Vs=断电序列开始时的直流总线电压

Ve=功率降低时维持稳压所需要达到的直流总线电压

如果ch远远大于cn，则必须使用较高的值。可以通过提高Vmin来减小计算的Cn和ch值之间的差异。

对于设计用于在低至100VDC的直流总线电压下工作且必须在低至47Hz的频率下工作的20W通用输入电源来说，正常工作情况下的输入电容值或cn将大约为100gF，其前提是转换器效率超过85％。

如果在输入电源失败后必须至少在35ms的时间内提供稳压电源(以便完成EEPROM写周期)，那么电容ch中必须具备足够的能量。

如果内存备份期间所需的负载为10w(满载的50％)，且电源采用最大占空比为50％、固定频率100kHz控制器设计而成，那么所需的电容值将为172μF，该值可以使用公式(1)、公式(4)或图4计算得出。

如果将此电源的控制方案修改为使用导通时间延长技术，则所需的Ch值可大幅减少到100μF，使用公式(4)或图4可以计算出该值。因此，无需扩充输入电容便能满足延长的(35ms)功率要求。

在前面的示例中，假设在较低直流电压和50％的负载条件下运行时转换器功率降至78％(在实际设计中，这一点可经过全面验证)。

导通时间延长技术的限制

虽然导通时间延长可显著提高反激式电源的功率输出，但必须注意的是，不要让电源在延长的导通时问下无限期地运行。导通时间在超过正常极限之外的任何延长均会导致RMS电流的增加，从而导致MOSFET及初级绕组上的功率全部耗尽。

直流稳压电源设计方法范文

关键词：波纹；开关电源；晶体管

引言

在用电控制的仪器设备中，都需要稳压电源，由于价格、功率等的要求，因此设计人员更倾向于使用开关电源，而很少使用线性电源。开关电源的优势在于转换效率高，最高可以达到将近97%，另外开关电源重量轻、体积小。开关电源最大的缺点是输出的纹波和噪声电压较大，而这一性能影响到仪器设备的运行，特别是对于需要处理小信号的仪器中，电源产生的噪声可能会干扰输入的信号，使得仪器无法正确运行。如何处理好电源的噪声，有很多方法[1][2]，本文通过一个典型电源电路分析开关电源产生纹波和噪声的原因及减小纹波和噪声的措施，并详细探讨了电源各部分电路的原理功能和实现的方法。

1干扰产生分析

电信号干扰分为：噪声（nois）和纹波（ripple）两种，其表现形式为图1形式。噪声的定义是指在直流电压或电流中，叠加了振幅和频率上完全无规律的交流分量。该分量会干扰电路的分析、逻辑关系，影响其设备正常工作。纹波是指叠加在直流电压或电流上的交流信号，会降低电源的效率，严重的波纹更有可能会损坏用电设备，另外波纹还会干扰数字电路的逻辑关系，影响设备工作状态。通常的开关电源输出的直流电压中叠加了由噪声和波纹引起的交流信号。波纹主要是由于开关电源的开关动作造成的，而波动的频率跟开关的频率是一致的，大小取决于输入、输出电容的参数。作为开关的元件都有寄生的电感与电容，当元件在电流流动变化工作时，会产生电压与电流的浪涌，这些浪涌信号都会在电源产生干扰信号。浪涌电流指电源接通瞬间，流入电源设备的峰值电流。该峰值电流远远大于稳态输入电流，这种瞬时过电流称为浪涌电流，是一种瞬变干扰。噪声电压主要跟电源的拓扑结构、电路中的寄生参数、工作的电磁环境以及印制电路板的布线有关。当信号较小的时候，会产生干扰的信号。图2（a）是实验信号波形，（b）是小信号上叠加了干扰的波形。干扰可以表现为尖峰、阶跃、正弦波或随机噪声，干扰的产生来自多方面，电路设计不合理、器件使用不当、工作环境干扰、电源噪声等，其中电源产生的噪声是常见主要的原因，而这些干扰信号会造成后续电路一系列的处理误差，所以在要求较高的场合，这样的噪声是必须要解决的。

2解决措施

开关电源电路一般由整流平滑电路、集成开关电路、浪涌电压吸收电路、电压检测电路、次级侧整流平滑电路等构成。其工作原理：开关电路供应稳定电压和平滑的电流，是本电路的主要部分，开关晶体管的集电极电流决定电源的输出电流。纹波的解决措施[3][4]主要有：调整电感和电容参数、增加电容电阻缓冲网络。

2.1调整电感和电容参数

电流波动与电感参数、以及输出电容大小有关，通常电感值越小，波动越大，输出电容值越小，波纹越大。因此可以通过增大电感值和输出电容值来降低波纹。在这里以BUCK型开关电源为例，当开关电源工作时，提供的电压不变，但是电流会变化，为了稳定电源的输出电流，在如图4（a）的指示位置并联一个电容C+。通过增加电感值的方法来减小波纹的做法是受限的。因为电感越大，体积就越大。电感的取值可以这样计算：假定输入电压为Vin，输出电压为Vo，工作频率为f，输出电流为I，电感中电流的波动值为驻I的话，有：在电路调试过程中发现，随着C+不断增加，减小波纹的效果会越来越差，同时增加f，会增加开关损失。因此可以通过再加一级LC滤波器的方法来改善，如图4（b）所示。LC滤波器抑制波纹的效果较好，只要根据需要除去的纹波频率选择合适的电感电容即可。

2.2增加电容电阻缓冲网络

在二极管高速导通截止时，要考虑寄生参数。在二极管反向恢复期间，等效电感和等效电容成为一个RC振荡器，产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡，需在二极管两端并联电容C或RC缓冲网络。电阻与电容取值要经过反复试验才能确定，一般选择电阻为10Ω-100Ω，电容取4.7pF-2.2nF。如果选用不当，反而会造成更严重的振荡。

3电路设计及实测

根据以上分析，设计出了一种开关稳压电源如图5所示，采用可控硅触发方式。通过整流放大后的波纹去触发可控硅的导通，当整流电压值为零时，可控硅自动关断。只要用输出电压的变化来控制触发信号的前沿，即可实现稳压。稳压电路主要由可控硅、4个晶体管和1个变压器等组成，如图5所示。我们在multisim环境下对该电路进行仿真，效果非常好。再用实际电路搭试，并加上30欧姆纯电阻阻抗后，选取了7个测试点，测试波形见图6所示。图中变压器T、二极管D1～D4和电容器C1-4组成整流滤波电路，测试点1电压纹波波形见图6中1的图像，显然是在全波整流后的纹波出现；电阻R2、R3和隔直电容C5组成取样电路，测试点2电压纹波波形见图6中2的图像；控制可控硅的纹波信号测试点3、4电压纹波波形见图6中的3、4的图像；隔直后的测试点5电压纹波波形见图6中的5的图像；线圈T2控制信号的初级波形见图6中7的图像；线圈T2次级控制可控硅信号见图6中6的图像。当电压没有纹波时，线圈T2不发挥作用，但当电压有波动时（纹波），则自动控制可控硅工作，抑制电压的波动。在电路中的电感对抑制电压的波动也起到了良好的作用，其电感值可以根据电压的大小和对纹波的要求进行适当的选择。该电路在最后的输出功率可以达到110W，当负载发生变化10-104欧姆时，电压变化的范围大约是1毫伏。

4结束语

本文对开关电源噪声与纹波的产生原因和抑制方法进行了分析和讨论，并设计出了一种晶体管开关稳压电源电路，观察仿真实验，可以得出该设计能够抑制一定的电源噪声与波纹。在实际中，需要依据产品的参数，如体积、成本等问题综合考虑，选择合适的设计方法。

参考文献：

直流稳压电源设计方法范文

【关键词】通讯设备；高压电源；结构设计

近年来，由于通信行业的发展迅速，通信设备等各方面要求也随之提高，使得对承担设备各方面运行的供电系统的要求也逐渐提升，其中包括高压电源的容量需求，还有可靠性和节能型等各方面要求也随之提高。其中，通信设备高压电源中采用高压直流供电系统HVDC是较好的解决方法。

1通信设备电源概述

生活中要保持正常工作的电子设备的运行就要有稳定的电源供电，针对市电的常规供电一般是50Hz的使用额定，而野外使用的电子设备，是通过发电机提供电源（如车载或船载设备）。除此之外特殊的通信设备也会要求直流电，对于这种情况需配有整流器，或逆变器。整流器的作用是可以将交流电变成直流电。如果要改变电压后再提供给用电设备，还需要增加一台变压器。交流电在日常工作中容易出现电压不稳定的情况，就需要调压器进行补偿，稳压器的作用能达到稳压效果，考虑谐波影响还要增加滤波器滤，因此变压器、整流器、滤波器、调压器、稳压器是通信设备电源的必备部分。此外，提供电源的用电设备在设计时应达到以下要求：（1）要有输送交流电和直流电给负载部分的能力，还要确保有稳定的最大负荷输出电流；（2）在输入电压存在波动的情况下，要确保输出电压稳定，并要求稳定系数达到较高数值；（3）传输至负载的直流电接近于恒定直流电流，因此波纹因素较小；（4）电源功率要符合要求。效率是判断电源性能的一项重要重要指标。效率高，意味着在电源正常运行时耗散功率小，热量少，有利于节约能源，保证设备的使用年限。对于电源的技术要求，不仅有电气设计，很关键的一部分还包括结构设计。能确保电气设计方案顺利实施的首要条件。特别是在高压电源设计过程中要选定正确设计结构，规划布局合理，使元器件固定妥当，考虑到通风散热、电磁兼容问题，以及隔振设计、三防设计、高压的安全防护设计等。

2高压电源结构设计

2.1组成高压电源的元件

常见的通信设备在安装速调管、分行波管和大功率晶体管时一般使用高功放管。除了电源灯丝外，都是上千伏的高压电源，对于一般慢波线和收集极电压高，大电流。比如3kW行波管收集极工作电压是14kV，电流则为1.8A；慢波线电压为18.5kV，电流为0.2A。因此高功放若是电子管（行波管和速调管）必须要确保能供上述高压电源。

2.2结构规划原则

（1）一般来说高压电源的主元器体积与重量都大。特别是大型电气设备变压器，总重达120kg。重型设备尽量装在下部。使整体重心低而稳定。布局要便于安装和维修。（2）电源变压器，存在大功率整流管及高压线圈等，正常运转时会产生较多热量，布局应考虑通风性。尽量装有风机冷却，或者空气流通的位置。（3）常出现故障的元器件，如压敏电阻器、隔离开关等应要安置有利于更换的位置。（4）规划设计高压电源的结构方面，首先要考虑用电安全问题。高压电设备在检修时可能会发生触电危险，因此要求控制机构在检修时要保证电流接地。对于高压端子及高压导线绝缘性能要求高，绝缘距离要求大，防止出现短路故障。严格遵守绝缘距离设定，确保人身安全。对于交流与直流部分注意区分，避免互相干扰。特高压情况，比如1kV以上的电源设备，要设有专门开关。当人为打开门或者抽屉柜时，门控开关启动断开电源，防止触电事故。金属面板上禁止直接安置电表，电位器调节旋扭等，要充分做好防护工作。（5）电源变压器的铁心部件会出现漏磁现象，当它连接低频放大器的部分元器件或导线时，会马上放大50Hz的电信号，因而产生交流声。由此，需要隔离低频放大器部分，如：控保部分和变压器使用同一底板，确保进行磁屏蔽。（6）通信设备使用的高压直流供电系统，存在输出正负极未接地的情况，这就要求在两极安置开关；如果部分单极断路器无法达到高电压等级要求，可以使用串联多极分担分断电弧电压。

3高压电源结构组装举例

此结构布局图的特点是：（1）便于散热。抽屉要做成密封式，首先要在上面加上盖板，为了便于散热，要形成一定的风道。在面板上开设通风孔，加上通风窗和滤尘网，在后面板装上轴流风机，作用是抽风。由于阻流圈和变压器的发热量比较大，因此安装设置更靠近风机位置，目的是尽快散热，防止其它元件受到影响。为了使高压电源的各元件散热更快，将风机于通风窗的位置对角放置，以此来加上风路，增加散热效率，改变后的风路流向如图中箭头所示。（2）屏蔽设计。通信设备要注意控制漏磁场，避免受到过多干扰，应将数字显示板和电路印制板加上磁屏蔽罩，才能避免此类问题发生。（3）绝缘设计。通信设备在电源高压影响下，首先要考虑绝缘设计，将8mm厚的环氧酚醛层压玻璃布板作为底板，可有效绝缘。此外，这种材料还有优良的介电性能、机械性能和耐水性。部分高压设备是不能直接接触地面的，需要加底板，如果用金属底板，会导致底板直接和机架相连接，因此设计时要注意做好绝缘处理，将结构设计科学化、复杂化。如果将环氧酚醛层压玻璃布板安装在高压器件下面，同时要维持高压设备之间一定的距离，还要保证高压设备和机架间的距离，防止两者间发生击穿放电现象，然后将各种设备科学地连接起来。

4以HVDC高压电源供电系统为例

（1）技术方面。针对目前使用的HVDC的供电系统，它的电源系统的系统结构与现在存在的48V通信电源的很相似，并且十多年来被广泛使用在国家电力行业部门，这种高压直流供电系统有很高的产品技术成熟，并且属于完全国产化的系统设施。（2）结构方面。HVDC供电系统的结构比较简单，一般来说结构简单的系统更能保证高效率的运行和更高的安全性。直流供电系统在模块化设计基础下，有实际运行了数十年的经验，更能证明其安全可靠和简单特性。同时直流供电系统的模块化设计还使该系统具有增加扩容和方面维护等优点。（3）效率及节能方面。HVDC系统在UPS系统的基础上去掉了UPS的逆变部分，将系统的谐波含量减少，因此相比传统UPS系统，不管在各部分效率还是整体效率方面都有较大的提升。

5结论

以上可得，高压电源的主要特点是电压高、发热量大、重量大、漏磁影响大。本文主要对高压电源结构设计原则进行了定性分析。随着近几年对高压直流供电的研究兴起，越来越多的研究者对高压直流供电的优势给予了肯定。

参考文献