开关电源的设计与仿真

前言：想要写出一篇令人眼前一亮的文章吗？我们特意为您整理了5篇开关电源的设计与仿真范文，相信会为您的写作带来帮助，发现更多的写作思路和灵感。

开关电源的设计与仿真范文第1篇

【关键词】电流脉宽调制;PWM;Pspice

1.概述

电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响电子设备的可靠性，电子设备故障60%来自电源，开关稳压电源的调整工作在开关状态，主要优越性是高达70%-95%变换效率。

目前，空间技术、计算机、通信、雷达、电视及家用电器中的稳压电源已逐步被开关电源取代。开关稳压电源的优越性主要表现在：功耗小，稳压范围宽，体积小、重量轻[1] [2]。

传统的线性电源具有稳压性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点，但工频变压器体积庞大，调整管工作于线性放大状态，导致电源功耗大、效率低、发热严重。开关电源采用功率管作为开关器件，工作于开关状态，损耗小;工作频率在几十到上百千赫兹，滤波电容、电感的数值较小。线性稳压电源允许电网波动范围为220v×（1±10%）， 对电网的适应能力很强。另外，由于功耗小、机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性[3]。

2.系统整体概述

开关电源可分成：机箱（或机壳）、电源主电路、电源控制电路三部分。机箱既可起到固定的作用，也可起到屏蔽的作用;电源主电路负责进行功率转换，通过适当控制电路将市电转换为所需的直流输出电压;控制电路根据实际需要产生主电路所需的控制脉冲及提供保护。开关电源的结构框图如图1所示：

图1 开关电源的结构框图

电源主电路通过输入整流滤波、DC-DC变换、输出整流滤波将市电转为所需的直流电压。开关电源主回路可以分为：输入整流滤波回路、功率开关桥、输出整流滤波三部分。输入整流滤波回路通过整流模块将交流电变换成含有脉动成分的直流电，通过输入滤波电容使脉动直流电变为较平滑的直流电;功率开关桥将滤波所得直流电变换为高频方波电压，通过高频变压器传送至输出侧。由输出整流滤波回路将高频方波电压滤波为所需直流电压或电流。

控制电路为主回路提供正常功率变换所需的触发脉冲。具有以下功能：控制脉冲产生电路、驱动电路、电压反馈控制电路、各种保护电路、辅助电源电路[4] [5]。

3.软开关技术

软开关技术指零电压开关（ZVS）和零电流开关（ZCS）。图4所示为功率开关管在软开关及硬开关下的波形：

图2 软开关理想波形和硬开关波形

软开关包括软开通和软关断。软开通包括零电流开通及零电压开通，软关断包括零电流关断及零电压关断，可按照驱动信号时序来判断。

零电流关断：关断命令在t2时刻或其后给出，开关器件端电压由通态值上升到断态值，开关器件进入截止状态。

电压关断：关断命令在t1时刻给出，开关器件电流由通态值下降到断态值后，端电压由通态值上升到断态值，开关器件进入截止状态。在t2前，开关器件端电压必须维持在通态值（约等于零）。

零电压开通：开通命令在t2时刻或其后给出，开关器件电流由断态值上升到通态值，开关器件进入导通状态。在t2前，开关器件端电压必须下降到通态值（约等于零），电流上升到通态值以前维持在零。

零电流开通：开通命令在t1时刻给出，开关器件端电压由断态值下降到通态值以后，电流由断态值上升到通态值，开关器件进入导通状态。在t2以前开关器件电流必须维持在断态值（约等于零）[6] [7]。

图3 电源控制电路框图

4.控制电路

根据电路功能将控制电路分为几部分：脉冲产生电路、触发电路、电压反馈控制电路、软启动电路、保护电路、辅助电源电路等[8]，控制电路如图3所示。

脉冲产生电路是控制电路的核心。脉冲产生电路根据电压反馈控制电路、保护电路及软启动电路等提供的控制信号产生所需脉冲信号，该脉冲信号经过触发电路的放大驱动开关元件，使开关管导通或关断。

控制电路输出的PWM信号，电平幅值和功率能力均不足以驱动大功率开关元件，需要选择合适的驱动电路。驱动电路将控制电路输出PWM脉冲信号经过电隔离后进行功率放大及电压调整驱动大功率开关管，脉冲幅度以及波形关系到开关管的开关过程，直接影响损耗，需合理设计驱动电路，实现开关管最佳开通与关断[9][10]。

5.系统仿真

5.1 总电路设计

利用理想电源代替振荡器，通过设置时钟周期给定振荡频率，仿真时控制震荡频率外接定时电阻和电容的6、7脚均可不接。简化输出电路，利用两个晶体管模拟输出级，关闭控制端用数字激励驱动，内部逻辑利用数字仿真器进行仿真。电路参数选择和设计时，应考虑上述简化对系统的影响[11] [12]。

图4 总电路设计图

5.2 PWM模块

根据PWM产生的原理得到仿真模块，用以产生可调的PWM信号。工频脉冲信号，通过比较器，经积分器产生三角锯齿波，通过比较取符号产生一路脉冲信号，由分频器产生两路互补驱动脉冲，输入调节PWM信号的占空比[13]。

图5 PWM仿真图

6.结论

采用组合式变换器实现多路输出、多种保护。通过Pspice仿真，验证了设计思路的正确，理论性的可实现。

参考文献

[1]丁道宏，陈东伟.电力电子技术应用（第四版）[M].航空工业出版社，2004.

[2]许文龙.胡信国.现代通信电源技术[M].北京：人民邮电出版社，2002.

[3]李宣江.开关电源的设计与应用[M].西安交通大学出版社，2004.

[4]王水平，史俊杰，田安庆.开关稳压电源设计及实用电路[M].西安电子科技大学出版社，2005.

[5]辛伊波，陈文清.开关电源基础与应用[M].西安电子科技大学出版社，2009.

[6]周志敏.开关电源实用技术[M].人民邮电出版社，2005.

[7]刘胜利.现代高频电源实用技术[M].电子工业出版社，2003.

[8]张占松.高频开关稳压电源[M].广东科技出版社，1993.

[9]赵广林编著.Protel 99 SE电路设计与制作[M].电子工业出版社，2005.

[10]张廷鹏.吴铁军.通信用高频开关电源[M].北京：人民邮电出版社1999.

[11]王水平.付敏江.开关稳压电源[M].西安：西安电子科技大学出版社，1997.

[12]李爱文.现代通信基础开关电源的原理和设计[M].北京：科学出版社，2001.

[13]汪阳.智能高频开关电源的研究[D].武汉大学硕士学位论文，2002.

开关电源的设计与仿真范文第2篇

关键词：电流控制方式；PWM；开关电源；设计

随着国家政策的倾斜，我国电力的发展越来越快，对开关电源性能的要求也越来越高。基于电流控制方式的PWM开关电源是一种高精度控制的形式，利用该设计形式可以保证配电系统输出电压、电流的稳定性，由此确保整个供配电系统具备相对较好的动态响应性和输出稳定性。下面，主要针对基于电流控制方式的PWM开关电源设计展开讨论，以便可以实现更好的开关电源设计。

1 开关电源的控制方式

开关电源的实质是完成DC-DC变换过程的一套系统，其构成部件主要涉及主电路和控制电路两个方面。由于PWM电流控制开关电源使其开关动作始终受到固定脉冲波控制，所以它的脉宽也将根据负载与输入电压值的变化而变化。基于电流控制方式的PWM开关电源的电路控制须依仗开关控制通断，从而实现利用输出电压调节并控制主电路的整体工作。究其控制的参数而言，开关电源控制的方式主要涉及电路模式和电压模式两种。电流模式则涉及平均电流模式和峰值电流模式两种，且电流模式在实现高精度跟踪电流设定值方面具有良好效果，且对电流放大装置具有增益效果，并能在任何一套电路中实现拓扑应用。与此同时，平均电流模式不需要斜坡补偿，因而在PWM开关电源设计中可以优先考虑选用平均电流控制模式。

2 基于电流控制方式的PWM开关电源的设计

2.1 设计思路

基于电流控制方式的PWM开关电源设计根本是将电压电流的平均值设定为电流控制内涵的控制信号，然后利用控制信号实现对整个开关电源的控制。在开关周期内，电感电流的积分值和电流的平均值呈正比关系。因此，利用控制电流积分值可以有效控制电感电流的平均值。比如，于Buck型开关电源内设定恒定的输入电压，也就是说明它可以完全忽略输出电压纹波。利用电流控制环路可增加部分调解积分的电流误差放大装置，即可完成对平均电流的控制。于某个开关周期中，也可利用电流误差放大装置对电路输入端电压并确定平均电流值，利用对电阻电压信号的检测取样又可取得电感电流的实际值。然后，将以上取得的电感电流实际值输送到电路误差放大装置，使得电感引起的高频达到极点，从而实现电流高频噪声的有效抑制。与此同时，计算比例积分，且选用适宜的电路参数，即可保障整个电路具备良好的稳定性。

2.2 系统建模

基于电流控制方式的PWM开关电源的设计应以维持输出电压或输出电流的稳定为前提条件，利用负反馈控制和Buck型电路作为建模基础。与采用峰值电流模式的PWM开关电源相比而言，平均电流模式还需在开关电源中配置一套电流调节装置。另外，电路系统功率控制应构建一种功率级模型，该模型包括多组输出变量与输出变量，其主要目的在于获取占空比于输出电压或电感电流之间的相互控制关系，也能掌握输入电压于以上二者参数之间的相互作用关系。当前，不同种开关电源的主电路连接形式有所不同，不同物理量的相互关系于功率级电路内仍然维持原状。因此，可利用开关级等效电路嵌入PWM开关电源拓扑结构的方式构建功率级模型。然后，又可在功率级模型的基础之上对控制回路予以建模。控制回路则主要由电流检测部件、电流调节装置、电压调节装置、电阻分压装置和占空比调制装置组成。电流检测部件则由电流检测放大装置和电感元件以串联方式构成，可实现闭环变压的放大功用。电流调节装置则由电阻电容网与运放系统构成，可接收电流检测部件两组输入信号，且同时又能利用电流信号运算实现调节电流的作用。控制回路内仍需通过占空比调制装置来接收调节装置运算数据并得到输出电压值和斜坡输入电压值，最后可以获知占空比变量和电压信号二者之间的联系。在该环节中，电流的斜率与幅度将发生较大的变化，因而可以完全实现对电流的有效控制。同时，利用运算获得的模块传递函数便可构建起平均电流控制模型下的PWM开关电源系统模型。

另外，若电压环处于开路状态下，可应用Ti（s）来定义电流环开环环路电流的增益传递函数。在分析电流增益函数以后，可为系统电流调节装置的整个回路提供有价值的参数依据，从而保证电路系统的稳定性和高效性。电压负反馈环在断开状态下，电流环路的增益可由Ti（s）=TpiR1GCL（s）Fm公式计算。电压环处于断开或电流环处于闭合状态下，输入信号则为控制电压V0，输出信号则为负载电压V0，且控制电压则为控制负载电压。由已构建的系统模型可实现电流环路的低频增益、相位裕度和截止频率的具体反映，也可提升整个电路系统的高精度控制。同时，在设计实际电路系统中，通过对应实际电路的构造结构与模型环节便能确保整个电路系统设计的高精度控制。

2.3 仿真分析

本节仿真分析的主要目的在于对已构建系统模型的精度控制予以验证，利用Matlab数学模型绘制系统控制电压于输出电压的传递函数Bode图形。利用以上方式，即可设计出一组30V/50全桥开关电源，其开关的频率则为20kHz，而输入电压的变化率可保证处于±10%范围内。同时，开关电源滤波电容约为1000Μf，滤波电感则为1Μh。通常情况下，开关电源的相角不小于45°，因而可以保证电路系统的良好稳定性。与此同时，电路系统在穿越频率方面较高，因而保证了电路系统具有良好的高效性。另外，电路系统外部存在干扰电压，整个电路系统的输出电压将继续维持稳定。最终，我们所设计的基于电流控制方式的PWM开关电源是一种兼具稳定性与高效性的元件，只有具备良好的系统稳定性和高效性才能确保整个电路系统具有应有的动态响应特征。

3 结束语

随着我国电力需求日益增加以及电力市场不断完善，开关电源设计工作逐步趋于完善。基于电流控制方式的PWM开关电源设计可获取一种以平均电流PWM开关电源建模方案，在其设计过程中通过功率级传递函数构建与之相应的数学仿真模型，并通过Matalb对响应的数学仿真模型予以验证，并根据该模型完成系统设计。经系统建模、仿真分析两个重要步骤得出的平均电流PWM开关电源具备良好的系统稳定性和动态响应特征，可以满足各类电路系统的需求，希望借此论文为广大同行朋友提供一些可供参考的依据。

参考文献

[1] 解凌云，丁然.移相控制软切换PWM开关电源设计[J].鞍山钢铁学院学报，2012，（02）：98-101.

开关电源的设计与仿真范文第3篇

关键词 开关电源；热分析；ANSYS；热设计

中图分类号TN86 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）47-0034-02

0 引言

开关电源被广泛的应用于国防军事，工业自动化，家用电气等领域的电子系统中。随着开关电源逐步向小型化、高频化、高功率密度发展，用户对开关电源的可靠性设计提出了更高的要求。温升是影响开关电源可靠性的关键性因素，如何将热量高效快速的导出，成为电源工程师的首要任务[1]。热设计的好坏直接影响着开关电源的可靠性和寿命，因而热设计是开关电源可靠性设计的重要环节。

本文以一个工作于密闭电源盒的开关电源为例，利用有限元软件ANSYS对开关电源进行热设计，来提高整个开关电源的散热性能，使得开关电源的主要发热器件的温度控制在允许的范围内，保证开关电源安全可靠的运行。

1 开关电源的热分析

本文中开关电源为反激式，具有有源功率因数校正(APFC)环节，主要发热元件有开关管，整流二极管，大功率电阻，变压器与电感等[2]。

首先利用ANSYS分析工作在空气中开关电源的温度分布情况。

1.1 仿真边界条件和载荷说明

1）环境温度：25℃；

2）对流系数：6W/m・K；

3）载荷：器件的生热率（P为器件的发热功率，V是器件等效热源的体积）。

1.2 模型的简化处理

1）对于简化线圈模型来说，由于线圈在实际中是由一圈一圈的漆包线绕制的，而且这样的绕线也不规则，在模型建立中使用单一圆柱体来代替多圈的导体；

2）芯片热源等效为长方体。

1.3 网格模型

模型中有些部分的尺寸微小，如MOSFET的等效热源，尺寸为13.8×8×0.2mm3。选用ANSYS软件中的SOLIDTO单元．通过设置MSHKEY和MSHAPE两个选项，完成对单元形状的控制。在建立网格处理不规则体的时候，特别是连接处理后的非六面体的情况，采用退化的四面体单元进行网格划分，可以通过设定ESIZE，LESIZE的大小来决定单元网格的大小，则模型网格单元数目为324532。

1.4 仿真结果分析

表1中是工作在空气中开关电源的温度分布情况。利用红外热像仪测得的温度，与仿真的温度值对照，相对误差较小，具有很好的准确性。实际上，此开关电源工作在一个封闭的电源盒内，内部的空气流动速度很慢，在理想状态下，认为内部空气处于绝热状态，几乎不导热。因而各器件的实际工作时温度会更高。因此。为保证开关电源安全可靠的运行。必须采取有效的散热措施，迅速的将电源盘内部的热量导出，降低主要热源的温度。

2 开关电源的热设计分析

如何寻找低热阻通路来将热最迅速导出是设计开关电源热设计的关键问题，因为只有开关电源器件的结点温度降低后，这样才能避免高温而导致开关电源可靠性下降的问题。此开关电源工作在一个封闭的电源盘内，由于工作环境特殊，不允许加风扇，只能采取自然散热的措施。其热设计的内容包括电源盘的内部热设汁和电源盘的外部热设计。

通过设计将开关电源的前后级MOSFET，后级二级管，整流桥的温度控制在60℃以内，变压器的温度低于65℃。

2.1 电源盒的内部热设计

开关电源的电源盒内部热设计主要是调整器件布局和改变内部介质。

1）电路布局的热设计

密封电源盘内热源的主要散热途径有以下几个方面：首先，通过热源经盒内介质向壳体传导的热量，可以通过对流和辐射在壳体的表面将热量发散到大气中；其次，通过盒体内部的介质可以把热量传递到其他部件上，这样就可以形成温度的叠加效应。

所以，在设计过程中，在考虑不影响电路性能的情况下，应该使得发热部件尽可能分散，且在电路板边缘分布，另外，固定在电源盒的导热铝板应该与其相连。电路板的后边缘则应该放置前后级MOSFET和整流桥，与电源盒的侧壁相连靠的是2mm的导热铝板；而电路板的前侧边缘放置后级二极管，同样，电源盒的侧壁相连靠的是同样厚度表2是开关电源电路靠局调整前后的温度对照表，通过表2可以得出如下结论：

首先，可以看出前后级的MOSFET、整流桥和后级二极管温度都有明显的降低变化，其主要的原因是因为由于低热阻通路-导热铝板的存在，使得电路布局为这些器件与外壳之间存在这样一种合理的通路，这样就可以使得器件产生的热量传导到电源盒体，从而温度梯度也得以降低。

其次，对于变压器来说，温度变化很小。通过内部空气传导到电源盒的变压器的热量，在加上空气的热阻很大的原因，这样可以认为在密闭条件较好的情况下的绝热状态。同时，最高结点温度和环境温度梯度也很大，这样来说对于变压器温度没有明显的降低。

变压器的温度变化很小。这是因为变压器的热量主要通过内部空气传导到电源盒，而空气的热阻很大，在密闭条件很好的情况下，可以认为处于绝热状态。变压器的最高结点温度与环境的温度梯度很大，导致温度没有明显的降低。所以尽管电路布局的调整改善了开关电源的温度分布情况， 有些器件的还存在较高的温度梯度，无法满足安全可靠运行的要求。

2）电源盒内部介质的热设计

热量主要以传导方式由内部器件传到电源盒，这一点可以从前面的电源盒内热源的散热途径获得，经过对流换热的方式散发到空气中。根据传导散热的原理，内部介质的导热系数可以看做是影响电源盒内部温度梯度的主要因素，其中，由于介质的导热系数与内部热源的温度梯度成反比的原因，说明了质的导热系数越大，内部器件的温度梯度就越小，热源的结点温度就越低。

根据开关电源主要器件温度与内部介质的导热系数的关系曲线可以得出如下的结论：

（1）器件的温度和内部介质导热系数变化成反比，并且基本上所有器件最终趋于同一温度。

（2）变压器的温度曲线存在一定区别，表现在介质导热系数为1.2 W/m・K时有一定的上升，这可能是因为变压器的温度低于其他热源的温度，但是需要注意热量具有从温度高的流向温度低物体的规律，这样由于变压器温度相对较低时，当存在其他热源的影响，变压器温度也是可以理解的。

2.2 电源盒的外部热设计

电源盒的壁厚和壳体表面肋片的设计构成了电源盒的外部热设计，需要注意，其表面的散热方式为对流和辐射，这样，根据流散热的原理，表面散热面积则是影响散热的主要因素，其中，电源盒的表面散热面积与外壳肋片的高度影响直接相关。

开关电源的传导散热主要受到电源盒的壁厚的影响，同时，电源盒表面的对流散热则受到外壳的肋片高度影响。因此，对于多热源的封闭盒体来说，在限定电源盒尺的条件下，外壳的肋片高度对于散热的影响一般大于壁厚的影响，所以对于封闭盒体来说，主要的散热形式为表面的对流散热，这样能有效的散发热量，降低盒体内部器件的结点温度。

所以根据上述结果分析可知，对于电源热设计中需要采用内部灌胶，而对于主要发热器件来说则需要通过导热铝板与电源盒外壳相连，同时采取电源盒外壳加肋片的综合散热措施，这样可以有效控制开关电源温度，达到预定目标，从而满足设计要求。

3 结论

本文开共电源因其工作环境的要求，限制了散热措施的选择。在只能采取自然散热措施，且功耗很大，电源盒的尺寸和重量受到严格限制的条件下，分别对电路板和电源盒的结构进行了热设计，寻找一种有效的散热措施，降低了主要器件的温度，提高开关电源的可靠性，延长了寿命。

参考文献

开关电源的设计与仿真范文第4篇

关键词：LM2596 STM32 反馈闭环 数控开关电源 远程控制

中图分类号：Tp302 文献标识码：A 文章编号：1007-9416（2015）04-0080-02

1 数控开关电源的方案设计及电路设计

本设计中的数控开关电源[1，2]主要为了输出1.2～24V，负载电流不低于3A，并且实现连续精确可调，调整分辨率不低于0.1V。通常，一个开关电源需要接入220V交流电，并通过变压器AC/DC整流转换，以输出低压直流电，然后再利用反馈型降压稳压开关芯片进行控制和电压调整。由于市场上现有的220V转24V技术已经非常成熟，比如常见的开关电源和电源适配器，因此本设计中将着重设计后端数控降压部分，前段整流部分将用常用开关电源替代。为了实现输出电压的数字控制，必须使用单片机来控制降压稳压开关芯片，单片机再通过串口跟PC主机通信。单片机将使用目前较为流行的32位单片机STM32。

1.1 反馈脚的数控设计

由于单片机主要完成的工作是对比功能，即将LM2596的输出电压值与所需值对比，然后进行相应的反馈脚控制，因此，可以使用运放来替代这部分工作。可以使用运放减法器电路来实现对比做差。由于一般单片机的DAC输出不会高过工作电压，如5V或3.3V，因此在运放减法器前，还必须进行线性放大，也可以使用运放搭建。

1.2 LM2596与运放[4]构成的电路

其中，LM2596引脚1接24V开关电源输入，右端端子JP2的1，2分别接单片机DAC输出以及开关OFF控制。

1.3 STM32最小系统

系统中的STM32单片机最小系统包括STM32单片机芯片、复位电路、石英晶振时钟电路。

除此之外，最小系统中还包含JTAG仿真、下载电路，用于程序测试仿真以及下载；4个LED灯电路，用于显示STM32运行状态，或者其他需要显示的用途。

2 下位机程序设计

本设计中的下位机STM32所需完成的功能主要为以下几个：

（1）与PC主机串口通信[3]；

（2）控制LM2596输出的开和关；

（3）控制LM2596输出的电压值；

（4）保存和读取设定的电压值，以便下一次启动后默认输出电压为关机前的输出电压；

（5）由于电源需要很高的可靠性，而STM32也有可能会死机，因此需要加入看门狗，让它死机自动重启[5]。

对于功能1，采用MAX232进行电平转换，然后用串口转USB线转为USB接入PC机。单片机通过该串口即可进行通信。由于串口属于底层的通信方式，因此单片机软件中需要做串口数据的校验、格式对准、自动应答等功能。

对于功能2，采用一个单片机IO管脚和一个开关三极管来控制LM2596的ON/OFF管脚，即可实现输出控制。

对于功能3，根据前一章电路设计的原理，单片机只要改变相连DAC的电压输出，即可直接改变LM2596的输出电压。这里需要注意，并不是所有STM32都有DAC输出，需要选择具体的型号。本设计中，使用的是STM32F103RC，带有两个DAC输出。

对于功能4，由于没有外接片外EEPROM芯片，因此只能利用STM32片内的FLASH进行数据掉电保存。同时，FLASH中也会保存有程序本身，因此必须要将两块数据区域隔离开，否则会进行数据覆盖。通常，程序数据从FLASH的低段开始写入，因此保存的数据可以写入在FLASH最高段，这样就不会互相覆盖。同时，烧录程序时，也需注意不要将整个FLASH擦除，否则烧录前保存的数据也会被擦除。

对于功能5，可以打开STM32的独立开门狗，并设置喂狗时间，超时后自动重启。

当DAC的参考电压为VREF的时候，DAC的输出电压是线性的从0～VREF，12位模式下DAC输出电压与VREF以及DORx的计算公式如下：

DACx输出电压=

3 测试结果与分析

由上述分析可得VOUT与数字量DA中间的关系表达式：

实际输出电压如图4所示，为20.5V，与理论值很接近。

证明该电路设计输出电压精度已达到设计要求。

参考文献

[1]琦玮，李树华.开关电源的原理与设计[J].内蒙古大学学报（自然科学版），2003，（04）：15-20.

[2]降靖，魏琳.开关电源基本原理、发展和趋势[J].光盘技术，2008，（08）：8-10.

[3]卢超.单片机同PC机通信的一种新方法田.矿山机械[J]，2007.04.

开关电源的设计与仿真范文第5篇

【关键词】开关电源;保护措施;分析

引言

开关电源由于具有体积小、质量轻、效率高、输出稳定灵活等优点，在各个领域得到广泛应用。电源系统在整个电子系统中，是一个比较重要的不见，它的稳定运行对于整个系统都有着相关的关系。因此，对其的安全保护措施的分析是一个重要的课题。

1.开关电源原理

高频开关电源由以下几个部分组成：

1.1 主电路

从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：①输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。②整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。③逆变：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，频率越高，体积、重量与输出功率之比越校。④输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

1.2 控制电路

一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。

1.3 检测电路

除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。

1.4 辅助电源

提供所有单一电路的不同要求电源。开关控制稳压原理开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量;当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。

改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”。

1.5 开关电源原理框图见图1所示。

图1 开关电源原理框图

（1）通电瞬间，灯泡闪亮一下后，逐渐熄灭，则电源从输入至整流滤波均正常，故障应在后面电路。否则电源保险或输入滤波电感开路。

（2）若整流滤波电路正常，则检测开关管两端是否有310V电压，若无，则取样电阻RO或变压器初级开路。

（3）若开关管电压正常，则检测开关管驱动电路是否有几伏至十几伏电压，若无则检测启动电阻和驱动电路。

（4）若驱动有电压，开关管正常，则自激绕组有故障或反馈电路有故障。

（5）若灯泡常亮，则开关管击穿（短路）或整流桥击穿（短路）。

（6）若灯泡周期性亮灭，则负载有短路故障，可着重检测负载。

（7）若更换开关管多次击穿，则检测峰值电压消除电路及负载是否有开路故障。

（8）经过上述维修步骤并检测负载电压基本正常后，即可闭合开关K，再次检测时若输出正常，则说明开关电源已修复。

2.影响开关电源可靠性的因素

2.1 环境温度对元器件的影响

环境温度对半导体、电容、电阻等元器件的可靠性均有很大影响。如表1所示，当温度从20℃增加到80℃时，硅三极管（在PD/PR=0.5负荷设计条件下）失效率增加了30倍;电容（在UD/UR=0.65负荷设计条件下）失效率增加了14倍;电阻器（在PD/PR=0.5负荷设计条件下）失效率增加了4倍。

2.2 负载率对元器件的影响

负载率对元器件失效率的影响同样很明显。以电阻器为例，在环境温度为50℃条件下，其PD/PR对电阻器失效率的影响，当PD/PR=0.8时，失效率比PD/PR=0.2时增加了8倍。

同样，在环境温度为50℃条件下，当PD/PR=0.8时，半导体器件失效率比PD/PR=0.2时增加1000倍。因此，在开关电源的设计和使用时，应尽量避免其负载率过大而导致电源故障。

3.开关电源中的具体保护措施探究

3.1 开关电源中的整机保护分析

通过上文对于开关电源的相关分析，结合实际的电源装置的需要进而对报警措施来加以确定，对于开关电源的报警措施主要可以分为光报警以及有声报警两种。光报警能够比较明显的指出故障的部位以及类型，而有声报警则是安装在不容易看到的一些部位，能够指引工作人员进行事后的处理。在电源当中如果加设了保护电路之后就会对整个的系统可靠性有一定的影响，所以就对电路本身的可靠性保护要求较高，从而才能够有效的提高电源系统的可靠性。在对开关电源的保护在逻辑上要比较的严密，电路尽可能的简单化，所用的元件也要对应的要少，对于维修的难度以及电源的损坏程度也要进行详细的考虑。

3.2 开关电源过电流保护措施

根据图2可知，这一电路主要就是通过三极管以及分压电阻构成，当在正常的工作中所经过的R4以及R5起到了分压的作用，这样就会使得三极管基极电位要比发射极电位高出很多，发射极承受反向的电压，当出现了截止状态的时候对于稳压的电路是没有什么影响的，而出现短路状态时候所输出的电压值为零，发射极为接地，出现短路，处于截止状态从而对电流进行切断，达到保护的目的。

图2 过电流保护电路图

3.3 对浪涌电流电路的保护措施

对于开关电源的输入电路基本都是采用的电容滤波型的整流电路，当处在进线的电源合闸的瞬间在电容器上的初始电压基本为零，当对其进行充电的时候就会造成很大的浪涌电流，尤其是功率较大的开关电源所用的电容器，这样就会很容易造成输入熔断器烧断以及合闸开关触点烧损的情况发生，造成整流桥过流损坏，对于开关电源会造成无法工作的后果，对其设置涌浪电流的抑制措施能够有效的防治这一类情况的发生，从而正常的使其工作，最为常用的方法措施有热敏电阻保护法，晶闸管保护法，继电器保护法。

3.4 开关电源过电压保护措施

在开关电源的稳压器过电压的保护有两种，即：过电压保护、输出过电压保护。对于开关稳压器使用的未稳压的电源电压倘若太高就会使得稳压器不能进行正常的工作，还有可能对于内部器件发生损坏，所以对于输入电压保护电路的使用比较的有必要。

4.结束语

在开关电源中，有时由于其可靠性较低的缘故，会对整个设施产生严重的影响，因此，就需要采取相应的保护措施。根据实际的情况的需要，选择合理有效的措施，从而对开关电源的安全起到保险的效果。

参考文献

[1]牛春远.开关电源的电磁兼容性研究[D].广东工业大学，2013.