用于通信系统的低电压、大电流电源及其设计实例
低压大电流直流开关电源
低压大电流直流开关电源电磁兼容设计研究来源：| 作者：鲁莉，邹云屏| 发布时间：2010-01-11 16:20:06 | 浏览：153次【字体：大中小】摘要:文章提出了一种符合1}C要求的低压大电流直流开关电源的设计方法。
该方法运用12脉波整流器和zv sRRTM技术来减少卞电路的dU ldt( dildt)和电磁干扰。
另外，针对设备特性，在系统设计、PCB板布线、高频变压器上艺和结构设计等方而采用了一些必要的电磁兼容措施。
电磁兼容实验验证了这些方法的有效性。
关键词:12脉冲整流器;ZVS PWM控制;电力电子;电磁兼容设计0引言随着电力电了技术的发展，开关电源被广泛地应用于计算机及其外围设备、通信、自动控制、家用电器等各个领域。
但由于开关电源工作过程中LBT等开关元件的高频通断会产生很大的dU ldt( di /dt)，形成很强的电磁干扰(ELVI I)，其频率可从儿1}I Z直到数十MH;严重超出电磁兼容(EUI C)标准要求的极限值。
如何降低开关电源的ELVI I成为一个函待解决的热点问题。
本文论述一台10 kW低压大电流直流开关电源在研制过程中，从拓扑到工艺引入多种方法改善了装置的电磁兼容性，以满足客户要求。
10 kW开关电源的干扰源分析10}直流开关电源工作在高频、低压、大电流开关状态，并以占空比来控制输出电压值，其工作频率为20 1dI z。
产生电磁干扰最根本的原因，就是其在工作过程中电源线路内、IU ldt, di /dt很大，它们产生的浪涌电流和尖峰电压形成了干扰源。
整流滤波使用的大电容充电放电、开关管高频工作时的电压切换、输出整流二极管的反向恢复电流都是这类干扰源。
它们通过电源线以共模或差模方式向外传导，同时还向周围空问车nPI射，形成噪声。
2主电路拓扑结构分析本电源的输入为:380 V /50 H;对应输出为28V/350人是一个低压大电流的设备。
针对这样的功率电源，采用了2级变换器。
用于通信系统的低电压、大电流电源及其设计实例
用于通信系统的低电压、大电流电源及其设计实例
Wei Chen
【期刊名称】《电子设计应用》
【年(卷),期】2002(0)A1
【摘要】为了处理日益复杂的实时计算问题，通信系统采用了大量高性能芯片，对更高计算速度的需要促使人们相应的提高时钟频率，电源电流也随之增加。
此时线性调压器电路已经很难适应电源设计的要求。
不过采用高性能开关电源结构，则可以获得高性能的电源。
【总页数】3页(P74-76)
【作者】Wei Chen
【作者单位】Linear Technology Corp.
【正文语种】中文
【中图分类】TM46
【相关文献】
1.基于SG3525的大电流低电压开关电源设计 [J], 牟翔永;张晓春;林刚;孙秀斌
2.低电压大电流混合型直流电源装置研究及应用 [J], 孙海奇
3.用于通信系统的低压、大电流电源:挑战、趋势与设计实例 [J],
4.双相Buck实现低电压大电流的电源设计 [J], 方良驹;秦会斌
5.超宽电压范围输入低电压大电流输出的无人机开关电源设计 [J], 黄彪
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3V10A低压大电流反激式同步整流开关电源的研究与设计的开题报告
3V10A低压大电流反激式同步整流开关电源的研究
与设计的开题报告
1.研究背景及意义：
随着现代工业、交通运输业、通信电子业等的不断发展，对大功率
开关电源的需求越来越大。
传统的变压器式开关电源在体积、重量、高
温环境下的失效等方面存在缺陷。
因此，反激式开关电源越来越受到关注。
反激式开关电源有成本低、效率高、输出电流大、稳定性好等优点。
本次设计的3V10A低压大电流反激式同步整流开关电源，在工业、军事
等领域具有广泛应用前景。
2.研究内容：
本次研究的内容包括：反激式开关电源基本原理、整流电路设计、
电感元件设计、开关管的选型以及射频干扰等因素的抑制等。
3.研究方法：
本次研究采用理论分析和实验验证相结合的方法进行研究。
首先，
通过对反激式开关电源基本原理的分析，确定整个电路的基本结构和参数。
然后，利用计算机辅助设计软件，对整流电路、电感元件等进行设计。
最后，进行电路实验和测试，对设计结果进行验证和改进。
4.研究进度：
目前，已经完成反激式开关电源主要器件的选型和整体方案的初步
设计。
下一步将进行模拟仿真，并进行原理验证实验，进一步优化整个
电路的设计和性能。
5.预期成果及意义：
本次设计旨在实现3V10A低压大电流反激式同步整流开关电源的研究和设计，预期成果包括：设计出符合要求的反激式开关电源原理图和
PCB图，通过实验验证整个电路的性能，实现开关电源的高效率、小体积等优点，具有一定的应用意义。
用于通信系统的低压、大电流电源：挑战与设计实例
高 功率 计算 Ｉ Ｃ，包 括 Ｃ ＰＵ、Ｆ ＧＡ和存 Ｐ 储 器 。对 计 算速 度 增长 的 需 要促 使 时钟 频 率和 供 电 电流 的 相应 增 加 ，有 些 设备
的 供 电电流 已经超 过 ＩＯ Ｏ Ａ。随 着 供 电 电 流 的 增 加 ， 电 电 压 正 朝 ｌ 降 低 ，这 主 供 Ｖ
技术发展趋势
为 了面对 这 些设 计 挑战 ，人们 开 出了许 多应 新 技 术 。
稳 压 器 的挑 战 ： 由于供 电 电压 已经
降 到 ｌ 即 使 在 电 源 干 线 上 低 到 ５ ｍＶ Ｖ， ０
的纹 波 ， 可能 使计 算 设备 产 生故 障 ， 都 因
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为 了 处 理 日益 增 加 的 、 更 复 杂 的 实 时 计 算 ， 今 天 的 通 信 系 统 采 用 了 大 量 的
此 ， 须 使 用 纯 净 的 的 ＤＣ稳 压 器 。大 电 必 流 是产 生 电压 纹 波 的主 要 根源 ，包括 它
率 器 件上 的 过 热点 是 非常 重 要 的 ，这 可 以避免 为 已经很热 的计算 设备 增加 热量 。 输 入噪 声 的挑战 ： 由于在许 多通 信
板 载 电源 供应 器应 用普 遍
供 电方 案 应使 用 高性能 的 开关 结构 。 成 如 砖 随 着快 速 的 电流 转 换速 率 使 电压 产 生过 战 ： 品 的 电 源 模 块 ， “ 型 模 块 ” 冲 。 为 了 处 理 这 些 动 态 负 载 和 减 小 输 出
低压大电流开关电源的设计
低压大电流开关电源的设计
低压大电流开关电源的设计
中心议题：
低压大电流开关电源电路的设计
解决方案：
采用磁复位电路有源钳位技术控制磁饱和
使用功率MOSFET整流
在栅极上接稳压管避免击穿
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。
从上世纪90年代以来开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，计算机、程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源。
随着电源技术的发展，低电压，大电流的开关电源因其技术含量高，应用广，越来越受到人们重视。
在开关电源中，正激和反激式有着电路拓扑简单，输入输出电气隔离等优点，广泛应用于中小功率电源变换场合。
跟反激式相比，正激式变换器变压器铜损较低，同时，正激式电路副边纹波电压电流衰减比反激式明显，因此，一般认为正激式变换器适用在低压，大电流，功率较大的场合。
有源钳位技术
正激DC／DC变换器其固有缺点是功率晶体管截止期间高频变压器必须磁复位。
以防变压器铁心饱和，因此必须采用专门的磁复位电路。
通常采用的复位方式有三种，即传统的附加绕组法、RCD钳位法、有源钳位法。
三种方法各有优缺点：磁复位绕组法正激变换器的优点是技术成熟可靠，磁化能量可无损地回馈到直流电路中去，可是附加的磁复位绕组使变压器结。
通信电源课程设计
通信电源课程设计一、背景通信电源是通信领域中常见的电子设备，它为通信系统提供所需要的电源电压和电流，保证通信系统的正常运行。
现今通信领域的发展迅速，对通信电源的需求也越来越高。
因此，通信电源的设计变得尤为重要。
二、设计目标本次通信电源的设计目标是满足以下要求：1.电源的输出电压为5V，输出电流为3A。
2.满足输入电压90~264V的变化范围。
3.电源的效率要求在85%以上。
4.尽量减小电源在负载工作时的波动。
三、设计方案3.1 整体框架本次设计采用开环控制的方式，主要由AC/DC变换器和DC/DC变换器两部分组成。
其中，AC/DC变换器将输入电压转变为低电压直流电源，DC/DC变换器将低电压直流电源转换为所需要的电压和电流。
3.2 AC/DC变换器AC/DC变换器主要由桥式整流电路、滤波电路、开关电源和控制电路等组成。
对于本次设计来说，桥式整流电路采用全波整流，滤波电路采用C-L-C滤波电路，开关电源采用MOSFET管，控制电路采用PWM控制方式。
3.3 DC/DC变换器DC/DC变换器主要由开关管、输出电感、输出滤波电容和控制电路等组成，对于本次设计来说，开关管采用MOSFET管，输出电感和输出滤波电容的选取需要根据所需要的电压和电流来计算，控制电路采用反馈控制方式，可以采用开环控制或者闭环控制。
3.4 PCB设计PCB设计是整个电源设计的重要环节，合理的PCB设计可以保证电路的稳定性和噪声抑制能力。
本次设计采用四层PCB设计，其中第一层是电源输入层，第二层是地层，第三层是电源输出层，第四层是信号层。
上层和下层都采用电源平面，可以有效的降低干扰噪声。
四、实验结果本次实验采用基于ATMEGA328P的基板进行控制和数据采集，实验结果如下：1.输入电压范围为90~264V，输出电压为5V，输出电流为3A。
2.效率在85%以上，在满负载的情况下电源的波动小于5mV。
五、总结本次通信电源的设计旨在满足通信系统的特定需求，采用了开环控制的方式，并进行了详细的PCB设计。
低压大电流电源电路的设计
一、前言
为了处理日益增加的、更为复杂的适时计算，当今的通信系统中采用了大量高功率计算IC，包括CPU、现场可编程逻辑门阵列以及存储器。对计算的速度增长的需要促使时钟频率及供电的电流相应增加，某些设备的供电电流已超过100A。随供电电流增加，而供电电压却反而呈下降的趋势，这大多半是由于计算设备这时可以用较好的线宽工艺制造。此外，低压大电流对功耗也是十分敏感，所以对开关电源设计者而言，需要运用较为先进的器件、技术、材料、工艺来逐步减小电源的体积以及重量，改善电气性能的指标，提高工作的可靠性，减轻对电网的污染，解除对别的设备的干扰，增强智能化程度等是其基本发展方向。
三、输入电路基本技术
1输入电路倍压整流技术隔离式开关电源是直接对输入的交流电压进行整流，而不需要低频线性隔离变压器。现代的电子设备生产厂家一般都要满足国际市场的需求，所以他们所设计的开关电源必须要适应世界范围的交流输入电压，通常是交流90-130v和180-260v的范围。为了实现两种输入电源的转换，要利用倍压整流技术。
变压器起到隔离和传递能量的作用，工作时变压器原边承受的电压为输入电压的一半。由于两个MOS管是交替打开的，所以两组驱动脉冲的相位相差应大于180°，故存在一定死区时间。此电路减小了原边调整管的电压应力，是目前比较成熟和常见的电路。
以上方案采用PWM控制，容易实现负载在宽范围(例如含轻载和空载)内变化条件下可靠运行。
二、主要的电路拓扑
1双管正激和双正激变换器双正激变换器常由两个双管的正激变换器组成，双管的正激变换器具有不会出现共态的导通、不会出现不稳定直流的磁化、易于从空载至满载运行、技术问题少、可靠性能良好等优点因而最早被重视。但是双正激要多采用二极管、变压器和电感等元器件。双管正激的变换器在功率较小时也可简化。
用于通信系统的低电压、大电流电源及其设计实例
用于通信系统的低电压、大电流电源及其设计实例作者：■ Linear Technology Corp. Dr. Wei Chen 为了处理日益复杂的实时计算问题，当今的通信系统采用了大量的高性能计算芯片，包括各种CPU，FPGA和存储器。
对更高计算速度的需求促使人们相应地提高时钟频率，电源电流也随之增加。
有些器件所要求的电源电流已超过了100A。
在电源电流增加的同时，电压已经降至1V左右，这主要是因为计算芯片的特征线宽越来越细。
低电压、大电流容易导致功率损耗，此时线性调压器电路已经很难适应电源设计的要求。
不过，采用高性能的开关型电源结构，则可以获得高效率的电源。
面临的挑战与当今许多类型的系统一样，通信系统中电路板的面积非常宝贵。
尺寸限制，连同降低成本的压力和其他一些新的技术方面的挑战，使低电压、大电流的电源设计成为通信系统设计中最困难的设计任务之一。
对电压调节能力的挑战随着电源电压降低到1V, 即使小到50mV的电压摆动，也会使计算电路性能发生剧烈的波动。
因此必须对直流输出电压进行严格的调控。
大的输出电流是电压波动的一个主要诱因，包括PCB导线或电源输出与CPU电源引脚间的连接器引入的10mV～50mV压降。
当电源电压为1~1.5V时，这些压降会产生显著影响。
因此，要求对正向和负向电压输出轨都实现远程电压监测。
另一个问题是，先进的计算芯片能根据系统指令瞬时地改变电源电流，变化幅度超过20A。
这样大的负载阶跃，再加上电流的快速换向，将使电源电压下降或超调。
要处理这类动态变化的负载并减小输出电容的尺寸，电源就必须具有很快的瞬态响应能力。
传热学方面的挑战由于系统封装密度随系统复杂程度的增加而增加，散热已成为系统硬件设计人员要面对的一个愈发严峻的挑战。
同时，对电压稳定有严格要求的高性能计算芯片要求电源就位于其附近。
因此，重要的是要减小电源的功率损耗，并消除PCB上的过热点和功率元件，以避免让计算芯片热上加热。
低压大电流开关电源的研制
低压大电流开关电源的研制发布时间：2021-05-28T12:08:03.923Z 来源：《科学与技术》2021年第5期作者：邢变丽[导读] 文中针对一种微电路模块宽电压输入、低压大电流输出开关电源电路进行了理论分析邢变丽陕西华经微电子股份有限公司，陕西省西安市 710065摘要：文中针对一种微电路模块宽电压输入、低压大电流输出开关电源电路进行了理论分析，并对调试过程中出现的技术问题进行总结。
介绍了该产品的电路原理以及产品特点，并进一步论证低压大电流开关电源在调试过程中出现的问题和解决方案。
关键词：宽输入电压；低压大电流开关电源；同步整流电路；1 概述近年来，随着开关电源技术的不断发展，模块电源功率越做越大、效率越来越高、体积越来越小，对我们研发提出了更高的要求。
该模块电源是将9V～36V的输入电压隔离转换为+5V/30A的电源模块，同时具有欠压、过压、过流、短路等功能，满足市场需求。
2 设计原理该产品采用有源钳位同步整流正激式DC/DC的拓扑结构，由输入滤波电路、倍压整流电路、功率变换电路、同步整流滤波电路、PWM 控制电路、取样和反馈稳压电路、辅助电源供电电路和保护电路。
电路原理图如图1所示。
结合本次设计低压输入时，输入电流大以及输出电流大的特点，产品采用有源钳位控制芯片U1(LM5025A)产生PWM脉冲波形，为了保证MOS有足够的驱动能力，输出A采用功率MOSFET 驱动器提高输出能力，保证有足够的驱动能力，使MOS管及时导通；输出端采用同步整流输出方式的结构形式，来降低损耗；辅助电路采用在输出电感上反馈供电来关断U1内部7.6V，减少芯片功耗，根据MOS管的最佳栅源工作电压和实际调试结果，该辅助供电电压一般设定在11V左右。
由于该电路的输入电压范围宽，要使产品在三温情况下，整个输入电压范围内可靠稳定性工作，同步整流采用外加控制驱动电路，提供高质量的驱动波形，减少驱动损耗。
该产品用LM5025A作为控制IC，LM5025的最低工作电压为13V，而产品的最低工作电压为9V，为了保证在9V控制IC能正常工作，我们专门增加了倍压电路如图1 所示；经过调整倍压电路参数，输入电压8V时，供给U1的电压为13.5V，确保IC能正常工作。
低压大电流DCDC电源模块的设计与实现
般 工 业 现 场 应 用 环 境 ，通 常 不 仅 要 求这
生一个感应 的辅 助 电源 ，用来给 Ｐ ＷＭ 控制 器
供 电 ，此 时 启 动 电路 自动 关 闭输 出 。 次 级 电 压 采 样 电路 和 电压 误 差 比较 器 以及 光耦 隔 离 电 路
） ＣＤ Ｃ 电源模 块，这 些 电源模 块分 别输 出 ｌ ｖ， ＋ ３ ． ３ Ｖ，￣ １ ２ ． ０ Ｖ 等 ， 主 要 给 主 控 制 芯
： 如 ＤＳ Ｐ 、运 算 放 大 器 、 速 度 编码 器 等供 电 。
一
电流 互感器采样 电路 ，Ｄ１为初级 削反峰二 极 管，用来 使磁芯 复位，Ｔ１为正激变压 器 ，Ｄ２ 为输 出整流 二极管，Ｄ３为续 流二极管，Ｌ１ 为
波。次级整 流电路和 Ｌ Ｃ滤 波 电 路 将 经 过 变 压 器 变 比后 的 高 频 方 波 重 新 整 流 成 稳 定 的 直流 电 压 ， 同时 输 出 Ｌ Ｃ 电路 中 的 扼 流 圈 辅 助 绕 组 产
种 电机 调 速 控 制 电路 中 ，离 不 开 各 型 高精
其 中 Ｕｉ ｎ为 输 入 直 流 电源 ，Ｌ ３ 、Ｃ ２为 输 入 滤 波 电 路 ，Ｑ１ 为 主 开 关 管 ，Ｄ ６ 、Ｒ ２为初 级
所要求的低得多。 （ ３ ）与第 （ １ ） 点 的 原 因 一 样 ， 原 边 开
关元件中的峰值 电流较低 。 （ ４）因 为 纹 波 电流 减 小 ，输 出 纹 波 电 压
也会降低。
总之 ，正激 式拓 扑结 构 输 出电压 的瞬 态 控制特性和输 出电压负载特性相对于反 激式要 好，输出 电压精度高 ，纹波小 。另外 ，由于输 出 电流较大 ，如果采用反激式拓 扑，次级整流
几种实用的低电压冗余电源方案设计
几种实用的低电压冗余电源方案设计引言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、监控设备、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。
冗余电源的区别主要是由不同的电源供电。
电源冗余有交流220 V及各种直流电压的应用，本文主要介绍低压直流(如DC 5 V、DC 12 V等)的冗余电源方案设计《1》冗余电源介绍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。
本文主要介绍后两种方案的设计。
《2》传统冗余电源方案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。
在实际的冗余电源系统中，一般电流都比较大，可达几十A。
考虑到二极管本身的功耗，一般选用压降较低、电流较大的肖特基二极管，比如SR1620～SR1660(额定电流16 A)。
低压大电流的开关电源设计方案
低压大电流的开关电源设计方案1 引言在电镀行业里，一般要求工作电源的输出电压较低,而电流很大。
电源的功率要求也比较高,一般都是几千瓦到几十千瓦。
目前,如此大功率的电镀电源一般都采用晶闸管相控整流方式。
其缺点是体积大、效率低、噪音高、功率因数低、输出纹波大、动态响应慢、稳定性差等。
本文介绍的电镀用开关电源,输出电压从0～12V、电流从0～5000A连续可调,满载输出功率为60kW。
由于采用了ZVT软开关等技术,同时采用了较好的散热结构,该电源的各项指标都满足了用户的要求,现已小批量投入生产。
2 主电路的拓扑结构鉴于如此大功率的输出,高频逆变部分采用以IGBT为功率开关器件的全桥拓扑结构,整个主电路如图1所示,包括:工频三相交流电输入、二极管整流桥、EMI滤波器、滤波电感电容、高频全桥逆变器、高频变压器、输出整流环节、输出LC滤波器等。
隔直电容Cb是用来平衡变压器伏秒值,防止偏磁的。
考虑到效率的问题,谐振电感Ls只利用了变压器本身的漏感。
因为如果该电感太大,将会导致过高的关断电压尖峰，这对开关管极为不利，同时也会增大关断损耗。
另一方面,还会造成严重的占空比丢失,引起开关器件的电流峰值增高,使得系统的性能降低。
3 零电压软开关高频全桥逆变器的控制方式为移相FB-ZVS控制方式,控制芯片采用Unitrode公司生产的UC3875N。
超前桥臂在全负载范围内实现了零电压软开关,滞后桥臂在75%以上负载范围内实现了零电压软开关。
图2为滞后桥臂IGBT的驱动电压和集射极电压波形,可以看出实现了零电压开通。
开关频率选择20kHz,这样设计一方面可以减小IGBT的关断损耗,另一方面又可以兼顾高频化，使功率变压器及输出滤波环节的体积减小。
图2 IGBT驱动电压和集射极电压波形图4 容性功率母排在最初的实验样机中,滤波电容C5与IGBT模块之间的连接母排为普通的功率母排。
在实验中发现IGB上的电压及流过IGBT的电流均发生了高频震荡,图3为满功率时采集的变压器初级的电压、电流波形图。
大电流低电压开关电源的设计(1)
０引言开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，一般由脉冲宽度调制（ＰＷＭ）控制ＩＣ和ＭＯＳＦＥＴ构成［１］。
针对目前矿灯充电架电源等存在的一些缺点和不足，文中研制了一种可用于矿灯充电架的低电压大电流开关电源，对节能降耗、提高充电效率有着重要的意义。
同时可满足工业及其它领域多种设备的充电要求。
制作时采用ＭＯＳＦＥＴ作为功率开关器件，构成半桥式开关变换器，利用脉宽调制技术。
ＰＷＭ控制信号由集成控制器ＳＧ３５２５产生，反馈信号取自对输出的实时采样电压，从而控制输出电压的变化，达到稳定输出电压的目的。
控制电路与主电路之间通过变压器进行隔离，并设计了软启动和过流保护电路。
１开关电源的设计［２，３］１．１开关电源结构框图开关电源的结构框图如图１所示。
主要由七部分组成：ＥＭＩ滤波器、输入整流滤波电路、高频开关变换器、高频整流滤波输出电路、控制电路和保护电路、辅助电源以及显示电路。
１．２主电路的实现文中介绍的开关电源电路，其主电路采用ＡＣ－ＤＣ的变换方式，由输入整流滤波电路、全桥逆变电路、高频脉冲变压器以及输出整流滤波电路组成。
该大功率开关电源具有低电压大电流的特点，对高频干扰信号以及合闸瞬间的浪涌电流非常敏感，为大电流低电压开关电源的设计＊周德泰１，２，杨志民１，郭海涛１，２，马胜前１（１．西北师范大学，兰州７３００７０；２．大连测控技术研究所，辽宁大连１１６０１３）摘要：提出了大电流低电压的大功率开关电源的设计方案，研制了整流滤波电路，分析确定了ＤＣ／ＤＣ变换模块作为主电路功率元件，并设计了ＰＷＭ控制电路、软启动及过压过流保护电路。
实验测试证明输出稳定，可对矿灯充电架等多种设备进行充电，有着广泛的应用前景。
关键词：开关电源；大功率；脉宽调制；变换器；功率管中图分类号：ＴＭ９３０文献标识码：Ｂ文章编号：１００１－１３９０（２００８）０６－００４３－０３ＺＨＯＵＤｅ－ｔａｉ１，２，ＹＡＮＧＺｈｉ－ｍｉｎ１，ＧＵＯＨａｉ－ｔａｏ１，２，ＭＡＳｈｅｎｇ－ｑｉａｎ１（１．ＮｏｒｔｈＷｅｓｔＮｏｒｍａｌＵｎｉｖｅｒｓｉｔｙ，Ｌａｎｚｈｏｕ７３００７０，Ｃｈｉｎａ．２．ＤａＬｉａｎＳｃｉｅｎｔｉｆｉｃＴｅｓｔａｎｄＣｏｎｔｒｏｌＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＩｎｓｔｉｔｕｔｅ，Ｄａｌｉａｎ１１６０１３，Ｌｉａｏｎｉｎｇ，Ｃｈｉｎａ）Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｉｓｐａｐｅｒｐｒｅｓｅｎｔｓｔｈｅｄｅｓｉｇｎｓｃｈｅｍｅｆｏｒｔｈｅｃｈａｒｇｉｎｇｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｗｈｉｃｈｈａｓｔｈｅｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｓｏｆｌｏｗｖｏｌｔａｇｅ，ｂｉｇｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｌａｒｇｅｐｏｗｅｒ，ａｎｄｔｈｅｒｅｃｔｉｆｉｅｒｃｉｒｃｕｉｔｉｓｄｅｖｅｌ－ｏｐｅｄ．Ｂｙａｎａｌｙｚｉｎｇｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｆｅａｔｕｒｅｓ，ｔｈｅｂｉｇｐｏｗｅｒＤＣ／ＤＣｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎｍｏｄｅｌｉｓｃｈｏ－ｓｅｎａｓｐｏｗｅｒｃｅｌｌｏｆｍａｉｎｅｌｅｃｔｒｉｃｃｉｒｃｕｉｔ．ＴｈｅＰＷＭｃｏｎｔｒｏｌｃｉｒｃｕｉｔ，ｓｏｆｔ－ｓｔａｒｔｕｐｃｉｒｃｕｉｔａｎｄｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎｃｉｒｃｕｉｔｆｏｒｐｏｗｅｒｓｕｐｐｌｙａｒｅｄｅｓｉｇｎｅｄ．Ｔｈｅｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｒｅｓｕｌｔｓｓｈｏｗｔｈａｔｔｈｅｏｕｔ－ｐｕｔｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｉｓｓｔａｂｌｅ．Ｔｈｅｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｃａｎｂｅｕｓｅｄｔｏｃｈａｒｇｅｆｏｒｍａｎｙｅｑｕｉｐ－ｍｅｎｔｓｉｎａｇｏｏｄｍａｎｙｆｉｅｌｄｓ，ｓｕｃｈａｓｔｈｅｃｈａｒｇｅｒｏｆａｍｉｎｅｒ＇ｓｌａｍｐ．Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒ，ｂｉｇｐｏｗｅｒ，ＰＷＭ，ｔｒａｎｓｆｏｒｍａｔｉｏｎ，ＩＢＧＴＤｅｓｉｇｎｏｆｔｈｅｓｗｉｔｃｈｐｏｗｅｒｗｉｔｈｂｉｇｅｌｅｃｔｒｉｃｃｕｒｒｅｎｔａｎｄｌｏｗｅｌｅｃｔｒｉｃｖｏｌｔａｇｅ＊甘肃省科技攻关资助项目（２ＧＳ０４７－Ａ５２－００２－０７）４３－－了保证电路稳定工作，输入２２０Ｖ、５０Ｈｚ的市电首先经Ｃ１、Ｃ２、Ｃ３、Ｃ４、Ｌ１组成的高频滤波电路，如图２所示，滤除高频干扰信号并对合闸瞬间的浪涌电流进行抑制［４］。
低压大电流开关电源的设计方法
,
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Ν
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概 为 # ∀ % 二 ∀ / 左 右 图 六 为 变压 器 输 出 电压 也 就 是 同 步 Κ < 整 流管 0 ( 和 0 ( 的驱 动信 号 正 的部 分 为 0 ( 的驱 动信 号 负
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电压 要 同时 满 足下 面 两 个 条件
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同 步盛流技术 在 低 电压 大 电流功 率变换 器 中 若 采 用 传统 的普 通 二 极 管 或 肖特 基 二 极 管整 流 由于 其 正 向导 通 压 降大 )低 压 硅 二 极 管 正 向压 降约 ∀ Χ > 保 持基 二 极 管 正 向压 降 ∀ 1 一 ∀ / > 整流 损耗 ∃ ∃ ∃ ∗ 成 为 变换 器 的主 要 损 耗 无 法 满 足 低 电压 大 电流 开 关 电源 高 效 率 小 体积 的 需 要 4 % 0 ΛΜΕ 导 通 时 的伏 安特性 为 一 线性 电阻 称 为通 态 电阻 ( 新 型低 压 4 % 0 ΛΜ丁 的通 态 电阻 已 经 可 以做到 很小 一 般 1 %> ? ∀ 的 4 % 0 ΛΜ丁 通 态 电阻都在 ∀ ; 5 以下 低 的甚 至在 ∋ Ο ? ; 5 以下 它们在通 过 # ∀ 电流时 通 态压 降 不 到 ∀ # > 另 外 ∃ Ο Π 下 功 率 4 % 0 ΛΜ丁 开 关 时间)瑞 下 ∗短 输 入 阻 抗 高 这些 特 点 使 得 4 % 0 ΛΜ 下 成 为低 电压 大 电流 功率变换 器 首选 的整 流器件 功 率 4 % 0 ΛΜ 下 是 一 种 电压 型 控制 器 件 用 它作 为 整 流 元 时 要 求控 制 电压 与 待 整 流 电压 的 相 位 必 须保 持 同 步才 能 完 件 成 整 流 功 能 故 称 为 同 步 整流 电路 图 三 为 典 型 的 降 压 型 同 当 步 开 关 变 换 器 电路 ) 电路 中 无 0 ( 时 为 普 通 的 降压 型 开
双相Buck实现低电压大电流的电源设计
Ｋｅ ｙ ｗｏ ｒ ｄ ｓ ：ｔ ｗｏ －ｐ ｈ ａ ｓ ｅ Ｂ ｕ ｃ ｋ； ｌ Ｏ Ｗ ｖ ｏ ｌ ｔ ａ ｇ ｅ ｈ ｉ ｇ ｈ ｃ ｕ ｒ ｒ ｅ ｎ ｔ； ＴＰ Ｓ ４ ０ ３ ２ ２； ｌ Ｏ Ｗ ｒ ｉ ｐ ｐ ｌ ｅ
０ 引 言
随着 大规 模 集 成 芯 片 的不 断 发 展 ， 包括 Ｆ Ｐ ＧＡ、 Ｃ Ｐ Ｕ等 ， 其对 供 电 电源 的要 求 也越 来 越严 格 。为降 低 Ｉ Ｃ 电场 强度 和功 耗 ， 必 须 降低 芯 片供 电 电压 ＿ １ ］ ， 很 多 已小 于 １ Ｖ。采 用 低 电压 ， 必 须 加 大 电流 ， 电流 往 往 大 于５ ０ Ａ。此外 ， 此 类集成芯片负载变 化率大 ， 电 流 从 满 载 到轻 载 快 速 切 换 ， 要 求 电源 动 态 响 应 速 度 快 Ｌ ２ ］ 。 针对 这些 需求 ， 开关 电源 领 域 产 生 了专 门 的研 究 方 向 ＶＲ Ｍ， 即电压 调 整 器 模 块 ， 其 电源 输 出低 电 压 、 大 电 流， 同时具 有 动态 响应速 度 快 、 电流变 化率 高 、 效率高、 频率高、 可靠性高的特点ｌ ３ ］ 。ＶＲ Ｍ 通 常由 Ｂ ｕ ｃ ｋ降压 而来 ， 输入 电压 一 般 取 ５ Ｖ、 １ ２ Ｖ、 １ ５ Ｖ等 。而 提 高 动 态 响应速 度 必 须 减 小 Ｂ ｕ ｃ ｋ中 电感 感 值 ， 降低 输 出 电 感 和 电容 的寄 生参 数 对 电 压 的扰 动 ， 同 时保 证 大 电流 输 出， 因此 移相 交 错并 联 技 术 被 采 用 。本 设 计 就 是 利 用Ｂ ｕ ｃ ｋ设计 了一 款 双 相 ＶＲＭ ， 输入 １ ２ ～１ ５ Ｖ， 输 出 ０ ． ８ ５ Ｖ电压 ， 最大输 出电流５ ０ Ａ， 以满 足 一 款 Ｆ Ｐ ＧＡ 的供 电要 求 。双 相 Ｂ ｕ ｃ ｋ分 摊 了 大 电 流 ， 减 小 器 件 的 应力 ， 提高 电路 可 靠 性 。移 相 交错 技 术 减 小 了输 出 电 压 电流 的纹波 ， 提 高动态 响应 速度 ， 降低输 出 电感与 电 容 。多相 并联 技术 的一个 重 点是 实 现 电流 均 衡 ， 不 均 衡 会 增加 单相 负担 ， 影 响转 换 器 的整 体 寿命 。本设 计 具有 电流 均衡 功能 。
低电压大电流30A
低电压、大电流的通信稳压电源电路图此款通俗稳压电源的电路如图所示。
低电压、大电流的通信稳压电源电路电路工作原理：一个成熟、实用的通信用直流稳压电源，它主要由变压器、调整电路、比较电路、驱动电路等组成。
能提供直流输出电压13.8V＋0.5V，额定电流24A，保护电流32A＋1A，功耗610W。
由图可以看出，变压器二次有2个绕组，其中一个绕组交流18V被整流后得21V，经稳压调整输出13.8V；另一个绕组只有交流4.5V，经整流后与21V串联得26V的直流电压。
26V电压作为驱动管V3 2SD880、稳压调整管V4 2SC3280的电源，同时该绕组的输出也作为运算放大器及其他管子的电源。
另外，整流之后采用电容输人式滤波电路，直接接大容量滤波电容（6×15 000μF），由于大容量电容的接人对整流二极管提出较高要求，所以整流二极管采用两只35A／200V的硅桥并联使用。
同理，也是因为输出电流大，调整管V4也是由4只2SC3280并联使用，而每只2SC3280调整管均串一个（R15×2）0.1Ω电阻，使各调整管之Rce能均衡些、各调整管的IC能均匀些。
如果各管不串接等值小电阻，则电流会集中至Rce较小的管子，以致损坏该管。
V3 2SD880是调整管V4的驱动管；R18及R17是电流表的分压、分流调整电阻，可调节R18来校准电流表的读数；R19是大电容（6×15 000μF）的泄放电阻。
VD10将＋26V电压向运算放大器及有关电路供电；图所示中左边的运算放大器N11／2 LM358输出端1，经过VD2、VD3（稳压管）反馈至输入端2，及R1反馈到输入端3，构成8V稳压电源。
右边的运算放大器N11／2 LM358，将输入电压13.8V的约1／2接到输入端6（约7V）；另一输入端5，则从稳压源8V之分压点接出，二者进行比较，其输出经V1 2SC3940进行直流放大，推动V3，继而驱动调整管V4进行稳压。
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用于通信系统的低电压、大电流电源及其设计实例为了处理日益复杂的实时计算问题，当今的通信系统采用了大量的高性能计算芯片，包括各种CPU，FPGA和存储器。
对更高计算速度的需求促使人们相应地提高时钟频率，电源电流也随之增加。
有些器件所要求的电源电流已超过了100A。
在电源电流增加的同时，电压已经降至1V左右，这主要是因为计算芯片的特征线宽越来越细。
低电压、大电流容易导致功率损耗，此时线性调压器电路已经很难适应电源设计的要求。
不过，采用高性能的开关型电源结构，则可以获得高效率的电源。
面临的挑战与当今许多类型的系统一样，通信系统中电路板的面积非常宝贵。
尺寸限制，连同降低成本的压力和其他一些新的技术方面的挑战，使低电压、大电流的电源设计成为通信系统设计中最困难的设计任务之一。
对电压调节能力的挑战随着电源电压降低到1V, 即使小到50mV的电压摆动，也会使计算电路性能发生剧烈的波动。
因此必须对直流输出电压进行严格的调控。
大的输出电流是电压波动的一个主要诱因，包括PCB导线或电源输出与CPU电源引脚间的连接器引入的10mV～50mV压降。
当电源电压为1~1.5V时，这些压降会产生显著影响。
因此，要求对正向和负向电压输出轨都实现远程电压监测。
另一个问题是，先进的计算芯片能根据系统指令瞬时地改变电源电流，变化幅度超过20A。
这样大的负载阶跃，再加上电流的快速换向，将使电源电压下降或超调。
要处理这类动态变化的负载并减小输出电容的尺寸，电源就必须具有很快的瞬态响应能力。
传热学方面的挑战由于系统封装密度随系统复杂程度的增加而增加，散热已成为系统硬件设计人员要面对的一个愈发严峻的挑战。
同时，对电压稳定有严格要求的高性能计算芯片要求电源就位于其附近。
因此，重要的是要减小电源的功率损耗，并消除PCB上的过热点和功率元件，以避免让计算芯片热上加热。
输入噪声带来的挑战由于在许多通信子系统中，主要的负载驱动电源大多为3.3V, 因此必须抑制3.3V汇流排的噪声，以确保所驱动的逻辑器件能正常工作。
一个开关型降压电源的输入电流是脉动的，为了滤除输入噪声，要采用一个大的输入电容，有时可能还要采用大量值的LC滤波器。
输入滤波电路的尺寸和成本一般随输出电流的增加和/或输入电压的下降而增加。
采用标准电源模块时，成本方面的挑战现成的电源模块(如“砖式模块”)价格昂贵。
此外，标准电源模块的设计指标对多数应用场合的实际电源需求来说通常过高。
既然定做模块要花费较多时间，增加成本，系统设计者不妨考察一下其他替代方法，以降低成本。
新技术的发展为了应对这些设计上的挑战，人们开发了不少用于通信系统中低电压、大电流电源的新技术。
受欢迎的板上(On-board)电源由于每种板上电源的额定功率参数能方便的根据实际需要进行调整，电源的成本及其尺寸可以减少。
此外，与标准电源模块相比，它还有如下一些技术上的优势。
●能更好的根据负载变化进行调整。
板上电源消除了电源输出和负载间的连线带来的电阻和电感，从而能更好的实现直流和瞬态调压。
●效率更高。
电源连接器的导电损耗被消除了。
此外，板上电源可以采用地线层和其他直流电源层来传导直流电流。
因为这些系统层的电阻低于小电源模块，在PCB 引线上的导电损耗可以更低。
●热量管理效果更佳。
整个系统电路板可以作为板上电源的散热器。
相应的，过热点的温升也比电源模块中的低得多，后者可用于散热的PCB板面积十分有限。
这改善了系统的长期可靠性。
●成本低。
既然板上电源可以根据实际电源需要进行优化，所花费的成本就会低于其额定指标过高的标准电源模块。
这一方法还能省下采用大电流连接器所花费的成本。
由于电压瞬态调节能力更强，还可以进一步减少输出解耦电容的数量。
大多数板上电源的元件还可以用于系统的其他模块，元件可以大批量采购，这也节约了成本。
大电流电源普遍采用的标准技术——多相(PolyPhase)技术传统的单相方法依赖于若干并联的MOSFET，要用笨重的电感来保证所要求的大电流。
这会造成MOSFET中很高的开关损耗，以及电感和MOSFET焊盘上的电流雍塞现象，有可能影响PCB的可靠性。
由于效率和开关频率较低，输出端就必须采用更大的电感，导致瞬态响应变慢。
多相技术则基于现有的电源元件，其性能优于单相电路，特别是电源电流超过20A时。
该技术通过将若干并联的功率级电路的相位进行交替组合，在电源输入和输出端实现纹波电流的相互抵消，从而显著地提高了性能，降低了成本。
●纹波电流的相互抵消可以减小输入电容、输出电容和电感的尺寸和成本。
●输入纹波电流的相互抵消减少了输入噪声，使之特别适用于采用3.3V电源的应用场合。
●能响应更快的负载瞬时变化，因为对瞬态过程而言，各输出电感可等效地视作并联的。
等效电感的减小提高了输出电流的换向速率。
●由于开关的损耗更低，电流分配更均匀，效率也得到了提高。
这有助于减小发热，改善系统整体的可靠性。
在隔离电源设计中所需的同步整流和次级边控制技术有些通信系统用低电压、大电流电源从-48V底板上馈电。
为了实现电气隔离，必须采用变压器进行耦合。
副边处整流器的电导损耗是这些电源产生功率损耗的主要原因。
实现同步整流可以显著减小这些功率损耗。
由于在某些工作条件下自驱动同步整流可靠性较低，因此在可靠性要求很高的通信系统中，应该选用外部驱动技术。
传统的隔离电源设计使用原边控制，输出误差反馈电压通过光耦合器传递到原边的控制器，其相应的环路带宽很窄(约数kHz)。
这种结构对负载瞬时变化的响应速度很慢。
一种替代技术是副边PWM控制或后调压控制，在250kHz的开关速率下，能达到> 50kHz的环路带宽。
因而，这种方法在低电压、大电流隔离电源设计中的应用日益普遍。
.低电压、大电流电源设计实例大多数通信设备由来自墙壁电源或中心办公室的-48V底板电源供电。
如果电路板上有多个大电流电源，最好是将48V电源变换到隔离的、电压为5V～12V的配电器上。
从这一中间配电器，可以通过若干非隔离的DC/DC 变换器变换出所需的低电源电压。
不过若只需2或3路输出电压，也可采用从48V直接进行变换的办法。
在这种情况下，通常需要采用次级PWM控制，以实现良好的输出电压调节。
下面给出两个实例。
第一个是一个采用多相技术的非隔离电源，将中间配电器的电压变换为更低的电压。
第二个是采用－48V (-36～-75V) 输入的2输出隔离电源。
3.3～12V 输入、1.5V/40A输出多相电源图1示出一个简化了的2相40A电源示意图。
该设计采用了Linear Technology Co rp. 公司的LTC3729 UH2相同步对消控制器电路。
LTC3729 驱动两个相差为180°的大功率同步对消级电路。
控制器电路采用了峰值电流模式控制，以确保两个并行电路间电流的精确分配。
通过单芯片差分放大器实现了输出电压轨正负两端真正的远程读出。
而市场上的大多数多相控制器不提供真正的负输出轨远程读出功能。
为满足电流在40A以上的应用要求，可增加更多的电路级，使各自相位不同于其他电路。
利用多个LTC3729电路可以很方便的添加更多的移相电路。
把反馈误差放大器捆绑在一起可以实现自动的电流分配。
图2示出了如何用6个LTC3729控制器实现有12个不同相位的电路的方法。
带后调压的高效率-48V(-36V 到-75V)输入、双输出(3.3V和2.5V)隔离电源传统的电源中，多路输出隔离电源依靠输出电感耦合来实现辅助输出的电压调节。
辅助输出端的负载调节性能不佳，大电流耦合电感难以制造，因而价格昂贵。
下面这种设计采用基于LT3710的后调压电路。
LT3710电路驱动一个同步对消电路以降低来自次级绕组的电压。
图3示出这一电路简化的示意图，输入为-48V，输出为3.3V和2.5V。
LT3710的详细数据可以从Linear Technology Corp获得。
这一设计的两个输出电路级均采用了同步整流器。
LTC1698驱动3.3V输出级的同步整流器，并把3.3V输出反馈到原边。
LT3710驱动2.5V输出级的MOSFET，并在副边直接对该路电源输出进行调节。
这一方法有助于保证两路输出的高效率，并可以保证2.5V 输出能快速对负载变化作出响应。
由于2.5V 电路中下部的MOSFET在大多数时间里是导通的，同步整流显得尤为重要。
该设计在原边采用的是双开关前向结构。
因为主要FET上承受的最大电压是输入最大电压(75V)，所用的低损耗100V FET可以确保足够高的效率。
主控制器(LT1681)有三个主要功能：驱动两个主开关，产生LTC1698的同步信号，接收副边来的3.3V反馈信号以实现相应的电压输出调节。
如果还需要第三路电源输出，可以在副边增加一个LT3710电路。
结语板上电源和多相工作原理可以满足通信系统低电压、大电流电源设计的需要。
总的来说，与传统方法相比，它们能减少成本，实现更好的性能。
在隔离电源设计中，同步整流和副边控制技术正受到越来越多的欢迎，因为其效率更高，对瞬时变化的响应更快。
■图1 简化的、基于LTC3729芯片的2相40A电源示意图图2 用6个LTC3729控制器实现12个不同相位的电路方法图3 -48V输入, 3.3V 和2.5V输出隔离电源。