電力高頻開關(guān)電源的設(shè)計(jì)與分析

時(shí)東陽

在當(dāng)前的社會(huì)環(huán)境中，信息技術(shù)的發(fā)展速度十分迅猛，這也使得各種各樣的電子設(shè)備得到了廣泛的普及應(yīng)用，而無論何種電子設(shè)備，其都需要穩(wěn)定的電源提供支持。而線性電源就屬于一種常用的電源，然而，線性電源自身所具備的缺點(diǎn)也十分明顯，其內(nèi)部輸入電壓的有效范圍相對較窄，輸出的電壓也必須要低于輸入電壓，并且其整體體積相對較大，在某些特殊場合當(dāng)中無法達(dá)到基本的使用需求。而開關(guān)轉(zhuǎn)換器則是通過開關(guān)管，對基本的開合狀態(tài)進(jìn)行更加全面的控制，使得電能的各種形態(tài)能夠更好地適用于開關(guān)當(dāng)中，確保輸入電壓能夠穩(wěn)定控制在一定范圍當(dāng)中，同時(shí)，在開關(guān)電源進(jìn)行正常工作的過程中，也可以采用高頻的DC/DC轉(zhuǎn)換器，使得開關(guān)電源轉(zhuǎn)換器能夠具備高頻化特征，這就形成了高頻開關(guān)電源。

（一）標(biāo)準(zhǔn)化以及模塊化

開關(guān)電源設(shè)備的標(biāo)準(zhǔn)化轉(zhuǎn)變，使得開關(guān)電源的應(yīng)用范圍更加廣泛，這也進(jìn)一步突出了開關(guān)電源標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的重要作用。而實(shí)現(xiàn)開關(guān)電源標(biāo)準(zhǔn)化發(fā)展的關(guān)鍵就在于整合不同用戶所提出的基本需求，并針對性地制定出相應(yīng)的要求內(nèi)容，以此為基礎(chǔ)來對研制生產(chǎn)環(huán)節(jié)加以規(guī)范，同時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)化還能夠更好地協(xié)調(diào)科研、生產(chǎn)以及使用三者之間的具體關(guān)系，確保開關(guān)電源系統(tǒng)自身具備更加科學(xué)合理的指標(biāo)性能。而電力高頻開關(guān)電源的模塊化。主要就是將部分具備著特殊功能的電路進(jìn)行集成處理，實(shí)現(xiàn)最佳的性能，提升整體資源利用率，而在當(dāng)前的社會(huì)環(huán)境中，整體集成度也呈現(xiàn)出一種不斷提升的狀態(tài)，而將電力高頻開關(guān)電源當(dāng)中一些特殊功能有效集成在一起，能夠強(qiáng)化其總體性能，在便于群眾使用的同時(shí)，提高應(yīng)用系統(tǒng)自身的穩(wěn)定性。

（二）數(shù)字化以及智能化

電力高頻開關(guān)電源設(shè)備的數(shù)字化發(fā)展，就是將現(xiàn)代化的數(shù)字信號應(yīng)用到其中，以此來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的模擬信號，從而更好地完成一些制定功能。而在當(dāng)前嵌入式的發(fā)展模式當(dāng)中?？梢悦黠@看出開關(guān)電源數(shù)字控制以及模擬控制這兩種現(xiàn)代化技術(shù)，其必然會(huì)在未來的發(fā)展進(jìn)程中處于一種長期共存的狀態(tài)，這也進(jìn)一步突出了數(shù)字化發(fā)展的重要性。而電力高頻開關(guān)電源的智能化，則是通過傳感器與計(jì)算機(jī)設(shè)備之間的有效結(jié)合來實(shí)現(xiàn)一些特殊功能，比如在電能變換電源設(shè)備當(dāng)中實(shí)現(xiàn)自我診斷或是預(yù)先報(bào)警，并對設(shè)備生產(chǎn)、設(shè)備配送以及設(shè)備維修的全過程智能化精確管理等。

（三）高頻化以及小型化

在當(dāng)前的社會(huì)環(huán)境當(dāng)中，軟開關(guān)技術(shù)得到了較為全面的發(fā)展優(yōu)化，并且逐漸向著成熟化的方向轉(zhuǎn)變，這也使得那些中功率器件內(nèi)部的開關(guān)頻率逐步提升。而隨著功率開關(guān)器件頻率的逐步提升，開關(guān)電源自身的重量以及體積必然會(huì)隨之減少，并且具備更加優(yōu)異的性能。因此，開關(guān)電源設(shè)備未來的主要發(fā)展趨勢就在于小型化以及高頻化，甚至還會(huì)出現(xiàn)頻率在1MHZ的開關(guān)電源，有著更高的工作效率。

（一）電力高頻開關(guān)電源的工作原理

開關(guān)電源主要就是通過脈寬調(diào)制波來對MOS管的開關(guān)時(shí)間比進(jìn)行更加全面的控制，并輸出穩(wěn)定電壓的一種電源。而在線性電源當(dāng)中，開關(guān)管處在線性的工作狀態(tài)，而PWM開關(guān)電源則會(huì)讓開關(guān)管處在關(guān)斷或是開通狀態(tài)，這也是PWN開關(guān)電源與線性電源最為明顯的差異之處。而在這兩種工作狀態(tài)當(dāng)中，開關(guān)管所產(chǎn)生的功率消耗相對較低，而出現(xiàn)這一情況的主要原因就在于開關(guān)管在導(dǎo)通過程中，雖然電流相對較大，但整體電壓卻比較低，在開關(guān)管關(guān)斷時(shí)雖然電壓會(huì)提升，但電流卻會(huì)減小，使得開關(guān)管當(dāng)中的伏安乘積就是其所產(chǎn)生的具體損耗，由此可以看出，其所產(chǎn)生的損耗比較低。而與傳統(tǒng)的線性電源不同，在PWN開關(guān)電源當(dāng)中所采用的則是脈沖寬度調(diào)制的方式，以此來對電壓展開穩(wěn)定調(diào)節(jié)，開關(guān)電源中具備的中控芯片，能夠?qū)γ}沖占空比進(jìn)行更好的調(diào)節(jié)。通過對脈沖波形占空比進(jìn)行調(diào)整的方式，來更好的控制開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間以及截止時(shí)間，從而對輸出端所輸出的電壓進(jìn)行更加穩(wěn)定的調(diào)節(jié)，而如果想要進(jìn)一步提升輸入電壓，就可以采取增大匝比的方式。同時(shí)，變壓器內(nèi)部所輸出的微端交流電壓，其在經(jīng)過整流濾波處理過后就能夠得到相應(yīng)的直流電壓。而后通過輸出電壓的采樣工作以及誤差比較工作，將其中存在的誤差信號傳送至控制芯片當(dāng)中，形成一種穩(wěn)定的脈沖波形來對開關(guān)管的通斷進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，在控制能量傳輸狀態(tài)的同時(shí)，維持電壓的安全性以及穩(wěn)定性。

（二）電力高頻開關(guān)電源的電路設(shè)計(jì)

1、輸入整流濾波電路。在電力高頻開關(guān)電源當(dāng)中，濾波電路具體囊括了輸入低通濾波以及輸入輸出整流這兩種類型，其中的輸入低通濾波電路，能夠?qū)﹄娋W(wǎng)內(nèi)部所傳遞的噪聲以及開關(guān)電源反饋至電網(wǎng)當(dāng)中的高頻噪聲進(jìn)行濾除;輸入整流濾波電路也被稱作工頻濾波電路，其不僅能夠確保整流電壓更加平滑，也能夠確保電壓保持自身原本的功能;而輸入整流濾波則是一種高頻濾波電路，能夠?qū)⒛切└哳l脈沖經(jīng)過濾波處理后轉(zhuǎn)變?yōu)槠椒€(wěn)直流，還能夠起到維持電流連續(xù)性的基本功能。而在具體的電路設(shè)計(jì)過程中，就可以采取共模電感來對電網(wǎng)內(nèi)部產(chǎn)生的共模干擾進(jìn)行科學(xué)合理的抑制，在L1當(dāng)中，可以將兩股線圈同方向的繞相在同一個(gè)鐵芯當(dāng)中，這樣就能夠根據(jù)電磁感應(yīng)原理，使得電流可以在兩個(gè)線圈當(dāng)中進(jìn)一步產(chǎn)生一種相同磁場，在共模電流相互抵消過后，就會(huì)產(chǎn)生一種增大繞組的感抗，使得共模電流在其中得到進(jìn)一步衰減，從而達(dá)到濾波的主要目的。通常情況下，共模電感的典型值大約在10mH-50mH，而電容C1與共模電感之間所產(chǎn)生的漏感，可以用于削弱電網(wǎng)當(dāng)中所產(chǎn)生的差模信號，而共模電感可以選擇UU10.5 10mH。而變換器的具體結(jié)構(gòu)，決定了輸入端所輸入的電流為直流電，但所需要輸入的則是交流電，這就可以通過二極管所具備的單向?qū)щ娦裕M(jìn)一步實(shí)現(xiàn)交流與直流之間的轉(zhuǎn)換，應(yīng)當(dāng)采用四只二極管，將其進(jìn)一步構(gòu)建成一種橋式電路，交流電輸入到其中過后，每半個(gè)周期就會(huì)有一組二極管進(jìn)行導(dǎo)通處理，這種結(jié)構(gòu)的集成化通常也被稱作為整流橋，不僅能夠降低開關(guān)電源的重量以及體積，還可以解決更大的成本。在對整流橋進(jìn)行選擇的過程中，則要考慮到耐受電流以及耐受電壓等多方面因素，以此為基礎(chǔ)來明確具體的整流橋選用型號。

2、高頻變壓器的設(shè)計(jì)。在電力高頻開關(guān)電源當(dāng)中，高頻變壓器自身的性能會(huì)直接影響到開關(guān)電源自身的整體性能，這也進(jìn)一步突出了高頻變壓器在整體開關(guān)電源設(shè)計(jì)過程當(dāng)中的重要性。通過科學(xué)合理的變壓器設(shè)計(jì)，能夠穩(wěn)步提升開關(guān)電源的各方面性能。而在單片開關(guān)電源當(dāng)中，變壓器的性能更是會(huì)直接影響到電源效率，甚至還會(huì)對開關(guān)電源的電磁兼容指標(biāo)等方面產(chǎn)生影響，因此，這就需要在綜合考慮各方面因素后，設(shè)計(jì)出效率更高的變壓器。變壓器主要就是用來交換電流、阻抗以及電壓的一種工具，在原邊線圈當(dāng)中如果出現(xiàn)了交流電，變壓器的磁芯就會(huì)產(chǎn)生對應(yīng)的交流磁通，使得副邊線圈能夠更好的感應(yīng)到相應(yīng)的電流或是電壓。通常情況下，變壓器主要是由線圈以及磁芯這兩部分所構(gòu)成，線圈又可以詳細(xì)劃分為初級繞組與次級繞組，其中與電源進(jìn)行連接的繞組就是初級繞組，而剩下的線圈則被稱為次級繞組。如表1所示，在高頻開關(guān)電源當(dāng)中，高頻變壓器能夠起到隔離高于輸入端與低壓輸出端以及能量傳輸?shù)闹匾饔?，所以，這就需要在明確常用磁性材料基本性能的前提上，控制好相應(yīng)的電感量，避免出現(xiàn)磁飽和現(xiàn)象，以此來計(jì)算出更加合適的氣隙，這也是變壓器制作過程當(dāng)中的重要設(shè)計(jì)環(huán)節(jié)。

在信息化時(shí)代中，各類電子設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中都需要采用高頻開關(guān)電源。因此，為了確保開關(guān)電源能夠向著高功率密度化以及高頻化的方向發(fā)展，就必須要對電源開關(guān)以及變壓器涉及到的各種參數(shù)進(jìn)行科學(xué)合理的設(shè)計(jì)，進(jìn)一步找尋出最為優(yōu)質(zhì)的設(shè)計(jì)方案，在根本上提升電力高頻開關(guān)電源的整體質(zhì)量。