开关电源设计与原理
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开关电源设计与原理范文第1篇
Design and development of MIDAS⁃based electronic component management system
for university electronic design contest
ZHANG Xiang⁃ming
（College of computer science， South⁃Central University for Nationalities， Wuhan 430074， China ）
Abstract： In order to improve the management efficiency of components for the undergraduate electronic design contest， and raise the utilization rate of electronic components， a set of electronic component management system based on MIDAS （multi⁃tier distributed application services suite） and ADO technology was designed and developed. In combination with the management features of electronic components in daily training of electronic design contest in colleges and universities， a distributed multi⁃tier architecture was used in the electronic components management system design and implementation. The bar code technology was adopted in the system. The results show that the developed system has the advantages of simple operation， high efficiency， and can improve the management efficiency of distribution， collection， laboratory procurement and inventory early warning of electronic components.
Keywords： multi⁃tier distributed application services suite； electronic device competition； electronic component management system； and chips； ADO technology
0引言
随着中国教育体制改革的不断推进，各高校越来越重视学生创新能力的培养与训练，以期达到提升学生创新素质、增强学生适应市场和社会的目的。全国大学生电子设计竞赛是一项面向理科学生的重要赛事，其全国竞赛组委会由国家教育部、信息产业部及部分参赛省市教委代表及电子类专家组成，负责全国竞赛的组织领导、协调工作，其重要性不言而喻[1⁃2]。
竞赛要使用到大量的电子元器件，涉及的元器件品种多达几百种，且使用数量繁多。学生在竞赛前期的实训中，需要频繁地领用元器件，高校实验室管理人员需要对元器件的消耗情况进行汇总，对贵重器件进行登记与跟踪，同时还要对元器件库存有充分的了解，以便对元器件库进行有效合理的补充。目前很多高校的元器件管理工作仍处在于手工管理状态：仍然以手工方式登记学生领用情况，以人工方式对器件进行跟踪，目测元器件库存是否充足，学生领用元器件查找费时，这些问题极大地影响了电子竞赛的高效管理[3]。
为提高竞赛管理效率及元器件使用率，将构建一套智能化的电子元器件管理系统。因竞赛实训工作均在学校内完成，故将系统的架构设计为三层C/S（客户/服务器）结构，采用MIDAS和ADO技术来开发系统，按软件工程理论和方法对系统的各项模块进行设计，实现元器件采购计划管理、元器件入库、学生领用元器件、元器件查询、元器件统计分析等主要功能。
1系统架构和开发环境
基于高校电子设计竞赛的实际情况，系统采用C/S架构的多层分布式环境来开发，使用DELPHI7.0为开发平台，充分地运用其MIDAS，ADO等技术来构建一个基于数据服务层、业务逻辑应用服务层及客户层的分布式智能化管理系统，开发过程中使用的一些相关技术分析如下：
1.1多层分布式系统
分布式结构实际上是一种分布式应用系统，被分成数个不同的部分并且被执行在不同的机器之中，引入了应用程序服务器概念，应用程序服务器是一个包含系统业务逻辑的应用程序，以一种特定的组件形态，如MicroSoft的COM/DCOM，CORBA等对象，封装应用系统的逻辑程序代码，执行特定企业功能，然后把这些企业对象分发到应用服务器。
1.2体系结构
三层或多层体系结构中比二层C/S结构增加了一个中间层到客户端和数据库端间。中间层的实现有多种方法，目前最常用的是应用服务器，把使用的事务和消息服务器看作应用系统的基础“中间件”平台[4]，客户端程序不直接与数据库服务器通信，而是通过中间层⁃应用服务器来访问，当有客户端程序发出数据请求时，通过指令传送到应用服务器，应用服务器接到指令后，调用相应函数（Function）、过程（Procedure）等业务逻辑来向数据库服务器发出指令，数据库服务器经过运算后，将处理结果反馈至应用服务器，再由应用服务器将中间结果反馈至客户端程序，从而大大减少数据库端访问量过大的开销，提高数据处理能力和系统运行效率[5]，如图1所示。
图1 三层C/S体系结构
1.3MIDAS技术
多层分布式应用服务包（Multi⁃tier Distributed Application Services Suite，MIDAS），在Delphi企业版里被用来创建多层应用程序。MIDAS提供了一套高级组件、服务和核心技术，可以简化跨平台（Windows，UNIX，Linux）、跨产品的多级分布式应用系统的开发，通过它可以用相同的组件访问不同的后端应用程序服务器，在带宽具有挑战性的网络中，与其他解决方案所产生的分布式应用相比，具有更快、更容易和更高的特性[6]。
MIDAS三层体系结构指逻辑上的三层，即应用表示层、应用逻辑层和数据层。应用表示层主要负责用户端界面，提供给用户一个操作方便且简单快捷的应用服务接口；应用逻辑层（或为应用服务器）是整个结构中最重要的部分，实现应用程序的应用逻辑处理；数据层（又为数据库服务器）则负责数据的存取和管理。应用逻辑层将业务规则、数据访问及合法性检验等工作放到了中间层进行处理。通常情况下，客户端不直接与数据库进行交互，而是通过通信协议与中间层建立连接，再经由中间层与数据库进行交互。Delphi对多层分布式应用程序的支持主要得益于其MIDAS技术，该技术允许分割数据库应用程序，并实现对商业规则和进程的集中管理[7]。
2系统分析与设计
2.1系统需求分析
在软件工程理论中，需求分析是软件工程设计最重要的一环，是连通用户与软件开发人员的桥梁，是整个开发过程的重要基础。电子元器件因种类多、设计期间用量大、参赛参训人数多、实验人员管理杂等特点，元器件管理系统需要有准确、全面的一手用户需求资料，从而设计出符合要求的功能需求，为电子设计竞赛实验室管理人员提供高效、准确的统计与分析数据，更好地做好服务[8]。归纳出以下需求：
（1） 元器件基本要素：元器件是元件和器件的概称，包括元器件类别、名称、规格、型号等要素。
（2） 元器件存放要素：为方便电子设计实训时学生快捷领用元器件，在元器件存放时，严格按规定存放到指定编号的小器件单元，单元按元器件类别分类存放，按序编号。
（3） 元器件采购要素：包括元器件类别、名称、规格、型号、日期、数量、单价、供应商等。
（4） 元器件的出库要素：学生领用和元器件调拨，包括元器件类别、名称、规格、型号、数量、出库类别、领用人学号、姓名（或被调拨单位名称）、领用日期等要素。
（5） 用户信息：包括实验室管理人员、学生，权限分为查询、统计、入库、出库、可领用等。
（6） 系统的功能需求。根据电子设计竞赛实训元器件管理的特性及元器件发放的流程分析，电子元器件管理系统需要完成的功能有：元器件基本设置、采购及入库、元器件发放（或领用）、元器件调拨、元器件库存统计及预警、元器件相关查询等功能。
2.2系统的功能设计
通过上述的系统需要分析，设计出本系统应完成的具体功能结构（如图2所示）。
图2 元器件管理系统功能结构图
（1） 用户权限管理功能模块。电子设计竞赛日常培训由实验室工作人员管理，负责元器件的采购计划、元器件的发放与回收、库存分析等工作。按用户的实际操作范围，生成不同的角色，每一角色具有不同的使用权限，然后为不同的操作用户分配不同的角色。权限分为：普通管理员、超级管理员。
（2） 元器件仓库管理功能模块。对元器件仓库按元器件的类别进行分类管理，并按元器件的规格、型号来分别设置元器件仓库存放地点，设置统一编号管理元器件仓库。可实现按仓库编号查元器件名称、数量等操作；可根据元器件查找仓库，方便学生领用时快速寻找元器件。
（3） 元器件进库管理功能模块。根据年度采购计划；采购后元器件入库。入库信息包含供应商、价格、日期、仓存单元编号等信息；该模块能实现数据的录入与修改操作及元器件的入库和查询汇总操作等功能。
（4） 元器件出库功能模块。元器件出库方式主要有：学生领用元器件、元器件调拨。学生领用元器件，需先经远程预约领用，由实验室人员按预约进行发放；实验室人员能根据预先设定的元器件存放地址准确找到元器件；元器件调拨必须要有调入单位信息，需经超级管理员审核方可执行。
（5） 元器件库存预警功能模块。根据实际库存及系统预设预警数量，系统自动并作出相应库存预警。
（6） 元器件仓存统计查询功能模块。按各种统计要求设计各类统计查询功能，可统计某段时间内元器件的使用量，并可生成各类报表。
（7） 条码管理。学生学号、元器件均采用条码管理，方便录入。
2.3系统的体系结构设计
电子元器件管理系统建立在局域网和关系数据库的基础之上，将存在于实际操作和数据库中的数据抽象为业务逻辑对象，通过对象管理框架进行管理。在此基础上，构建若干适应电子竞赛用元器件实际情况的功能模块，通过友好的用户界面与用户交互，完成电子设计竞赛和实验室人员元器件管理服务的系统。其中：
（1） 对象管理框架层：提供实现电子元器件管理的各种功能的核心构架；
（2） 系统功能模块层：在用户界面层，用户命令的处理均由各项功能模块完成；
（3） 图形用户界面层：提供友好的交互式的图形界面，使学生和实验室人员可以直观方便地完成电子元器件管理系统的各项功能；
（4） 系统支持层：电子元器件管理系统是一个多层分布式的管理系统，分布式技术及网络技术有效支持分散数据的集中管理，而关系数据库的数据操作功能有效支持了系统对象在底层数据库的管理[9⁃10]。
3系统的具体实现与特点
根据多层分布式系统的结构和电子元器件管理的特点，分别实现该系统数据库层、业务逻辑层、用户表示层的详细设计。
3.1系统数据库层服务器的实现
根据电子元器件管理系统的功能要求，选取MicroSoft SQL Server 2000作为后台数据库。SQL Server2000具有强大的数据管理功能，支持数据的完整性、安全性管理和并发控制。在数据库服务器中构建关系数据库（ElecComponentsDb），建立若干个数据表，分别存放用户权限管理、元器件类别、元器件入库资料、元器件领导用管理、元器件调拨等信息，并设置若干个由多个表JOIN连接的视图，以设计各类管理功能需要的交叉查询功能。大量在客户端不能完成的系统功能，全部设计为数据库服务器端的存储过程，用存储过程来实现系统功能，达到了既快速，又安全的目的。主要存储过程有：
（1） 元器件领库存余量计算算法功能：PROCEDURE ElecChipsCalc；
（2） 元器件分类汇总：PROCEDURE ElecChipsStas；
（3） 元器件进仓处理：PROCEDURE ElecCmpsIn；
（4） 元器件领用处理： PROCEDURE ElecCmpsOut等。
3.2应用服务器的建立
（1） 使用数据集组件连接远程数据库
使用Delphi7.0分布式VCL组件建立一个OLE Automation服务器，客户端程序通过应用服务器的IAppServer接口连接客户端应用程序供其调用。通过加入读取INI文件中存储的服务器、用户名、口令等信息的代码以及授权等信息码后。从外置INI文件读取信息的程序代码如下：
sf：Tinifile；//INI文件实例
begin
sf：=Tinifile.Create（ExtractFilePath（Paramstr（0））+'ScunSys.ini'）；
with sf do
begin
edtserv.text：=readstring（'system'，'Server'，'（Local）'）；
edtdb.text：=readstring（'system'，'DbName'，'scunpersondb'）； //
edtuser.text：=readstring（'system'，'UserName'，'sa'）；
edtpwd.text：= readstring（'system'，'password'，'**'）；
// 读取服务器信息、数据库、User用户信息、Password口令信息等
end；
（2） 通过RDM的IAppServer接口来存取远程数据库的数据集
在RDM中通过数据集组件的方式显然不能完全解决数据的高速存取及数据连接池的问题，且安全性不能得到保障，故在本系统中采用了通过设置IAppServer接口函数来实现数据集的存取操作.
在系统中，根据获取数据集、存储数据集及其他功能实现的方式设立以下几种主要的业务函数：
① 通过数据库端存储过程获取数据。（有数据集返回）
function AccqDataFromStoreproc （）： OleVariant； 该函数返回值为一数据集，直接赋值给DataSet.Data，从客户端接收SQL语句获取数据。程序代码如下：
function TScunAppS.AccqDataFromStoreproc（const spName： WideString；Params： OleVariant； const spdname： WideString）： OleVariant；
var
i：integer；
sconn：Tadoconnection； //设置TAdoConnection实例
fromsp：TadoStoredproc； //设置TAdo Storedproc；实例接收客户端传递的存储过程名称及其参数列表
begin
sconn：=Tadoconnection.create（self）；
if ScunAppInfo.ConnectDB（sconn） then
begin
fromsp：=TadoStoredproc.Create（self）；
spdsp：=Tdatasetprovider.Create（self）；
with spdsp do
begin
DataSet：=fromsp；
exported：=true；
resolvetodataset：=true；
name：=spdname；
end；
with fromsp do
begin
close；
connection：=sconn；
Procedurename：=spname；
if （varisarray（params）） then
begin
parameters.Clear；
for i：=vararraylowbound（params，1） to vararrayhighbound（params，1） do
begin
Parameters.Add；
Parameters[i].Value：=params[i]；
//从params分离出存储过程参数
end；
end
else
exit；
prepared：=true；
try
active：=true；
result：=spdsp.Data； //获取数据集，Variant参数回传客户端
except
on e： Exceptiondoraise；
end；
end；
end；
scunappinfo.stpspname：=spdname；
end；
② 更新数据集函数有两个：UpdateByScript，UpdateByStoreProc，从客户端接收SQL语句更新数据集。
③ 其他类函数：ECmpLogin， ECmpUnLogin，ReleaseDSProvider，用于对应用服务器的操作和管理。
3.3客户端应用程序的建立
在Delphi中建立一个项目组，连接应用程序服务器，然后建立一个新的Application应用程序。新建一数据模块，加入一个MIDAS组件板中的TDCOM Connection组件，设定其Computer Name属性值为应用程序服务器位于的主机名称。设定TDCOM Connection要使用的应用程序服务器，设置应用程序服务器的GUID和填在TDCOM Connection的ServerGUID属性值。再添加TClientDataSet组件，设置其Provider Name 属性值，激活TClient DataSet的实例，使其通过中间层从数据库服务器中取得数据集。
在多层体系中，应用程序将待更新的数据暂存在客户端应用程序中，系统真正要求将数据集更新回数据库时，必须调用应用程序服务器提供的Apply Updates方法，才会把更新的数据集真正的更新回后端数据库中，其更新方法如下：
If（DataModule1.Clientdataset1.changecount>0） then
//判断数据集是否有更新发生
begin
DataModule1.Clientdataset1.Post；
DataModule1.Clientdataset1.ApplyUpdates（0）；
//更新数据集至数据库
end；
3.4主要功能模块的实现
（1） 根据系统的功能设计详细设计书，制作程序用户界面图，并编写程序代码，实现电子元器件管理系统的各项主要功能。如图3所示为电子元器件管理系统的主界面窗口。
图3 电子元器件管理系统主界面图
（2） 用户登录密码加/解密算法实现。因使用的数据库SQL Server2000存放用户信息的表字符均为明文，而管理人员复杂，登录用户密码易被泄密，故采用异或算法来对用户密码明文进行加密，读取密码时进行解密。具体算法如下：
ss：=''；
ts：=trim（passWord.text）； //用户输入的密码加密
for i：=1 to length（ts） do
ss：=ss+char（ord（ts[i]） xor 127）；
解密算法同样采用xor算法来实现。
（3） 元器件入库管理模块。系统设定元器件入库前必须要有预算计划，每次入库自动生成一个入库单号，然后在该入库单下进行元器件各类参数信息的录入。见图4为元器件入库管理模块。
图4 元器件入库管理模块图
（4） 元器件领用管理模块。在电子设计日常实训中，学生经常要进入实验室进行领用元器件，在领用元器件前学生必须经过系统的预约，预约领哪些元器件，并经指导老师审核后，方可到实验室领取所预约的元器件。元器件领用管理模块实现功能如图5所示。
图5 元器件领用管理模块图
其他功能模块均已按设计要求进行实现，并经测试使用正常。在系统的使用过程中，学号、元器件编号无使用条码录入，增添了程序的可操作性和快捷性。
3.5多层稳固性及容错与负载平衡能力的处理
系统采用了多个应用服务器来同时处理客户端进程，系统的稳固性必然受到影响，程序在开发过程中使用DELPHI提供的TSimple Object Broker 组件的内置功能来实现系统的稳固性。通过修改TSimple Object Broker的属性servers值来添加及维护一个能够执行应用程序服务器的机器列表，并设置TDCOM Connection 或TSocket Connection以连接远程服务器。当连结的主机故障时， TDCOM Connection 或TSocket Connection 可以从TSimple Object Broker 取得一个新的能够执行应用程序服务器的远程机器名称，然后再连结到这台新机器以取得应用程序服务器的服务[11]。
本系统采用动态平衡算法来保证负载平衡能力，主要依靠TSimple Object Broker组件强大的功能，设定TSimple Object Broker 的LoadBalanced 属性来提供简单的负载平衡能力。这样当某台应用服务器出现故障时，客户端系统能通过TSimple Object Broker组件的负载平衡能力自动寻找正常运行的应用服务器，并接管该进程的管理功能，从而达到负载平衡的功能。
开关电源设计与原理范文第2篇
【关键词】开关；电源；原理；趋势
电子设备的运作需要电源供电，因而一个安全高效的电源，是组成技术指标合格的电子设备的必要部件之一。当下最常见的直流稳压电源主要有两类，一类是线性电源，另一类是开关电源。线性电源稳定性较好，输出纹波电压小，但要浪费较多的调整管功率，所以电源体积较为臃肿。相比之下，开关电源高效节能，外形小却能稳定输出较高电压，并且扩充方便，包含技术含量高，常被应用于数码设备、计算机等。开关电源是稳压电源未来发展的主流趋势，在当下已经较为普遍的应用于各个领域。
一、开关电源的基本原理及组成
（一）开关电源的基本原理
根据控制原理的差异，开关电源分为三种：脉宽调制、脉频调制和混合调制。
（1）脉冲宽度调制式，简称脉宽调制式（Pulse Width Modulation，缩写为PWM），当前集成开关电源多采用此种方式。这种方式稳定电压的方式是，在开关频率不变化的前提下，依靠脉冲宽度的增大或缩小改变占空比例，进而调节电压达到稳定。它核心部件是脉宽调制器。滤波电路的运行十分便捷，因为开关是按照稳定的周期工作的。然而，这种控制方式也有缺陷，它不能宽范围地调整输出的电压，因为受功率开关最小导通时间不够的话，就不能完成宽范围的调整。还有一个缺陷就是，输出端要求较高，为了避免空载时电压输出上升，需要安排接假负载。
（2）脉冲频率调制方式，简称脉频调制式（PulseFre-quency Modulation，缩写为PFM）。在这种调制方式运作的时候，脉冲宽度是固定的，开关频率的增加或减少控制了占空比，使得电压保持稳定。脉频调制器是它的核心部件。设计电路的时候，它不使用脉宽调制器中的锯齿波发生器，取而代之的是，用固定脉宽发生器，同时，使用电压/频率转换器来调节频率的变化。
这种调节方式的基本原理是，调节控制器输出信号的脉冲宽度的运转周期，改变其占空比，从而控制输出电压Uo保持稳定。它输出电压范围宽，输出端可不接假负载。
（3）混合调制方式，在这种调整方式下，可以灵活调整脉冲宽度或开关频率，它属于PWM和PFM的混合方式。混合调制方式兼有脉宽调制器和脉频调制器两种组件。由于tp和T均可单独调节， 因此占空比调节范围最宽，适合制作供实验室使用的输出电压可以宽范围调节的开关电源。
此三种方式都可以叫做时间比率控制（TimeRatio Control， 简称TRC）方式。其中，脉宽调制器在诸如UC3842型脉宽调制器中是一个独立的集成电路，而在LM2576型开关稳压器、TOP250型单片开关电源集成电路中与其他设备一同集成使用。
（二）开关电源的组成
（1）输入电路：线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路。
（2）变换电路：含开关电路、输出隔离（变压器）电路等，是开关电源电源变换的主通道， 完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出。
（3）控制电路：向驱动电路提供调制后的矩形脉冲，达到调节输出电压的目的。基准电路、采电路、比较放大、V/F变换、振荡器。基极驱动电路：把调制后的振荡信号转换成合适的控制信号， 驱动开关管的基极。
（4）输出电路：整流、滤波。把输出电压整流成脉动直流，并平滑成低纹波直流电压。
二、电源开关的发展趋势
开关电源是稳压电源未来发展的主流趋势，在当下已经较为普遍的应用于各个领域。接下来，笔者立足当前的开关电源的发展实际和理论发展，浅析开关电源的未来其发展趋势。
（一）小型高频化
磁性元件和电容的大小和质量决定了电源大小。当前的技术开发的一个方向在于，减小这些元件的大小，并尽可能低提升开关频率。这样既能减小电源尺寸受到磁性元件和电容尺寸和重量的影响，还能避免受到不必要因素的干扰，提升系统性能，所以小型高频化是开关电源的发展趋势之一。
（二）使用稳定化
比起线性使用的电源，开关电源的使用次数要多好多倍，由于经常使用其稳定性便不如前者。电解电容、光耦合器及排风扇这些部件是决定使用的稳定性和时间长短的要素。因此，当下的设计正是从集成度的提升着眼，尽力地改善器件的使用，增强开关电源的稳定性。进化，开关电源的集成度还有待提高。比较可取的是，利用模块化技术，它可以提升开关的稳定性，适合用于分布式电源系统。
（三）低噪化
在传统的开关电源中，频率越高噪声越大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声，所以低噪声化也是开关电源的未来发展趋势之一。
（四）计算机智能控制化
当前计算机操作系统不断革新，未来的电路将会加以结合，利用微机检测和控制，能有效、多反面监控系统，实时检查、登记和预警等。
（五）低压输出化
随着半导体制造技术的不断发展，微处理器和便携式电子设备的工作越来越低，这就要求未来的DC-DC变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求。
三、总结
本文的上半部分，分析了开关电源根据控制原理的差异可以分为三种：脉宽调制、脉频调制和混合调制，同时还介绍了开关电源的结构及构成原理。
后半部分，立足当前的开关电源的发展实际和理论发展，分析未来其发展趋势为：小型高频化、使用稳定化、低噪化、计算机智能控制化和低压输出化等。
参考文献
[1]沙占友.新型单片开关电源的设计与应用[M].北京：电子工业出版社，2001.
[2]沙占友，王晓君，庞志锋.集成稳压电源实用设计软件[M].北京：中国电力出版社，2008.
开关电源设计与原理范文第3篇
【关键词】PWM；双闭环；检测仪器；开关电源
0 引言
随着我国科技不断稳步发展，越来越多的设备需要用到电源，如：稳压电源、直流电源、交流电源等等。但随着设备先进性的不断提高，设备的功能越来越强大，对电源的要求也越来越高，特别是检测仪器仪表，精度要求非常高，需要有非常稳定可靠的电源来确保测量精度。因此，开关电源取代普通的电源设备，广泛应用于检测仪器仪表中。本文设计一种基于PWM脉冲宽制调试的双闭环开关电源，采用国外先进的全波整流控制器，该控制器工作模式不仅可以是电流式也可以是电压式，还能够为谐振零电压开关提供高效、高频的解决方案，因此具有非常广阔的应用前景。本文采用全桥整流装置，利用双闭环负反馈的直流-直流变换控制系统，能太太提高开关电源的电压、电流等精度，符合检验检测仪表行业的要求。
1 检测仪器电源系统概况
随着信息时代的发展，便携式电子产品被越来越多的消费者亲睐。与此同时，解决能量消耗即电源管理问题成为重中之重。因此，具有高效节能特型的开关电源在近年来发展迅速，并在计算机通讯等领域的应用越来越广泛。而PWM型开关电源芯片就具备了此类特性，其核心技术集中在控制环节。此设计采用PWM控制电路，适用于开关电源芯片控制。对PWM调制电路为保证开关电源正常工作应具有的功能展开分析，得到设计要求。对PWM控制电路的组成模块、分类、基本原理及各项性能指标，进行细致深入的研究，最后得到调制电路的基本电路结构及满足性能指标的组成模块，对各个模块的功能和逻辑是电路设计的重点，最终该电路实现能产生一定脉冲驱动信号的功能。
2 系统控制原理图
双闭环负反馈PWM秒冲宽制调制系统中，有两级的反馈系统。串级系统即是电流双闭环反馈系统，而转速反馈构成外环系统，内环是电流反馈。本方案设计三处进行系统的电流取样反馈，取拥缌髦岛拖低成杓频牡缌髦迪啾冉希当取样电流值过大时，系统会自动调节降低工作电流；但取样的电流过小时，系统会自动调节提高工作电压，这是内环电流反馈的工作情况。外环的转速反馈系统，系统通过电压检测装置检测系统的电压情况，再与设计的电压值相对比进行电压高低的调节，达到稳定电压的效果。基于双闭环的设计思想，图1中的各个部分相互独立工作、互不影响，如果某一部分出现故障，不影响另一部分系统的工作，系统内部由电流形成负反馈，外部由电压形成负反馈系统。电流电压负反馈一起运作，能太太的提高系统的稳定性和进度，满足检测仪器仪表的使用要求，达到良好的效果。双闭环反馈系统原理如图1所示。
图1所示虚线框中的1#.2#.…….N#是各个高频开关电源，其稳压或稳流精度很高，原因在于该内部自动控制原理图最终可以简化为一阶系统比例积分环节，图中它们工作在稳流状态下。
3 硬件电路设计
图2为开关电源的硬件电路组成部分，设计采用国外先进的放大器作为本设计的核心器件。芯片的1脚与3脚相连接，构成差分放大，能有效的减小误差，提高设计的精度。
图2所示输出法人取样电压通过R5和R6设置，电压输出端与电阻5和6形成零点电位，电阻1/2/3与电容1/2/3形成效应，与PI构成补偿系统，电阻1和7在电路中形成增益作用。在电流内环中加入斜坡补偿以保证系统的稳定性。硬件电路通常容易出现不对称信号的问题，本设计利用电压负反馈补偿信号的作用，将电阻8作为上拉电阻提供直流电压，与RC构成的多谢震荡器作用，提供反馈电压，从而解决波形的不对称性。图中电流检测信号Is经过I-V变换电路转换成电压信号。芯片741是一个PWM脉冲宽制比较器，根据比较器原理，依据三极管放大电路原理，在芯片3脚接地，芯片的2脚相当于一个反相输入端，对信号进行比较。其内部的过流及限流比较器实现逐周期过流及限流保护。当2 V2.5 V时，执行过流保护模式。
4 结语
本设计依据3895芯片，利用双闭环负反馈的原理，引入电流负反馈和电压负反馈，提高了开关电源的精度，利用PWM脉冲宽制调制技术，提高了电源变换的效率和稳定了。开关电源系统设计之后，对该系统多次进行调试测，反馈结果稳定良好，系统稳定性好，动态响应快，证明本方案是可行的。
【参考文献】
开关电源设计与原理范文第4篇
【关键词】开关电源;分类;原理;布局;故障检修
1.引言
随着许多高新技术的发展，开关电源技术在不断地创新。开关电源的设计要以安全性、可靠性为首要原则，在各种指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在突发故障情况下安全可靠地工作，本文将详细的分析开关电源的分类、结构、原理、布局、故障提出及检修的技巧分析探讨以供大家参考。
图1 开关电源原理框图
2.开关电源的分类
顾名思义，开关电源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DC/AC、DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。
开关电源一般有三种工作模式：频率、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。前一种工作模式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换;后两种工作模式多用于开关稳压电源。另外，开关电源输出电压也有三种工作方式：直接输出电压方式、平均值输出电压方式、幅值输出电压方式。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换;后两种工作方式多用于开关稳压电源。
根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源（后面简称变压器开关电源）还可以进一步分成：推挽式、半桥式、全桥式等多种;根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、单激式和双激式等多种;如果从用途上来分，还可以分成更多种类。
3.开关电源的结构
开关电源主要由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份构成。
（1）主电路
冲击电流限幅：限制接通电源瞬间输入侧的冲击电流。
输入滤波器：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。
整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电。
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。
输出整流与滤波：根据负载需要，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，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。
4.开关电源原理
我们的各种电路系统里常常会用到开关电源，主要用于获得一定功率的直流电源（多数是24V），我们常看到的开关电源外观上多数象一个小主箱，通过表面开出的很多散热孔可以看到里面的电路板。
高频开关电源由以下几个部分组成：
（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。
（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。
（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。
（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”
（TimeRatioControl，缩写为TRC）。按TRC控制原理，有三种方式：
（1）脉冲宽度调制（PulseWidthModula-tion，缩写为PWM）开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。
（2）脉冲频率调制（PulseFrequencyModula-tion，缩写为PFM）导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。
（3）混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。
开关电源原理框图见图1所示。
（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R0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。
注意：开关电源负反馈电路及变压器次级绝不能开路，否则会损坏电路其他部分。
5.开关电源的布局
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。
当设计高频开关电源时，布局非常重要。良好的布局可以解决这类电源的许多问题。因布局而出现的问题，通常在大电流时显现出来，并且在输入和输出电压之间的压差较大时更加明显。一些主要的问题是在大的输出电流和/或大的输入/输出电压差时调节能力的下降，在输出和开头波形上的额外噪声，以及不稳定性。应用下面的几个简单原则就可以把这类问题最小化。
（1）电感器
开关电源尽量使用低EMI（Electro Magnetic Interference）的带铁氧体闭合磁芯的电感器。比如圆形的或封闭的E型磁芯。如果开口磁芯（open cores）具有较低的EMI特性，并且离低功率导线和元件较远，也可以使用。如果使用开口磁芯，使磁芯的两极与PCB板垂直也是一个好主意。棒状磁芯（stick cores）通常用来消除大部分不需要的噪声。
（2）反馈
尽量使反馈回路远离电感器和噪声源。还要尽可能使反馈线为直线，并且要粗一点。有时需要在这两种方案之间折衷一下，但使反馈线远离电感器的EMI和其它噪声源是两者当中更关键的一条。在PCB上使反馈线位于与电感器相对的一侧，并且中间用接地层分开。
（3）滤波电容器
当使用小容量瓷质输入滤波电容器时，它应该尽可能靠近IC的VIN引脚。这将消除尽可能多的线路电感影响，给内部IC线路一个更干净的电压源。开关电源一些设计需要使用前馈电容器从输出端连接到反馈引脚，通常是为了稳定性的原因。在这种情况下，它的位置也应该尽量靠近IC。使用表贴电容还会减少引线长度，从而减少噪声耦合进因通孔元件而造成的有效天线（effective antenna）。
（4）补偿
如果为了稳定性，需要加入外部补偿元件，它们也应该尽量靠近IC。这里也建议使用表贴元件，原因同对滤波电容的讨论。这些元件也不应该离电感器太近。
（5）走线和接地层
使所有的电源（大电流）走线尽可能短、直、粗。在一块标准PCB板上，最好使走线的每安绝对最小宽度为15mil（0.381mm）。电感器、输出电容器和输出二极管应该尽可能靠在一起。这样可以帮助减少在大开关电流流过它们时，由开关电源走线引起的EMI。这也会减少引线电感和电阻，从而减少噪声尖峰、鸣震（ringing）和阻性损耗，这些都会产生电压误差。IC的接地、输入电容器、输出电容器和输出二极管（如果有的话）应该一起直接连接到一个接地面。最好在PCB的两面都设置接地面。这样会减少接地环路误差和吸收更多的由电感器产生的EMI，从而减少了噪声。对于多于两层的多层板，可以用接地面分开电源面（电源走线和元件所在的区域）和信号面（反馈和补偿元件所在的区域）以提高性能。在多层板上，需要使用通孔把走线和不同的面连接起来。如果走线需要从一个面传输一个较大的电流到另一个面，每200mA电流使用一个标准通孔，是一个良好的习惯。
排列元件，使得开头电流环同方向旋转。根据开头调节器的运行方式，有两种功率状态。一个状态是当开头闭合时，另一个状态是当开头断开时。在每种状态期间，将由当前导通的功率器件产生一个电流环。排列功率器件，以使每种状态期间电流环的导通方向相同。这会防止两个半环之间的走线产生磁场反转，并可减少EMI的放射。
（6）散热
当使用表贴功率IC或外部功率开关时，PCB通常可以用作散热器。这就是用PCB上的敷铜面来帮助器件散热。参照特定器件手册中有关使用PCB散热的信息。这通常可以省去开关电源外加的散热装置。
6.开关电源常见故障及检修技巧
6.1 开关电源常见故障
（1）保险烧或炸;（2）无输出，保险管正常;（3）有输出电压，但输出电压过高;（4）开关电源负载有短路故障;（5）输出电压端整流二极管、滤波电容失效。
6.2 开关电源检修技巧
（1）针对保险烧或炸的故障主要检查300V上的大滤波电容、整流桥各二极管及开关管等部位，抗干扰电路出问题也会导致保险烧、发黑。需要注意的是：因开关管击穿导致保险烧一般会把电流检测电阻和电源控制芯片烧坏。负温度系数热敏电阻也很容易和保险一起被烧坏。
（2）针对无输出，保险管正常的这种现象说明开关电源未工作或进入了保护状态。首先要测量电源控制芯片的启动脚是否有启动电压，若无启动电压或者启动电压太低，则要检查启动电阻和启动脚外接的元件是否漏电，此时如电源控制芯片正常，则经上述检查可以迅速查到故障。若有启动电压，则测量控制芯片的输出端在开机瞬间是否有高、低电平的跳变，若无跳变，说明控制芯片坏、振荡电路元件或保护电路有问题，可先代换控制芯片，再检查元件;若有跳变，一般为开关管不良或损坏。
（3）对于有输出电压，但输出电压过高的这种故障一般来自于稳压取样和稳压控制电路。在直流输出、取样电阻、误差取样放大器如TL431、光耦、电源控制芯片等电路共同构成一个闭合的控制环路，任何一处出问题就会导致输出电压升高。
（4）开关电源负载有短路故障（特别是DC/DC变换器短路或性能不良等），此时，应该断开开关电源电路的所有负载，以区分是开关电源电路还是负载电路有故障。若断开负载电路电压输出正常，说明是负载过重;或仍不正常说明开关电源电路有故障。
开关电源设计与原理范文第5篇
关键词 开关电源；电磁干扰；电磁兼容性设计
中图分类号TN86 文献标识码A 文章编号 1674-6708（2011）37-0183-02
1 概述
由于开关电源的电磁干扰EMI信号输出既能有很宽的频率范围，又具有一定的幅度，经传导和辐射后会污染电磁环境，对通信设备和电子产品造成干扰。因此，如何进行电磁兼容性设计，有效地抑制开关电源的电磁干扰，对保证电子系统的正常稳定运行具有重要意义。
2 开关电源的电磁干扰
2.1 开关电源的工作原理
直流开关电源由输入部分、功率转换部分、输出部分、控制部分组成。功率转换部分是开关电源的核心，主要由开关三极管和高频变压器组成。它首先将工频交流电整流为直流电，然后经过开关管的控制变为高频，最后经过整流滤波电路输出，得到稳定的直流电压（其原理图及等效原理框图如图1所示）。
2.2 电磁干扰EMI的特点
作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大，干扰源主要集中在开关管、输出二极管和高频变压器等。同时，杂散电容会将电网的噪声传导到电子系统的电源而对电子线路的工作产生干扰。相对于数字电路干扰源的位置较为清楚，开关频率不高（从几十千赫和数兆赫兹），主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰； PCB走线因需采用手工调整，具有随意性，这更增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度。
3 电磁兼容性EMC设计
图1
电磁兼容性EMC设计包括两层含义，一是设备在工作中产生的电磁辐射必须限制在一定水平内，二是设备本身要有一定的抗干扰能力。
形成电磁干扰的三要素是干扰源、耦合通道、敏感体。因而，抑制电磁干扰即进行电磁兼容性EMC设计首先应该抑制干扰源，直接消除干扰原因；其次是消除干扰源和受扰设备之间的耦合和辐射，切断电磁干扰的传播途径；第三是提高受扰设备的抗扰能力，减低其对噪声的敏感度。
应用实例：丹东华通测控有限公司生产的PDM系列智能电力综合监控仪表如：三相综合电力监控仪820系列仪表的开关电源部分就是采取切断电磁干扰源和受扰设备之间的耦合通道，运用了屏蔽、滤波、接地等技术来提高电力仪表的抗扰能力。
3.1 采用屏蔽技术
由于功率开关管和输出二极管通常有较大的功率损耗，为了散热需要安装散热器或直接安装在电源底板上，这样易产生共模干扰，通过采用两层绝缘片之间夹一层屏蔽片，并把屏蔽片接到直流地上，从而割断了射频干扰向输入电网传播的途径。
3.2 做到安全接地
为降低接地阻抗，消除分布电容的影响而采用单点接地法，利用一个导电平面作为参考地，需要接地的各部分就近接到该参考地上。低频电路采用单点并联接地，高频电路采用多点接地，并把电源地、信号地和屏蔽地接到公共的地线上。与印刷线路板以外的信号相连时，采用屏蔽电缆，并对于高频和数字信号屏蔽电缆两端都接地。
3.3 滤波
在电源输入端接上滤波器，即可抑制开关电源产生并向电网反馈的干扰，又可抑制来自电网的噪声对电源本身的侵害。
3.4 PCB布线时所采取的措施
布线开关电源中包含有高频信号，PCB上任何印制线都可起到天线的作用，噪声通过引线向外发射，因此布线时，将所有通过高频交流的电流印制线设计得尽可能短而宽，根据印制线路经电流的大小，尽量加粗电源线宽度，减少环路电阻。
在每个集成电路的电源，地之间都要加一个去耦电容。一方面可提供和吸收该集成电路开门关门瞬间的充放电能；另一方面旁路掉该器件的高频噪声。
将所有连接到印制线和其他电源线的元器件放置得很近，主要信号线集中在PCB板中心，同时电源线尽可能远离高频数字信号线或用地线隔开。屏蔽线上放置多个接地过孔，元器件与板保持水平且紧靠板。
3.5 元器件选用
尽量不选用比实际需要的速度更快的元件，在布局上，把模拟信号部分，高速数字电路部分，噪声源部分这三部分合理地分开，使相互间的信号耦合为最小。输入器件与输出器件尽量远离，元件的引脚长度尽可能短，以减小元件分布电感的影响。
3.6 进行EMC测试
在测试仪器方面，我们选用了以雷击浪涌发生器、高频噪声抗扰度发生器、群脉冲发生器、静电发生器等为核心的自动检测系统，依据EMC标准规定的极限值作为判定依据，通过进行EMC测试可以消除绝大部分的电磁干扰，能指导产品如何改进设计、抑制EMI发射，从而进一步提高产品的可靠度。
现PDM系列智能电力综合监控仪表能适用多种复杂环境及恶劣场所，应用在诸永高速公路、北京德胜科技大厦项目等多个工程项目中。
4 结论
抑制开关电源电磁干扰的措施还有很多，在设计开关电源时应综合考虑各种因素，尽可能抑制开关电源产生的各种噪音，并通过提高开关电源的电磁兼容性来保证电子系统的正常稳定运行。
参考文献
[1]张松春，赵秀芬，竺子芳，杨世宗.电子控制设备抗干扰技术及其应用[M].北京机械工业出版社，1999.
