时间：2022-01-31 09:24:45
开篇：写作不仅是一种记录，更是一种创造，它让我们能够捕捉那些稍纵即逝的灵感，将它们永久地定格在纸上。下面是小编精心整理的12篇开关电源工作原理，希望这些内容能成为您创作过程中的良师益友，陪伴您不断探索和进步。
开关电源的结构框图如图1。由对输出电压“取样”，并对基准源进行“比较”后控制“调整管”或“开关管”，此时开关电源的“开关管”相当于一个开关，开通时间由比较结果而定；当开关电源输出的电压太低时，通过“比较放大”控制“开关时间控制电路”使“开关管”开通时间变长，从而使输出的电压提升。
开关电源的核心部分是“开关管”和“变换器”组成的开关式直流-直流变换器。它把直流电压Ui（一般由输入市电经整流、滤波后获得）经开关管后变为有一定占空比的脉冲电压Ua，然后经整流滤波后得到输出的电压Uo。
2．大宇DVD的开关电源电路
图2所示是大宇DVD电源电路的实物图。图中右上角输入220V交流市电，先经电源滤波电路后用右下角的二极管进行整流，再经大电容滤波后输出直流。由于是对220V交流信号进行整流滤波，所以二极管的耐压值要高，而电容的容量也要大，所以实物图中右下角的电容体积很大。整流滤波后得到的直流信号再经右边居中的开关电源IC转换成高频的交流信号，再经变压器耦合输出各路低电压的交流信号。由于变压器是工作在高频状态，所以其体积较小。耦合输出的各组交流信号经左边的二极管整流、电容滤波和三极管稳压或三端稳压电源稳压后输出各部分电路工作所需的直流电压。此电路由于采用了变压器并联耦合，而且比较放大电路反馈回脉冲调宽电路是利用光耦器件，即用光信号来传递信息，输入端与输出之间实现绝缘，是冷底盘机，其防触电的警告标志仅在电路板的右边。光耦跨接在有警告标志和无警告标志部分，起到传递信号而又能隔离前后级地线的作用。这种机型在维修主电路板时，由于主电路板与大地不相连，通常比较安全。但在测量后级电压时，不能使用前级的地线，否则所测电压将全部为0V。
图3所示是大宇DVD的电源电路原理图。大宇DVD所用的电源IC为专用开关电源集成电路VIPER22A，图4是其外引脚图，图中，第1、2脚SOURCE是内部场效应管源极的表示，在使用中通常接地，3脚FB是取样电压输入端，4脚VDD是供电电压端，第5、6、7、8脚的DRAIN表示接通内部场效应管的栅极。图5是其内部结构图。
220V的交流电源经开关输入后，经四个二极管构成的桥式整流电路整流、C1滤波后输出一个300V左右的直流信号。由于VIPER22A处于工作状态，在其内部场效应管截止时，会在变压器初级(L左1)两端产生大于300V的电压，利用R1、C2和D5构成防冲激电路，使其电压有一个释放回路，以免激穿VIPER22A内部场效应管。
从图5所示VIPER22A的内部结构可知，它与其它开关电源存在一些不同。开机后，300V的直流电压从DRAIN（漏极）脚进入集成电路，经整流和稳压后供给开关电源IC工作，从而使这个电路工作时不需要外接启动电阻。即使Vdd供电电路不正常，电源电路的振荡电路仍能起振，而且电路有输出电压。用这种专用电源IC的DVD机电源有故障时，故障现象和其他开关电源的故障有所不同，其他开关电源通常无Vdd时，电源电路中的振荡电路不起振，会出现无输出的故障现象。
电路工作正常时，开机后，在Vdd正常前，由芯片内部自身供电，经过很短时间后，Vdd供电电源正常，此时，利用门电路控制开关电路（ON/OFF）断开从栅极输入的供电回路。VIPER22A有过热、过压保护功能。Vdd从4脚输入后，首先送入比较器，一旦输入Vdd大于42V，则触发器（FF1）输出一个置位信号1使控制振荡电路工作的触发器（FF2）输出为0，锁住U2，振荡信号无法输出，即开关管不工作。当输入电压小于14.5V时，U3也将输出一个复位脉冲，使开关管不工作。当电路过热时，R1为1，将FF2置0，开关管不工作。当供电电压Vdd在正常范围时，FB所得的取样电压与基准电压0.23V相比较，用其比较结果去控制FF2的转换频率，从而控制开关管的状态转换，实现控制输出电压，达到稳压的功能。该集成电路芯片内部包含60kHz的振荡电路，其电路相当简单。
下面，为分析方便，把电源变压器左边的两组线圈从上到下定义为L左1、L左2。右边的线圈从上到下定义为L右1、L右2、L右3。
图3中，L左2互感产生的交流脉冲电压经D6整流、R2限流和C3和C6滤波后作为开关芯片的供电电压。由于VIPER22A的特殊结构，如无Vdd时可实现内部供电，所以R2即使击穿开路，仍有电压输出，但不正常，故障表现为开机后开关指示灯和出/入盘指示灯闪烁。
同时，Vdd也为取样回路中的光耦的接收部分供电。L右3感应到的脉冲电压经D8整流，电感L6、电容C12、C13、C14滤波后，输出+5V电压供解压板、DSP处理及其它小信号处理芯片使用。+5V电压同时经稳压管Z2后给光耦电路发射部分供电，通过光耦的接收部分接收到的光作为取样信号，从VIPER22的3脚FB输入到芯片，从而去控制开关管的开关频率，控制电源电压的稳定，起到稳压的作用。该种电源电路由于前后级是通过光耦进行互相控制，前后级不共地，称为冷底盘机，这种机器由于后级主电路板与市电不相连，维修时比较安全。维修时测量后级的电压，一定不能用前级的接地点，否则所测电压始终为0V。
同时，变压器电感线圈L右3另一端经D7整流C10滤波后输出+12V的电压供电机驱动和音频功率放大电路使用。这组电源的故障，主要表现为DVD机有图像无声音，或者是进给电机、主轴电机或出入盘电机不工作。
关键词：开关电源;原理;原理框图;电路图
电子技术教学中，我们有的教师对开关电源部分内容常常忽视，这与目前生产、生活实际是不符，本文根据自己的教学实践，对开关电源教学谈一些认识。
一、明确开关电源教学的重要性
简单的分类，直流稳压电源有串联型线性直流稳压电源和开关型直流稳压电源。串联型线性直流稳压电源由整流、滤波、稳压等部分组成，稳压部分的调整部分工作在线性状态，学生易理解，掌握串联型线性直流稳压电源的工作原理和进行实际电路分析也是较为容易的。
开关电源（SwitchingMode Power Supply，SMPS）采用“交流直流交流直流”变换技术，是一种组合变流电路，包括由冲击电流限幅、输入滤波器、输入侧整流与滤波、逆变、输出侧整流与滤波等部分组成的主电路，以及控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。开关电源较直流线性稳压电源复杂，但开关电源功耗小，转化率高，且体积和重量只有线性电源的20%―30%，目前它已成为稳压电源的主流产品。因此我们在教学时应重视开关电源这部分内容，不要淡化它。
二、读懂开关电源原理框图
要理解开关电源工作原理，会分析开关电源电路图，那就要读懂开关电源原理框图。下图就是典型的开关直流稳压电源原理框图。
图1 开关直流稳压电源原理框图
（一） 框图组成
框图由主电路、控制电路、检测比较放大电路、辅助电源四大部份组成。
1.主电路。主电路即完成“交流直流交流直流”变换的功能电路部分，由冲击电流限幅、输入滤波器、输入侧整流与滤波、逆变、输出侧整流与滤波等部分组成;冲击电流限幅部分功能：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流;输入滤波器功能：其作用是过滤电网存在的杂波及阻碍本机产生的杂波反馈回电网;输入侧整流与滤波：将电网送来的交流电直接整流滤波为较平滑的直流电;逆变：利用开关调整电路将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分;输出侧整流与滤波：根据负载需要，将高频交流电进行整流与滤波，提供稳定可靠的直流电源。
2.控制电路。一方面从输出端取样，与设定值进行比较，然后去控制逆变器（开关调整电路），改变其脉宽或脉频，使输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对电源进行各种保护措施。
3.检测电路。提供保护电路中正在运行中各种参数和各种仪表数据。
4.辅助电源。实现电源的软件（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM等芯片）工作供电。
（二）开关电源的工作原理
开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件（开关管），开关元件以一定时间间隔重复地接通和断开，在开关元件接通时输入侧整流滤波的直流电通过逆变器（开关管）、输出侧整流滤波电路向负载提供能量，当开关元件断开时，电路中的储能装置（有电感、电容等组成）向负载释放开关接通时所储存的能量，使负载得到连续稳定的能量。
根据开关电源输出的直流电压情况，经过取样进行检测比较放大得到反映输出电压稳定情况的误差信号，将其送入控制电路产生控制信号，控制信号经驱动电路后对逆变器的开关元件的占空比（导通时间与周期之比）进行控制，这样传到输出端的能量得到调整，即调整输出电压使其稳定。
三、读懂开关电源电路图
读开关电源电路图，不要急于弄清某一元器件的作用，要按一定顺序逐步进行。首先，找到来自电网的交流电位置（即“信号”入口，）和直流稳压电源稳定电压输出位置（“信号”出口）;其次，找到开关电源电路的主电路（“主信号”电路，正向电路），它由冲击电流限幅、输入滤波器、输入侧整流与滤波、逆变、输出侧整流与滤波等部分组成;找到反馈控制电路，它由取样比较放大、时钟振荡电路、脉宽（脉频）调制电路、驱动电路等组成;最后对开关稳压电源的主电路和反馈控制电路的各组成部分进行分析，分析出各部分的功能和作用，具体到每一个元器件的功能和作用;完成以上分析后，引导学生再回头体会开关稳压电源的原理，会有更深刻的理解。
目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。作为电子技术的教学专业人员，有必要将开关电源这部分教学内容向学生讲清楚，讲明白。
参考文献：
[1]王兆安，刘进军.电力电子技术[M].机械工业出版社.2009.
【关键词】工作原理分析；常见故障分析；故障检测实例
目前，计算机、DVD、彩电等家用电器电源大部分采用开关电源，这些家用电器出现的电路故障大部分由开关电源损坏引起。笔者长期从事家用电子专业理论与实操教学，对开关电源接触较多，下面以长虹G2136（K）彩电开关电源为例，深入介绍该电源的工作原理和典型故障分析与检修。
一、工作原理分析
电源原理图如图1所示。
1.整流滤波电路
电源设计有两级滤波器。L502、C501、C502组成一级型低通滤波器，防止电网高频干扰进入机内。L503、C507、C518再组成一级低通滤波器，抑制开关电源本身产生的高频干扰信号，防止其串入电网造成干扰。VD501～VD504、C507组成桥式整流滤波电路，C503～C506四个小电容分别并联在四个整流二极管两端，起分流和过滤作用，防止高频浪涌电流损坏二极管。
2.消磁电路
RT501、XC216组成开机消磁电路。开机瞬间，消磁回路电流很大，电流在消磁线圈中产生交变磁场，对显像管屏幕进行消磁。消磁电阻RT501是个正温度系数热敏电阻，因为电流热效应，阻值随温度上升而增大，当温度达到居里点后，电阻值趋向无穷大，这时消磁回路呈开路状态。
3.启动电路
220V交流电经整流滤波后产生约300V直流电压，经T511的绕组③、⑦绕组加到开关管V513集电极。同时300V直流电压经R520、R521、R522、R524加到V513基极，为V513提供基极电流IB，V513具备导通条件，产生集电极电流IC。IC流过T511的③、⑦绕组，因互感效应在反馈绕组产生①为正②为负的感应电动势，感应电动势经反馈支路C514、R519、VD517、R524向开关管V513提供持续的基极电流，使得IB迅速增大，导致IC增大，这一正反馈过程促使V513迅速进入饱和状态，开关电源启动工作。VD517的作用在于加大电源启动时由正反馈绕组提供给V513的基极电流，加快V513进入饱和状态。因为在开机瞬间C517电压不能突变，可保护V513防止大电流冲击损坏，还具有吸收激励尖峰电压的作用。
4.振荡电路
电源启动后，开关管V513进入饱和状态，300V直流电压加在变压器T511的绕组③、⑦上，反馈绕组①、②感应出上正下负电压对电容C514充电，使C514两端产生上负下正的电压，促使C513基极电位下降，开关管V513退出饱和状态，V513集电极电流急剧下降，绕组③、⑦和反馈绕组①、②的电压极性变成上负下正，强烈正反馈过程促使V513基极电位进一步下降，其集电极电流迅速下降，V513迅速从饱和导通状态进入截止状态。这时初级绕组存储的磁能开始通过次级绕组和负载放电。由于V513截止，C514两端电压经VD517R519进行放电，一定时间后，在启动电路作用下，最终使开关管V513再次回到初始状态，开关电源完成了一个周期振荡过程。如此循环工作，电源进入稳定的振荡过程。
5.受控振荡及稳压电路
为了稳定开关电源输出电压，必须使振荡处于受控状态，受控振荡主要靠开关稳压电路中的误差取样电路R561、R562、R563、RP551，误差放大管V553，光耦VD515及V511、V512等组成。通过对130V电压取样误差放大，经过光电耦合器的隔离，由V511、V512管控制电源开关管V513的导通时间长短来实现，实际是通过控制开关电源振荡频率来实现。
6.保护电路
过压保护电路由VD518、VD519、R523、V512组成，当输入电压升高，正反馈电压随着升高，V519反向击穿导通，反馈电压经VD518、VD519、R523给V512提供较大的IB，V512饱和导通后对V513进行分流，迫使其截止，电源处于待机保护状态。
过流保护电路由R526、R515、V512组成，当开关管V513电流过大时，感应电动势上升导致其基极电压升高，因R526、R515串联分压，使V512基极电压上升而进入饱和状态，将V513基极和发射极完全旁路，控制V513在截止状态，开关电源停止工作，实现过流保护。
二、开关电源常见故障分析
1.烧保险丝
产生此故障主要原因是：整流二极管击穿、大滤波电容击穿、开关管击穿、消磁电阻短路、负载短路等导致电路中电流过大，一般通过电阻测量法查出。
2.输出电压全部为0V
输出电压全部为0V时，故障可能在以下电路：启动回路、开/待机控制电路、保护电路、振荡控制电路和整流输出电路等。在检修该类型故障时，本着先易后难逐步深入检测的原则，细心观察电源部分元器件是否有烧毁，变色变味迹象，然后利用万用表检测各关键点、关键元件电压、电流或阻值是否正常。根据检修经验，出现较多故障有：开/待机控制电路不正常；启动回路的电阻烧断；保护或振荡控制电路的三极管损坏；整流滤波电路的保险电阻烧断等。
3.输出电压整体偏低
因有电压输出，所以启动电路、开/待机控制电路基本正常。该类型故障一般由振荡稳压控制电路不正常造成，在检修时，重点检测反馈绕组的反馈回路、光耦控制回路和取样控制回路等部分电路元器件是否有损坏。如电源的稳压二极管、光耦等是最容易损坏的元器件。
4.开关管发热，容易烧坏
产生此类型故障时，开关管通常很快烧坏。在开关电源中，开关管是工作在开关状态，发热量很小，当进入放大状态时产生的热量急剧增大，最终过流或过热损坏。所以针对此故障应重点检测振荡电路。
三、故障检修实例
实例1：
故障现象：开机，工作指示灯不亮，开关电源无电压输出。
分析和检修：先观察开关电源的元器件无烧毁变色变味迹象，接着用万用表测量输出电压全部为0V。本着先易后难的原则，直接测量C507主滤波电容两端电压，发现有约300V，再测量开关管V513的基极无负压，首先检测启动电路。关机，电阻法测量启动电路的各个元件。在测量前，先对主滤波电容进行放电，用自制的灯泡负载对C507进行放电，彻底放完后再检测。发现R521阻值为2M欧姆，已严重变值，按图纸参数更换后，开机，电源输出全部正常，工作一段时间后电压依然保持稳定，故障彻底排除。
实例2：
故障现象：开机，工作指示灯不亮，开关电源无电压输出。
分析和检修：该机是因遭受雷击后才无法工作，先观察开关电源的元器件无烧毁变色变味迹象，测量C507主滤波电容两端有约300V的电压，检测启动电路正常，测量V513基极电压为0V，初步判断故障在振荡控制、稳压控制或者保护电路。断开负载，接上灯泡做负载，通电检测V513基极依然没有负压。断电，电阻法测量V513基极对地阻值为0，存在短路。根据图纸分析可知，重点检测与基极有关的元件，检测振荡和反馈电路的元件正常，当检测V512的C和E极阻值时发现为0，拆下认真检测时果然其C和E极已击穿短路。由于V512的C和E极击穿，造成V513基极电位始终为0V，最终导致开关电源不工作。试用相同参数的三极管更换，开机，电源指示灯亮，开关电源输出正常，故障排除。
实例3：
故障现象：开机，电源瞬间有微弱电压输出，但立即变为0V。
分析和检修：先观察开关电源的元器件无烧毁变色变味迹象，接着用万用表监测输出电压，开关接通一瞬间有电压输出，还没来得及看大小立即变为0V。根据原理分析，能够有瞬间输出，说明启动电路基本正常，但电源不能维持振荡，可能是因为保护或自身电路出问题。把所有负载断开，接上一灯泡做负载，通电，故障依旧，不是因为保护而停振。检查开关管基极有关元件，重点检测振荡控制元件，当检测C514时发现其容量偏低，试用相同参数的新电容更换，再开机时电源工作一切正常，试机一段时间后正常，故障排除。原因是C514已经接近开路，电源在启动一瞬间有电压输出，但不能建立振荡，所以电压立即变为0V。
实例4：
故障现象：开机后图像在垂直方向上有S形扭曲。
分析和检修：先观察开关电源的元器件无烧毁变色变味迹象，用万用表检测各组输出电压值和正常值相差不大。根据原理分析此类故障多数由电源滤波不良而造成，直接用示波器观察开关管V513基极波形，发现除了有正常调制的脉冲信号外，还看到低频脉冲信号，果然是由于低频干扰存在纹波而造成图像S扭曲。关机，用电阻法检测整流滤波电路和与V513基极有关的各个元件。首先检测C507、C518主滤波电容，用仪表检测C507的容量由原来的100uF变成60uF，试用一原参数电容更换，发现图像正常，故障排除。
四、结束语
通过对长虹G2136（K）彩电开关电源原理分析和故障检修，我不断总结和积累经验，举一反三，深刻体会到“维修”是一门理论与实践紧密结合的技术，促使我今后加强专业理论的学习，进而指导实际检修操作。
参考文献
[1]钱如竹，主编.大屏幕彩色电视机速修方法与技巧[M].人民邮电出版社，1999，10.
关键词 开关电源；智能仪表；故障判断
中图分类号 TM46 文献标识码 A 文章编号 1673-9671-(2012)081-0236-01
随着科学技术的不断发展，智能化的产品越来越多。目前，我国电力行业方面，已经大量研发了智能设备，而智能仪表也在其中。开关电源在智能仪表中的使用也越来越普遍，但是在使用中往往会出现一些故障，这就需要相关工作人员给予及时的判断与处理。智能仪表是一种高新技术产品，它具有精度高、可靠性强等特点，而开关电源在其中的使用出现的故障，往往需要用专业的眼光去判断。
1 开关电源的工作原理及其在智能仪表中的应用
1.1 开关电源的工作原理
开关电源主要由主电路、检测电路、控制电路以及辅助电源等部分组成，它的功率半导体器件采用的是开关元器件，而开关采用的是周期性通断型开关，通过开关元件的占空比的调整来实现电压的输出。它的具体工作原理为：接通开关元件后，输入的电源先通过开关，然后经过滤波电路，最后向负载部分输送能量；断开开关后，电路中的储能装置则向负载释放能量（这部分能量相当于开关接通时电路所储存的能量），这样便能让负载拥有稳定、持续的能量。
1.2 开关电源在智能仪表中的应用
从目前来看，我国大部分智能仪表都是采用开关电源为其进行供电，因为开关电源具有电路简单且效率高等优点。智能仪表中使用的开关电源一般都采用脉冲调制器，型号包括TOP220、TOP221、TOP222等，这是一种二合一元件，其内部包括了PWN控制器与MOS-FEET功率开关管。此外，智能仪表在内部空间的设计上都比较狭窄，电源内部各个元件之间的距离也比较近，尤其是电解电容与稳压元件之间距离特别近。
2 常见的故障判断
由于开关电源得到了广泛的使用，其在智能仪表中的运用也越来越普遍，但是具体的使用过程中出现的故障问题也非常普遍。本文将对常见的几类故障判断进行阐述，具体来讲有以下几个方面：
2.1 开关电源保险丝的熔断判断
一般而言，开关电源的保险丝产生了熔断，则表示其内部线路必定出现了问题。开关电源往往在强电流与高电压下工作，而电网的电压波动、浪涌等情况均能导致开关电源的内部电流瞬间增大，增大的程度往往会超过开关电源的最大负荷能力，继而引发保险丝的熔断。当判断出了开关电源保险丝的熔断后，应该重点检查其输入端的逆变功率开关管、整流二极管以及高压滤波电解电容等部件，检查是不是这些部件出现了损坏，或者有无击穿、开路等现象。当查出了属于某部件的损坏引发的保险丝熔断，更换了部件后不宜立刻开机，而应该等一段时间后再连接通电。智能仪表所能承受的负载有一定的限度，当其他高压元器件出现了故障，而开关电源内部更换了新元件后，立刻通电易导致新元件的损坏。只有对电路中的相关高压元件一一进行全面检查，才能彻底判断出保险丝熔断的故障。
2.2 电压输出不稳定或无直流电压输出判断
假如开关电源的保险丝是好的，在加了负载情况下，却没有直流电压的输出，产生这种情况的主要原因在于：开关电源中存在短路、开路，辅助电源出现故障。电源负载过大，滤波电容漏电以及振荡电路没有工作等。面对这种情况的判断，应该使用万能表检测次级元件，待排除了负载短路与高频整流二极管击穿等情况后，假如输出依然为零，那么便能肯定问题出在开关电源的控制电路上；假如输出了少部分的电压，则表示前级电路的工作正常，问题可能出在高频整流滤波电路上。低压滤波电容与整流二极管组成了直流电压的输出部件，若整流二极管被击穿则会导致电路中无电压，而滤波电容的漏电也会引起输出的电压不稳定。
2.3 电源负载能力差的判断
在老式开关电源中，电源的负载能力一般都比较差，而对于智能仪表而言，电源负载能力差主要在于工作的时间过长。工作时间过长，容易导致开关管的工作不稳定、不能够及时散热。在这方面的判断上，应该及时检查稳压二极管的散热情况是否良好，整流二极管是否损坏等。
3 基本的处理措施
前文对开关电源在智能仪表中使用出现的故障进行了一番分析，可见开关电源自身的故障问题会影响智能仪表的正常运行。要处理好这些故障，可以采取以下几个基本措施：
3.1 及时替换损坏元器件
在故障判断中，若检查出了是某个元器件发生了损坏现象，或者只是怀疑它有问题，就应该将它及时从原位置上取下，然后对其进行彻底的检查与分析。当然，这个过程对于用接线或者插座集成的电路比较方便，而对于那些直接焊接在电路板上的集成电路芯片而言，那就显得有些难度。因此，在换取损坏的元器件时，应该抉择最佳的处理方法。这里有以下几种方法：
1）使用“塑料吸管”，即使用一种不带电烙铁的吸锡器。
2）采用特制的大号注射针头将其磨平，然后再用烙铁加热焊锡将它熔化，同时快速将针头插下去，促使焊锡和端子分离。
3）先用一根铜丝束带与焊锡接触，再加热焊点四周的铜束，铜束便会迅速升温，同时把热量传给焊锡，导致焊锡的熔化，最后在毛细作用下进入铜丝束带，焊锡便被吸走了。
4）采用熔焊头或“起出器”等专用工具。
3.2 确保输入电压的稳定性
输入的电压不稳定，会对智能仪表内部产生危害，因此要确保输入电压的稳定性。在具体的操作过程中，首先要检查输入电压的标准值以及范围，最好在智能仪器允许通过的范围之内；在输入电压的时候，要随时观察电压的变化，若变化过大，应该立刻终止电压的输送，进行相应的处理，尽可能地减少电压的波动。比如，可以安装一个合适的变压器，合理控制电压的变化，达到范围的变化最小，从而实现电压稳定输送。
3.3 减少运行中的负载
在使用过程中，要尽量减少运行中的负载，这样能降低内部的温度，从而减小由于温度过高对开关电源以及智能仪表的危害。对于某些拥有很多负载的电路环境，应该根据实际情况进行一定的处理，比如关闭那些无关紧要的负载或者将负载的数量进行一定的调整，以便有效控制运行中的负载。
4 结束语
开关电源在智能仪表中的使用越来越广泛，但是出现的故障问题也越来越频繁，这就需要相关工作人员随时注意检修，确保开关电源在智能仪表中的正常使用。
参考文献
[1]曹保国.微机智能仪表供电用开关电源[J].农机化研究,2002,4:170-171.
[2]傅首昌.EX(S)系列PLC开关电源常见故障的维修及改善方法[J].建材与装饰:中旬,2012,3:132-132.
1、开关管工作原理是就是利用电子开关器件(如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等)，通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DCAC、DCDC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。
2、开关电源一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。
3、随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。
（来源：文章屋网 ）
关键词：开关电源；准谐振变换；零电压开关 中图分类号： 文献标识码： 文章编号：
0 引 言
随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于电子设备，是当今电子信息产业不可缺少的一种电源方式[1]。
由于开关电源频率的提高，开关电源苦工作在硬开关状态，开关管开通时，开关管的电流上升和电压下降同时进行。关断时，电压上升和电流下降也同时进行。电压、电流波形的交叠产生了开关损耗，该损耗随开关频率的提高而急剧增加。为了提高电源的效率，就必须减少开关管的开关损耗。也就是要求开关电源工作在软开关状态。
软开关技术实际上就是利用电容与电感的谐振，以使开关管上的电压或通过开关管的电流按正弦或者准正弦规律变化，在减少开关损耗的同时也可控制浪涌的发生。在软开关技术中，有全谐振、准谐振、多谐振等变换方式[3]。本文引入准谐振变换方式来提高开关电源的效率。
1 反激式准谐振变换基本工作原理
图1反激式准谐振开关电源的原理图
图1所示为反激式准谐振开关电源的原理图，其中：RP 包括变压器初级绕组的电阻以及线路电阻，T为开关变压器，Lm 为初级励磁电感量，Llk为初级绕组漏感量，VT为MOS开关管，VD为整流二极管，Co为滤波电容，电容Cr为缓冲电容，也是谐振电容，包括开关管VT 的输出电容COSS ，变压器的层间电容以及电路中的其他一些杂散电容。
图2反激式准谐振开关电源的工作波形
准谐振变换的工作波形如图2 所示，在准谐振变换中，每个周期可分为4个不同的时间段，各时间段分析如下：
（1）t0～t1 时段
开关管导通，输入电压 全部加到初级电感 （ 包括励磁电感Lm和漏感Llk）上，电感电流以斜率 线性增大。此时能量被存储在初级电感中(称磁化)，开关管的漏源极电压 = 0，整流二极管VD 截止。电流达到 后开关管被关断。
开关管开通时间 为：
（1）
（2）t1 ～t2 时段
t1 时，MOS开关管被关断。先是Lm与Llk串联对 充电，由于 两端电压不能突变，开关管的漏源极电压以斜率为
上升。随着 的充电，当 两端电压为 时( 为整流二极管VD的正向导通电压，N为变压器T的初次级匝数比)，VD导通，储存在变压器中的能量通过变压器由次级绕组释放给负载，并给电容器Co充电。然后Llk 和Cr发生振荡，由于RP的存在，该振荡为阻尼振荡。若忽略漏极上的其他电容的影响，其峰值电压为：
果 ,尽管VT无法实现零电压开通，但是在t4时刻导通仍然可以最大程度地减小VT的开通损耗。
从以上四个时段的分析可知，谐振元件仅参与某一时段的能量变换，没有全程参与，故称为准谐振变换。
2 电路实现
图3 基于TEA1751的准谐振反激式开关电源的原理图
图3就是基于TEA1751的准谐振反激式开关电源的电路图，主要元器件有：主芯片TEA1751、变压器T2、场效应管S2、谐振电容C7、输出整流管D2、光电耦合器IC2、基准电压源IC1等，其中TEA1751内部有启动电流源、频率控制、输出驱动、过热保护、过压保护、过流保护、过载保护等电路。
AC 90V-264V电压经过整流器BD1整流和C1滤波，经L1、S1、D1、C10的功率因素校正电路后得到直流高压电压，此直流高压经过中心抽头和电阻R13连结至TEA1751的16脚，通过TEA1751内部的高压电流源穿过TEA1751 的1脚向C9充电。当1脚电压上升至22V时，TEA1751由1脚供电。TEA1751的13脚输出开关脉冲，控制开关管S2的开通与关断，高压直流电压通过变压器T2的初级绕组、S2、R11到电源的地端。此时T2通过初级绕组存储能量。利用变压器的同名端作用。这时的次级线圈整流管D2因反向电压而截止。只有当S2关断，初级绕组电流有减小趋势时、此时S2初级绕组存储的能量通过S2的次级绕组、次级整流管D2向电容 Cout充电与负载供电,产生Uo输出电压。输出电压经过R15，R16电压取样以及与IC1基准电源、取样信号放大电路，再经过光电耦合器IC1对TEA1751的3脚设置反馈控制电压，以达到稳定输出电压的目的。过流检测电阻R11 上的电压也经过R10加到TEA1751的10脚。
开关变压器的磁复位检测由辅助绕、R12、TEA1751的4脚组成。辅助绕组是去磁检测绕组，其两端电压波形与开关管S2的漏极电压基本相同。该电压一方面经过D2、C9整流滤波后，给芯片TEA1751的1脚供电，另一方面，电压通过R12直接通连结至TEA1751的 4脚。TEA1751的内部电路监视4脚电压波形，以便在去磁时段未结束前不输出开关脉冲，并能将开关管S2控制在漏源极电压降到谷底时开通。同时TEA1751的4脚还具有过压保护和过功率保护的作用。
3 实验结果
关键词：开关电源；应用；原理
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，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向下移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。
1.开关电源的分类
人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，也有AC/AC和DC/AC， 如逆变器。
开关电源工作方式主要有两种，一种是自激式，这种方式是不需要外加激励信号电路即能自行振荡，也可以把自激式看做是一个变压器反馈式振荡电路；另一种是它激式，这种方式就是完全依赖外部来维持振荡。在实际应用中自激式电源的应用较为广泛，比如在家用电器中使用的开关电源，将220V的交流电经过桥式整流，变换成300V左右的直流电，滤波后进入变压器后加到开关管的集电极进行高频振荡，反馈绕组反馈到基极维持电路振荡，负载绕组感应的电信号，经整流、滤波、稳压得到的直流电压给负载提供电能。
2.开关电源的新技术
这里所说的新技术，指在最近几年发展起来的开关电源技术。
2.1软开关技术
软开关技术是使功率变换器得以高频化的重要技术之一, 它应用谐振的原理, 使开关器件中的电流(或电压) 按正弦或准正弦规律变化。当电流自然过零时, 使器件关断(或电压为零时, 使器件开通) , 从而减少开关损耗。它不仅可以解决硬开关变换器中的硬开关损耗问题、容性开通问题、感性关断问题及二极管反向恢复问题, 而且还能解决由硬开关引起的EMI等问题。
目前无源无损缓冲电路是实现软开关的重要技术之一, 在直流开关电源中也得到了广泛的应用。软开关的工作原理是MOS管关断后电路中的Lr与Cr间发生谐振，电压和电流的波形类似于正弦半波，谐振减缓了开关过程中电压和电流的变化，而且使MOS管两端的电压在其开通前就降为零。
2.2同步整流技术
同步整流技术就是用具有低导通电阻特性的MOSFET代替传统的肖特基整流二极管，由于MOSFET的正向压降很小，所以大大降低了整流部分损耗。在开关管动作的同时，对MOSFET给出[全文]时序随电路拓扑工作要求作相应变化的门极驱动信号，由于门极驱动信号与MOSFET开关动作接近同步，所以称为同步整流(Synchronous Rectification ,简称SR) 。与肖特基二极管的整流方式相比较，很显然，在低压大电流的应用中采用同步整流技术可以获得更高的效率。
2.3多相变换器技术
多相变换器（Multiphase Converter）的概念是大约5年前提出的，针对的应用场合就是微处理器类的负载，因为该类负载对电源的动态响应、纹波的要求非常严格。要满足这样的要求，电源需要工作在非常高的频率，但开关器件的开关速度和损耗成为难以解决的问题。这种情况下，多相变换器的概念应运而生，即采用多个变换器并联的拓扑结构，在开关信号上作统一控制，实现几个变换器在一个完整周期内轮流交替运行，这样，开关损耗被几个变换器分担，而开关频率则是几个变换器的叠加。
3. 开关电路拓扑结构的选择
开关电源的电路多达几十种，选择电路拓扑是一项非常重要的工作，因为像元器件选择、磁芯元件选择、环路补偿等都取决于电路拓扑。每种电路拓扑结构有各自的特点，工作过程不一样，应用场合也不一样，要根据电源的要求和技术指标来选取合适的拓扑结构。
电路拓扑的种类包括buck变换器、反激式变换器、正激式变换器、buck-boost变换器、推挽变换器、谐振变换器、软开关变换器和符合变换器等，其选择时需要考虑的因素包括电源是升压还是降压，占空比的实际限制，输出的组数，是否需要隔离，EMI的要求，开关器材选用双极型晶体管还是MOPSFET，工作电流是否连续，控制模式是电压控制还是电流控制模式等。
4.开关电源技术的发展动向
【关键词】全桥软开关电源；负载-效率最佳工作点；电源休眠；绿色；节能；创新
1.解决损耗的办法
1.1变硬开关为软开关
在众多损耗中，最重要的损耗是开关电源在开关过程中由于电流和电压的交叉导通产生的热损耗，所以改变电源的工作状态，即变硬开关电源为软开关电源是根本解决办法。
1.2提高电源的负载
从图1可以看出：开关电源在40%额定电流输出区间以下，整流器的效率是比较低的，而且输出电流越小效率越低。但整流器的持续工作电流过大一旦达到或者超过额定工作电流，其工作稳定性要受到影响，因此，从提高整流器的工作效率来讲，我们有必要采取措施确保开关整流器工作在40%-80%的负载区间内。
综上所述，现有开关电源系统的缺陷是：开关整流器没有得到合理的利用，工作效率低，热损耗大，浪费资源。有必要采取合理的技术措施，避免多个整流器工作在效率较低的负载率区间内，提升整个开关电源系统的工作效率，降低热损耗，达到节能的目的。
2.解决电源损耗带来的问题
2.2可靠性的问题
电源的可靠度是时间和负载的函数，时间越长，可靠度下降，负载越大可靠度越低，本来电源是并联工作在小负载状态，当认为提高负载后电源的可靠度下降，故可靠性设计重要的一个方面是负载率的设计，根据元器件的特性及实践经验，元器件的在小负载率下工作时，电源系统的可靠性较高的。
2.2电源冗余设计的问题
冗余电源是用于服务器中的一种电源，是由两个完全一样的电源组成，由芯片控制电源进行负载均衡，当一个电源出现故障时，另一个电源马上可以接管其工作，在更换电源后，又是两个电源协同工作。冗余电源是为了实现服务器系统的高可用性。除了服务器之外，磁盘阵列系统应用也非常广泛。电源冗余一般可以采取的方案有容量冗余、冗余冷备份、并联均流的N+1备份、冗余热备份等方式。容量冗余是指电源的最大负载能力大于实际负载，这对提高可靠性意义不大。冗余冷备份是指电源由多个功能相同的模块组成，正常时由其中一个供电，当其故障时，备份模块立刻启动投入工作。这种方式的缺点是电源切换存在时间间隔，容易造成电压豁口。并联均流的N+1备份方式是指电源由多个相同单元组成，各单元通过或门二极管并联在一起，由各单元同时向设备供电。这种方案在1个电源故障时不会影响负载供电，但负载端短路时容易波及所有单元。冗余热备份是指电源由多个单元组成，并且同时工作，但只由其中一个向设备供电，其他空载。主电源故障时备份电源可以立即投入，输出电压波动很小。对于一些需要长时间不间断操作、高可靠的系统，如基站通信设备、*设备、服务器等，往往需要高可靠的电源供应。冗余电源设计是其中的关键部分，在高可用系统中起着重要作用。冗余电源一般配置2个以上电源。当1个电源出现故障时，其他电源可以立刻投入，不中断设备的正常运行。这类似于UPS电源的工作原理：当市电断电时由电池顶替供电。冗余电源与UPS的区别主要是由不同的电源同时供电，而UPS则是一个电源供电另一个则随时备用，有需要时自动切换。传统的冗余电源设计方案是由2个或多个电源通过分别连接二极管阳极，以“或门”的方式并联输出至电源总线上。如图1所示。可以让1个电源单独工作，也可以让多个电源同时工作。当其中1个电源出现故障时，由于二极管的单向导通特性，不会影响电源总线的输出。
3.两全其美的解决办法
3.1软件办法的电源休眠技术
从2009年开始，国内各开关电源厂家陆续推出了结合自身电源产品的软件休眠节能技术，其普遍的技术原理是：厂家根据自身的开关整流器的负载-效率特性，预设一个合理的负载率区间，通过电源系统监控单元实时采集整流器输出电流与总负载电流，计算判断需要工作的整流器数量，然后通过整流器遥控开/关机命令实现对整流器的软关机和开机，达到休眠节能的目的。
3.2硬件办法的电源轮流工作技术
节能控制器不依赖于开关电源监控单元，而是独立实现对整流器输出电流总和各模块工作状态的检测，通过预先设定的整流器工作效率区间，判断当前负载情况下需要工作的整流器数量，然后控制加装在整流器交流输入前端的继电器，控制整流器的市电输入通断，通过冷备份方式来达到休眠节能的目的。
4.结束语
采用电源休眠技术控制的开关电源，不仅可以提高整个电源系统的工作效率，减少能源损耗，还可以对电源输出状况进行监控，有效实现了“该干活时就抡起膀子大干，该休闲时就安静的休闲”的工作模式杜绝了“干也不好好干，休也休不好”的工作模式，减少了因电源闲置和怠工产生的浪费和损失。
参考文献：
[1] 王兆安， 黄俊. 电力电子技术[M]. 北京： 机械工业出版社， 2008.
[2] 王增福， 李昶， 魏永明. 软开关电源原理与应用[M]. 北京： 电子工业出版社， 2006.
[3] 倪海东， 蒋玉萍. 开关电源专用电路设计与应用[M]. 北京： 中国电力出版社， 2008.
[4] 谢自美. 电子线路设计实验测试. 武汉： 华中科内蒙古大学学报[J]， 2006.
关键词：电子维修 技工 技师 电源 检修
彩电原理与维修是中职、高职电子技术专业必修课之一，也是电子维修技工、技师的考试科目之一，因其结构、原理较复杂，故障检修有一定难度。整机电路中开关电源电路的故障率最高，且其工作电压高、电流大和整机其他电路关联密切，容易产生二次故障，是维修、考试中的难点，尤其是初学者往往感到无从下手。在这里根据其故障机理及以往一些经验以一个专题的形式归纳、总结其主要检修方法、步骤。
一、开关电源始终无输出（保险管正常）的故障检修
1．测开关管集电极电压为0或远低于300v，检查交流220V输入电路及整流滤波电路；若集电极电压正常，检查开关管b极电压。
2．测开关管b极电压或者在关机瞬间，用指针万用表Rx1挡，黑笔接b极，红笔接热地，如听到震荡声音，说明开关振荡部分正常，是启动电路开路或断路问题。若无声，在测发射结后，迅速将表转到电压挡，测c极电压是否快速泄放。若是，则开关管及其放电回路均正常，正反馈电路存在故障，包括反馈电阻、电容、续流二极管、正反馈绕组及其开关管故障。若c极电压仍不泄放，说明开关管及其回路有开路故障或b极有短路接地故障。
二、开关电源瞬间有电压输出的故障检修技巧
1．假负载法：断开行供电，在B+接假负载，监测B+电压（应先将电压表接到位，开机后即关机）。如果高于正常值十几伏以上，可判断故障是由开关电源输出过压，并击穿行输出管所致，或电源本身的保护电路动作关断电源。应对控制开关电源输出电压的脉宽调制电路和振荡定时电容进行检查（后面将专门讲述）。
若开关电源B+正常，则变换负载或改变市电压观察B+是否稳定输出，对于直接取样电源可空载，以便更好地判断开关电源的稳定性能，若确认其良好，则故障系负载过流或保护电路动作所引起。
2．检查保护电路：当B+正常时，测B+对地阻值，看是否直流输出端对地短路。若没短路，恢复行负载,开机测保护电路取样电压，逐一监测各保护检测支路，直致查出故障点，不要轻易取消保护电路，因断开保护机器失去保护功能，如果当时开关电源输出电压过高，引起灯丝电压过高等故障，会造成严重的后果。
若确实找不出故障点，可以断开过流保护电路，因过流故障充其量损坏故障电路中的供电回路元件，如限流电阻等，不会损坏末端负载。
三、开关电源输出电压高的故障检修技巧
1．判断整流滤波电路是否为倍压整流状态：测开关管集电极电压，若比交流供电电压高出1.4倍以上，可判断为开关管集电极电压高所致，应对倍压整流电路进行检查。对于电网电压比较正常的地区，可以拆除倍压整流滤波电路，降低电源故障率。
2．用替换法判断振荡定时电容是否不良。
3．脉宽调制电路故障也可导致电压升高。
（1）调整交流电压法
用调压器改变交流输入，使B+保持在略高于正常值，然后测脉宽调整电路中各级三极管的b、e、c极电压，光耦①、②脚间压降变化，看其是否与稳压原理相符或变化趋势一致，测到某一点与稳压原理应得值相反，说明被测点的这一级有故障，不能正确传送稳压信息，使稳压失败，应逐一检查相关元件。
（2）分割法（适用于直接取样电源）
以稳压反馈光耦为分水岭，对电路实行分割，确定故障范围，短路光耦③、④端，观察B+变化。
a.B+严重下降或停止输出，说明热底板部分正常，故障点在B+取样电路及光耦。
b.变化不明显或无变化，说明热底板部分有故障，详细检查此部分的脉宽调整电路。点检查脉冲调整电路工作电压的形成电路，如滤波电容、整流管等，应采用替换法，还应检查代换各调整管和相关元件，检查铜皮是否断路。
注意事项：检修电压高的机器，应尽量脱开各负载，B+接假载，避免故障扩大，特别是CPU+5V供电取自同一电源的机器，还用采取保护措施，防止CPU损坏。
四、开关电源输出电压低（带负载能力差）的故障检修技巧
电压低可能涉及到开关电源自身的各个部分和与开关电源相关的所有电路，在检修时应先缩小故障范围。
1．先测开关管c极电压，确认开关管供电正常。
2．根据开关电源各个输出端电压判断故障。
（1）开关电源有的输出端电压正常，有的低于正常值。故障在输出电压低的这个整流输出电路，应对电路中的限流电阻、整流二极管、滤波电容进行检查代换，若限流电阻发烫，说明负载过流，查负载。
（2）开关电源各路输出均低。
这种情况说明负载和整流输出电路均正常，故障在开关电源的正反馈电路、脉宽调整、开／待机电路、保护电路。
（3）输出电压有的下降比例大，有的输出电压下降比例小。
测量结果说明故障在输出电压下降比例大的电路。此时可断开此路负载，如果断开的是行电路，应接假负载。在断开负载后，再测开关电源各输出端电压，若恢复正常，可判断所断电路的负载有过流现象。若仍不正常，说明故障在该整流滤波电路。
3．断开主负载、接上灯泡，判断是否负载故障。
有些收台图闪、带负载后电压不稳的机器，难于鉴别故障是在电源或是负载时，可以采用“借法”，用此电源带同等尺寸、相同B+电压的另一台机器行负载，进行判断。
4．保留启动、正反馈、软启动及负反馈电路。逐一取消各种保护电路、待机控制电路末端三极管。开机观察故障是否消除，确定故障范围。
注意：兼有稳压作用的电路不能断开（例如光电耦合器）。断开保护电路时，须谨慎，并采取防止电压升高的措施。查热地部分的负反馈方法与检查电压高的方法相近，采用使B+输出高的思路（注意改变工作点不能造成B+过高扩大故障）。
引言
随着社会信息化的不断发展以及先进制作工艺的不断提高，作为大屏幕壁挂式电视和高质量多媒体信息显示的终端——彩色交流等离子体显示器（AC-PDP）,其屏幕做得越来越大，功耗越来越小，电路结构越来越简单，成本也越来越低。而电源作为AC?PDP的一个重要组成部分，也向着小型化和简单化的方向发展。
传统的AC?PDP电源一般采用两级方案，即PFC级＋DC/DC变换的电路拓扑结构。它们分别有各自的开关器件和控制电路。尽管其能够获得很好的性能，但其体积过大，成本太高，电路比较复杂。因此，对其进行小型化改造也成了AC-PDP技术研究的一个方向。
由于AC?PDP驱动控制电路的复杂性，导致了其开关电源的复杂性。分析可知，不管从传输能量角度还是从所占体积的角度，PFC模块和扫描驱动电极DC/DC变换模块都占有相当大的比例。因此，对这两部分的改造就成为AC-PDP开关电源小型化改造的一个切入点。本文根据单级功率因数校正的工作原理，提出了一种AC-PDP电极驱动电源模块改进方案。
1 单级PFC维持电极电源模块的拓扑结构及工作原理
本文采用的单级功率因数校正变换器电路拓扑结构如图1所示。单相交流电经全波整流后，通过串联两个感性ICS（Input?currentshaping）接到双管反激的DC/DC变换单元。
图中的两个ICS单元完全相同，即LB1=LB2，LD1=LD2，N1p=N1n。采用这种双ICS的单元结构是为了减小储能电容器上的电压以及流过开关管的电流。
下面通过开关管的动作过程分析整个电路的工作原理以及工作过程。
1）S1和S2导通期间其简化电路如图2（a）所示。开关管导通，储能电容经图2（a）中右边回路释放电能，反激变换器TR开始储能，iDC由零开始上升。线圈N1p及N1n分别感应产生左负右正和左正右负的电压，D1n和D1p开始导通，D2n和D2p截止。Vin经图2（a）中左边的回路给储能电容CB1及CB2充电，iin开始上升，电感LB1，LB2，LD1，LD2充电。
因为VLB1=VLB2，VLD1=VLD2，为了分析方便，令
VLB=VLB1＋VLB2=2VLB1VLD=VLD1＋VLD2=2VLD1在右边的回路中，根据基尔霍夫定律有
VLB＋VLD=Vin－VB(1-2N1/Np)>0 （1）
式中：Vin为全波整流后的输出电压，即Vin=
Vs|sinωt|；
VB=VB1＋VB2；
N1为绕组N1n及N1p的匝数；
Np为反激变换器原边主绕组的匝数。
又因为
VLB=VLB1＋VLB2=LB1(diin/dt)＋LB2(diin/dt) （2）
VLD=VLD1＋VLD2=LD1(diin/dt)＋LD2(diin/dt) （3）
将式（2）及式（3）代入式（1），可得
(LB＋LD)(diin/dt)=Vin-(1-2N1/Np)VB（4）
所以
diLB/dt=Vin-(1-2N1/Np)VB/(LB+LD)
式中：LB=LB1＋LB2；
LD=LD1＋LD2。
2）S1和S2截止期间
简化电路图如图2（b）所示。此时iDC等于零，反激变换器给负载供电。线圈N1P及N1n分别感应产生左正右负和左负右正的电压，D1n及D1p反向截止，D2n及D2p续流导通。根据基尔霍夫定律有
VLB=LB=Vin－VB<0所以=<0
所以diLB/dt=(Vin-VB)LB<0
从上面的分析可知，当Vin<VB时，D1n，D1p，D2n，D2p全部截止，电流iin为零，电感LB1及LB2中没有电流流过，即回路电流iin存在一个死区θ（deadangle），是不连续的。也就是说，在半个工频周期内，只有一部分时间电感LB的电流连续工作，iLB在半个工频周期内的波形如图3所示。
由图3可以看出，当输入电压为交流正弦波时，其输入电流为一含有高频纹波的近似正弦波。两者相位基本相同，提高了输入端的功率因数。
2 试验结果
根据4电极42英寸（107cm）彩色PDP驱动电路的要求，设计驱动电源模块的参数为：
输入电压AC170～250V；
输出电压DC200～240V；
输出电流1A。
实验电路采用UC3845作为开关管的控制芯片，开关的工作频率为80kHz。DC/DC变换部分采用双管反激电路。
实验测得，当输入电压为AC220V，50Hz，输出功率为240W（240V/1A）时，系统的功率因数为0.786。转换效率为72.5％。此时得到输入端的电压电流波形如图4所示。
关键词 Boost变换器;建模;电压控制模式;小信号;仿真;连续导通模式
中图分类号 TM4文献标识码A文章编号 1674-6708(2010)18-0066-03
The Modeling and Design for Boost Converter of Small-signal Model Voltage Control CCM Mode
REN Zhiqiang1,CAO Wensi2
1. Zhoukou Architectural Design and Research Academy,Zhoukou466000,China
2. North China Institute of Water Conservancy and Hydroelectric Power,Zhengzhou450011,China
Abstract For the time-variant and non-linear characteristics of Boost Converters,
the operation modes and the work principle are analyzed. The small signal math model of Boost DC -DC converter is established using the state- space averaging method, The closed-loop control system of voltage mode control was built with mathematical models. the waveforms of simulations of typical Boost converter circuit models and mathematic models were compared by MATLAB software, Simulation results accord with theoretical analysis, showing the validity of proposed modeling method. The simulation result of the closed control system of voltage mode control shows the system is stabile. The method how to select parameter of DC -DC converter is presented.
KeywordsBoost Converters;modeling;voltage mode control;small signal;simulation;CCM
0 引言
直流-直流升压变换器在单相功率因数校正(PFC)电路、电动机传动和其他交直流电源中得到广泛的应用[1-2]。直流-直流变换器是一个典型的非线性系统,运行中必然存在着丰富的线性及非线性现象[3-4]。为了设计优良的变换器控制器,需要对变换器系统的各种动态过程进行细致的观察和分析,对变换器系统运行特性分析及运行状态预测的工作通常是以变换器数学模型[5]为研究基础。
本文基于在低频、小信号、小纹波3个假设条件下利用状态空间平均法[6-7]建立了CCM模式下Boost变换器小信号模型,并按照其数学模型组建了电压控制模式闭环控制系统。并应用MATLAB对Boost变换器的电路模型和状态空间平均法数学模型进行仿真对比,仿真结果与理论分析一致,证明了所提出的建模方法的正确性。同时对电压模式控制系统进行仿真,表明系统是稳定的。并给出了设计DC-DC 变换器参数选择方法,为实际开关电源系统的设计和调试提供了新的思路。
1 Boost变换器工作原理与建模
1.1 Boost变换器工作原理
Boost 电路的基本拓扑电路如图1 所示。Boost DC-DC变换器由功率开关S、储能电感L、续流二极管D、滤波电容C、负载电阻R、电感线圈的电阻 和输入电压 组成。变换器有电感电流连续和断续两种工作方式[3],开关电源变换器工作在连续模式时: ,开关电源变换器工作在连续模式时: 。设电路在CCM工作模式,电路分开关S导通和开关S断开两个阶段,开关S导通时,为电感L储能阶段,此时电源不向负载提供能量,负载靠储于电容C的能量维持工作,开关S断开时,电源和电感共同向负载供电,此时还给电容C充电。
1.2 建模分析
DC-DC 变换器的建模方法较多,这里采用状态空间平均法。因为这种方法是平均法的一阶近似[8],其物理概念清楚,可利用线性电路和古典控制理论对DC-DC 变换器进行稳态和小信号分析。
若DC-DC变换器工作于CCM,可由式(1)、 (2)描述它的两个线性工作模态:
式(1) 和式(2)中为功率开关管导通占空比, ,为导通时间,T 是开关周期; ,是状态变量, 是电感电流, 是电容电压, 是开关变换器的输入电压;为输出状态变量;A1,A2,B1,B2,C1,C2是系数矩阵,与电路结构和参数有 关。
电压型控制方式的基本原理图如下图2所示,系统输出电压(V0)经过采样得到图中的VFB。VFB与基准电压Vref比较,误差放大后得到Vc,PWM比较器将Vc和固定频率的锯齿波(Vs)比较,输出一组控制脉冲控制功率开关管V的导通和关断。这些脉冲的宽度随误差信号Vc的变化而变化,它们决定输出能量的大小,当负载消耗能量增大时,脉冲宽度增大;负载消耗能量减小时,输出脉冲宽度减小,这样维持输出电压相对稳定。
2 Boost变换器电路设计
2.1 主电路设计
假设输入电压选定为Vi=5V,输出电压定为V0=10V。
2.1.1 开关频率的确定
提高电源开关频率,可以相应减小电源体积,但同时开关损耗也急剧增加,工作频率( )和开关损耗( )的关系大致为:
,在本仿真实验中开关频率定为10kHZ
2.1.2 占空比的确定
考虑二极管正向压降后, ,当采用同步整流技术后由于整流管压降很低所以其压降不予考虑, 。
2.1.3 输出滤波电容的确定
输出滤波电容的选择与电源变换器的类型、最大输出工作电流和开关频率等因素有关.目前所使用的电容大多数是低ESR值的电解电容。可根据允许输出电压脉动的峰-峰值来设计电容
=
依据ESR(等效串联电阻)最小的原则考虑来选择输出滤波电容。本设计中选择电容值为2 000,由此可见,输出电容越大,开关频率越高,则输出纹波越低。
2.1.4 输出滤波电感的确定
电感的作用是保持恒定的电流,即限制电流的变化率,电感值正比于输入电压而反比于输出功率。电感的大小决定了开关电源主回路处于CCM还是DCM工作状态。根据式
,为保证一定裕量,电感电流连续导通模式(CCM)时,选取大于的标准电感值50 。
2.1.5 开关管的确定
功率MOSFET的特点是开通关断速度快,采用电压方式驱动,对于本设计中的小功率DC-DC转换器,选用功率MOSFET作功率开关管是不错的选择。开关管的电流应力:。
开关管的漏源之间电压最大值出现在由导通转换为截止的瞬间,若连续二极管的开关特性是理想的,且设其导通时二极管正向压降为零,则电压应力为: , 考虑二极管正向压降,则有。据此可以选择开关管。
2.2 控制电路设计
2.2.1 PWM环节传递函数
在开关电源控制系统中,调节器的输出u为直流电平,与锯齿波相比较,得到占空比D随u变化地PWM信号,其原理如图3所示。因此PWM环节将控制量u由电压信号转换为时间信号D。
设us上升段的斜率为k,则占空比D与直流电平u间的关系为,
2.2.2 调节器传递函数
开关电源中的调节器,根据给定信号与反馈信号相减得到的误差信号来计算控制量u,用以控制开关的占空比,常用的调节器有比例-积分(PI)调节器和比例-积分-微分(PID)调节器。
PI调节器的传递函数为: ,还可以写成如下形式:
由于这一形式为比例和积分两项的和,因此,该调节器被称为比例-积分(PI)调节器, 比例-积分-微分(PID)调节器的传递函数为:
还可以表示为:它可以看成是比例、积分和微分项的和。
2.2.3 电压模式控制系统
利用上面建立的各个环节的传递函数,可以做出该系统的方框图如图4
(a)状态空间平均模型仿真结果(b)基于Matlab/Power System Blockset仿真结果
图5仿真结果
由上述参数可得,状态空间平均模型仿真参数为: =100,
250,=20000,=10000。仿真结果如图5(a),利用Simulink 中的Power system blockset模块库,对Boost变换器电路模型进行仿真,仿真结果如图5(b)。
3.2 电压模式控制系统仿真
。为了能使系统稳定,选 。使用Matlab可以仿真出系统的博德(Bode)图如图10所示,根据对数稳定判据,可知Z=P-N,其中P=0,由系统的传递函数得出,N为相频特性曲线穿越的次数,从上图所示可知N=0,所以系统是稳定的。
4 结论
分析了CCM模式下Boost变换器的工作原理后,基于在低频、小信号、小纹波3个假设条件下利用状态空间平均法建立了其小信号模型,并按照其数学模型组建了电压控制模式闭环控制系统。并应用MATLAB对Boost变换器的电路模型和状态空间平均法数学模型进行仿真对比,仿真结果与理论分析一致,证明了所提出的建模方法的正确性。同时,对电压模式控制系统进行仿真,表明系统是稳定的。并给出了设计DC-DC 变换器参数选择方法,为实际开关电源系统的设计和调试提供了新的思路。
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【关键词】 开关电源；多路输出；发展综述
中图分类号：TG434.1 文献标识码：A文章编号：
开关电源是通信设备中不可缺少的基础部件之一，伴随着通信产业的迅猛发展，越来越多的现代通信设备需要同时输入多路不同的电压对设备进行供电。为了满足现代通信设备需要多路电压对其进行供电的要求，有效的提高通信设备工作时的稳定性与可靠性，需要研制出稳定性好、可靠性高的多路输出开关电源，给通信设备工作的稳定性、可靠性提供有效的保证。
一、多路输出开关电源技术
早期人们为了实现多电源供电的需求，主要采用每个供电端均采用独立的开关电源进行供电。虽然这样能够使得各个输出电源都精确稳定，但是这样会使得电源系统的元器件繁多，而且尺寸也往往较大。同时，当各个部分的开关电源的开关管工作频率不相同时，就会产生拍频干扰。因此针对以上情况，人们考虑到需要采用单个变换器来实现多路输出的要求，因此才有了多路输出开关电源技术的发展。多路输出开关电源的整体稳压精度直接由其控制变量决定，只有在控制变量的个数不小于输出的支路数，才能实现各路的精确稳压。
二、多路输出开关电源技术综述
1、单变压器多绕组多路输出技术
图1所示为正激变换器的简单拓扑结构，即常规的单变压器多绕组多路输出技术，其主输出电压为Vout-m。
图1 单变压器多绕组多路输出变换器
此拓扑结构的主输出部分采用脉宽调制方式进行精确稳压，而辅助输出Vout-s，不进行反馈调节，只是通过变压器的交叉调节方式对辅助输出电压进行调整。采用这种调节方式所带来的问题主要是：(1)由于变压器存在一定的漏感及绕组电阻，使得辅助输出电压Vout-s出现交叉调节误差，从而导致辅助输出电压调节精度不高；(2)当电感L2上的电流或是电感L3上的电流不连续时，Vout-s变化显著。由于常规的单变压器多路输出模式设计简单，所以在对主路输出电压精确要求较高，而对辅助输出电压要求较低的场合得到了较为广泛的应用。
2、耦合电感多路输出技术
耦合电感多路输出变换器如图2所示，它是基于常规的单变压器多绕组多路输出模式上进行改进的。图中所示的滤波电感L2与L3按照正激变换器中变压器的绕制方法，绕制在同一磁芯上，主输出电压采用脉宽调制方式是进行精确稳压，辅助输出电压由变压器与耦合电感共同进行调节。跟变压器的交叉调节方式相比较，耦合电感的多路输出变换器其工作稳定。不足之处依然是变压器与耦合电感存在一定的漏感和绕组电阻，辅助输出电压Vout-s同样的存在交叉调节误差。
图2 耦合电感的多路输出变换器
3、磁放大器后置调节技术
由于常规的多路输出变换器技术与耦和电感多路输出变换器技术，都仅是对主输出电压进行反馈，而辅助输出电压部分处于开环工作状态，使得辅助输出稳压精度相对较差与负载调整率相对较低，这就直接导致了在辅助输出电压稳压精度要求较高，同时负载调整率也要求较高的场合，其应用受到了极大的限制。基于传统多路输出DC/DC变换器的一系列缺点，研究发现在辅助输出部分加入磁放大器后级调整模块，能够对辅助端的输出电压达到有效的调节，得到了性能较高的辅路输出电压。磁放大器利用电感能够饱和的特性来实现开关功能，它的作用就相当于一个功率开关器件：在饱和的情况下，磁放大器中的相对磁导率趋近零，磁放大器处于短路状态，相当于开关导通；在非饱和情况下，它的相对磁导率趋近无穷大，磁放大器处于截止状态。在磁放大器的材料选择上，因磁放大器采用高矩形度的饱和电感来充当电路中常规的开关器件，所以在实际的应用中要尽量选取B-H磁滞曲线较小的磁性材料。磁放大器后置调节技术的原理图如图3所示。
图3 磁放大器后置调节变换器
4、同步开关后置调节多路输出技术
经过长期的研究与分析，对磁放大器后置调节方式的不足加以改善，把后级电路的磁放大器换成功率开关管器件，也就是所谓的同步开关后置调节技术。其工作原理与磁放大器后置调节方式相同，同样是利用开关管的开关功能，对后级的输出电压进行二次调节，达到提高辅路输出电压的精确度与稳定性。同步开关后置调节多路输出变换器如图4所示
图4 同步开关的后置调节变换器
同步开关的后置调节方式，对主输出电压Vout-m进行闭环调节，辅路输出电压Vout-s利用功率开关管的开关原理进行二次调节，使多路输出变换器的各路输出电压精确度与稳定性得到了显著提高。同样这种调节方式也有它的一些缺点：当主控支路电感L2上的电流断续时，开关管Q1的占空比将变小，这就导致了辅输出电压Vout-s可调节的范围变窄，甚至导致辅输出无法调节。
三、多路输出开关电源新技术综述
1、单绕组实现多路输出技术
单绕组技术是相对于多个绕组而言的，是利用变压器同一个次级绕组产生多路输出的技术。拓扑见图5，以两路输出为例，该拓扑还同时应用了同步整流与同步开关复合的技术。其工作原理如下：在变压器电压变为正向之前，QR处于导通状态，在变压器的电压上升沿处QR关断，一段延时后，QF和QS导通，在所要求的PWM持续时间结束时，由二次侧控制器关断。图6是该拓扑使用脉冲后沿调制理想的开关和控制波形。
图5 同一次级绕组实现多路输出拓扑
图6 变换器理想的开关与控制波形
在隔离式多路变换器中，利用同一个绕组实现多路输出变换器很明显的一个特点就是将磁性元件的数量减到最小。同步整流与同步开关后置调节技术的复合使用，具有以下优点：①可实现QR与QF的零电压开通，二次侧的正向FETs自身带有一个开通延时，使初级侧开关零电流开关，实现高效率；②初次级没有任何信号需要传递；③初级侧可在固定的占空比下独立工作，没有交叉调节或最小负载要求；④所有二次侧开关自动与变压器波形同步，变换器只有一个工作频率，简化了EMI滤波设计；⑤应用同步整流技术，适用于需要多个值相近的低压大电流输出的场合。不足之处是同步整流技术的应用，使得驱动电路的设计较为严格，而且两组驱动之间需要一个延时电路。
2、单电感实现多路输出技术
这是一种非隔离型的多路输出变换器，拓扑见图7。该拓扑包含两个子变换器A，B，共用一个电感L和开关S1，采用分时复用(Time-multi-plexing)，实现两路电压输出，变换器工作在不连续导通模态(CDM)。
图7 单电感双路输出变换器
图8是SIDO变换器的TM控制图解，令Φa，Φb持续时间相同，相位互补。则当Φa=1时，Sb断开，没有电流流经输出Vob，首先关闭S1，电感电流IL增加，持续时间为D1aT，由输出误差放大器决定。在D2aT时间里，S1打开，Sa闭合，电感电流被传递到输出Voa，这时需要一个零电流检测器，当检测到电感电流为零时，变换器进入D3aT时段，Sa再次打开。电感电流一直保持为零，直到Φb=1。这里，D1a，D2a，D3a需满足以下条件：
D1a+D2a≤1/2
D1a+D2a+D3a=1
在Φb=1时段，变换器B重复上面的开关动作，故使得两个输出交替调节。
图8 SIDO变换器的时间控制图解
多路输出技术的特点是需要较少的电感、功率器件和控制环，降低电源的成本和体积，而且这种拓扑很容易被拓展来实现多路输出。但这种技术采用新颖的TM控制策略，要求变换器只能工作在不连续导通模态。这种多路输出变换器适用于各种便携式设备。
结束语
采用多电源供电的系统设计是很常见的，本文就近年来电源多路输出技术的发展做了归纳。多路输出技术经过不断更新进步，如今将伴随着移动通讯设备，数字处理系统的发展，朝着纤巧、高效、低成本的方向发展，且已成为片上电源管理系统采用的有效节能手段。
参考文献
[1] 文露，谢运祥. 开关电源多路输出技术控制方法综述[J]. 电源技术应用. 2009(06)
