基于数字控制的开关电源设计
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２ １单相 功 率 因数 校 正 Ａ ／ Ｃ变 换 器 升 压 电 感 计 算 ． ＣＤ
Ｂ ｏ ｔ 压 电感 的计 算 必 须 是 在 最 差 的情 况 下 得 到 ． ｏｓ升 即输 入 最 低 电 压 ， 而输 出满 载 的 时 候来 确 定 嘲 ， 输入 电流 其
９ Ｄ
Ｉ Ｋ一 － Ｐ ＝
在 高功 率 因数 校 正 Ａ ／ Ｃ 电路 中广 泛 采 用 Ｕ ３ ４ 、 ３５ Ａ 等 专 用 控 制 芯 片 来 实 现 功 率 因 数 校 正 ， 在 移 相 全 桥 ＣＤ Ｃ ８ ２ ＵＣ ８ ５ 而 Ｄ ／ Ｃ 电路 中广 泛采 用 Ｔ ４ ４ＵＣ ８ ５ 专 用 电 源芯 片来 驱 动 开 关 管 Ｌ ， 定 的 电 源 芯 片 本 身 不 可 编 程 、 控 性 较 差 、 ＣＤ Ｌ ９ 、 ３７ 等 １特 ］ 可 难 以扩 展 以及 不 易 升 级 维 修 ， 时 电 源 芯 片 为模 拟 控 制 芯 片 ， 有 模 拟 电路 难 以 克 服 的 由 温 漂 和 老 化 所 引 起 的 误 差 ， 法 保 证 同 具 无
保 证 程 序 的 正 常运 行 要 禁 止 看 门 狗 ， 置 Ｐ Ｍ 信 号 的 频 率 和死 区时 间 ， 设 Ｗ 设置 通 用 定 时 器 １ ２的控 制寄 存 器 ， 置捕 获 控 和 设
制 寄 存 器 检 测 下 降沿 ．
曰一
返 回
Ｐ调节 ｌ
△
据 令和数Ｉ 叫 Ｉ 臻 — 理
数 字信 号 处 理 中 的一 些 理 论 和算 法 可 以实 时 实 现 ．
１ 数 字 控 制 开 关 电 源 系统
该 通 信 开关 电源 主 要 由 主 电 路 和 控 制 电 路 组 成 ， 电 主 路 主要 由单 相 高功 率 因数 校 正 Ａ ／ Ｃ 变换 电路 和 移 相 全 桥 ＣＤ
文 章 编 号 ：０ ７ ９ ５ ２ ０ ） ６ ０ １ ０ １ ０ —２ ８ （０ ９ ０ —０ ７ — ３
基 于 数 字 控 制 的 开 关 电 源 设 计
李 一 呜
（ 南理工学院计算机学院 ， 湖 湖南 岳 阳 ４ ４０ ） １ ０ ６
摘 要 ： 究 了基 于 Ｔ 公 司 的 ＴＭＳ ２ Ｆ ８ ２的 新 型 数 字 控 制 的 开 关 电 源 ， 数 字控 制 器 代 替 模 拟 控 制 器 ， 研 Ｉ ３０ ２ １ 用 区别 以 往
图 ３ 全桥 ＤＣ／ ＤＣ变 换器 原 理 图
针 对 ＴＭＳ ２ Ｆ ８ ２为 核 心 的 数 字 控 制 电 路 如 图 ４所 ３０ ２１ 示 ． 图 ４中 可以 看 出 。 制 系 统 主 要 包 括 以 下 几 部 分 ： Ｓ 从 控 Ｄ Ｐ
及 其 外 围 电路 、 号 检测 与调 理 电路 、 动 电路 和 保 护 电路 ． 信 驱 其 中， 信号 检 测 与调 理 电路 主要 完 成对 图 ２输 入 电流 和 电 压 采样 、 Ｄ等功能， Ｓ Ａ／ Ｄ Ｐ产 生 脉 冲 信 号然 后 通 过 Ｄ Ａ 转 换 后 ／
短 、 活 多 变 易 于 实 现模 块 化 管 理 ， 够 消 除 因 离 散 元 件 引 灵 能 图 ４ 通 信 电源 数 字 控 制 系 统框 图
起 的不 稳 定 和 电磁 于扰 等 优 点 ． 字 控 制 系 统 主 程 序 图 如 ５ 示 ． 数 所 主程 序 的作 用 ： 始 化 ， 中包 括 给 控 制 寄 存 器 赋 初值 ， 初 其 这 时 系 统 工 作 时钟 开 Ｃ Ｐ Ｉ Ｔ、 ＡＰ Ｉ 中断 ， 等 待 中断 的 空 闲 时 间 内采 集 输 出信 号 ， 置 ＡＤ Ａ １Ｎ Ｃ ２ＮＴ 在 设 Ｃ转 换 结 束 标 志 位 为 １ 为 ．
的模 拟控 制 电 源 ， 而 提 高 了功 率 因数 和 系统 效 率 ， 从 降低 和 减 少 了 电 源 重 量 和 体 积 ， 于 电 源调 试 和 升 级 ． 便 关 键 词 ： 率 因数 校 正 ； 相 全 桥 ； 功 移 ＴＭＳ ２ Ｆ ８ ２ ３ ０ ２ １
中 图分 类 号 ： ＴＭ５ ； １ ６ ＴＰ ７ 文献标识码 ： Ａ
指令 系统 及 其 强 大 的浮 点 运 算 能 力 ， 使得 Ｄ Ｐ不 仅 运算 能 力 较 单 片 机 有 了较 大 地 提 高 ， Ｓ 而且 在该 处理 器 上 更 容 易 实 现 高 级 语 言 ． 是 由于 其 特 殊 的 结 构 设 计 和 超 强 的 运 算 能 力 ， 得 以前 需 要 硬 件 才 能 实 现 的 功 能 可 移 植 到 Ｄ Ｐ 中用 软 件 实 现 ， 正 使 Ｓ 使
图 ６ 交 流 输 入 电 压 和 电流 波 形 图 ２ ４试 验 结 果 及 分 析 ．
预 期 的 目的 ．
最 后 ， 计 了基 于 ＴＭＳ ２ Ｆ ８２的功 率 因数 校 正 实 验 电路 ， 验 结 果 如 图 ８所 示 ， 图 为 输 人 电 压 和 输 入 电 流 波 形 ， 设 ３０ ２ １ 实 该
吉 首 大学 学 报 （ 自然 科 学 版 ）
第 ３ 卷源自文库 Ｏ
移 相 全 桥 软 开 关 Ｄ ／ Ｃ变 换 电 路 采用 如 图 ３所 示 的 全 桥 Ｄ ／ Ｃ变 换 器 ， 工 作 原 理 在 文献 ］ 详 细描 述 ＣＤ ＣＤ 其 ４中
Ｌ
Ｌ
图 ２ Ｂ ｏｔ Ｚ ｏ ｓ 型 ＶＴ—Ｐ Ｍ 变 换 器 主 电 路 Ｗ １ ３基 于 Ｄ Ｐ的 硬件 电路 设 计 ． Ｓ
驱 动 电路 、 测 电路 、 护 电路 以 及 辅 助 电源 电 路 组 成 ． 统 检 保 系 主 电路 和控 制 电路 原 理 框 图如 图 １ 示 ， １中 Ｅ表 示 输 入 所 图 电压及电感电流、 出 电压及 电流和 主开关 管漏极 电压 、 输 采 样电路 ； Ｂ表 示 功 率 开 关 驱 动 电 路 ； Ｆ表 示 输 出 电 压 及 电 流 、 原 边 电感 电 流 和 ４ 开 关 管 漏 极 电压 采 样 电路 ． 个 １ １单 相 功 率 因数 校 正 ＡＣ Ｄ ・ ／ Ｃ变 换 电路 图 １ 系统 主 电 路 结构 框 图
２ ３仿 真 结 果 及 分 析 ．
为 了验 证 基 于 ＤＳ Ｐ控 制 数 字 开 关 电源 设 计 的 可 行 性 和 参 数 选择 的 正 确 性 ， 用 Ｐ ｐｃ 件对 图 １所示 的 系 统 进 行 利 ｓｉ ｅ软 仿 真 ， 真 波 形 图 如 图 ６ ７所 示 ． ６为 输 入 交 流 电 压 和 电 仿 ， 图
驱 动 图 ２ ３的 功率 开 关 管 ． ， １ ４系统 控 制 算 法 软件 实现 ．
Ｄ Ｐ数 字 控 制 能 够 实 现 较 之 模 拟 控 制 更 为 高 级 而 且 复 Ｓ
杂 的策 略 ， 模 拟 控 制 电 路 相 比 较 ， 字 控 制 电 路 拥 有 更 多 与 数
的优 点 ： 字 Ｐ Ｄ 系 统 相 对 于 模 拟 ＰＤ 系 统 具 有 设 计 周 期 数 Ｉ Ｉ
单 相 功 率 因 数 校 正 Ａ ／ Ｃ变 换 电 路 采 用 Ｂ ｏ ｔ Ｚ Ｔ－Ｐ Ｍ 变 换 器 ， 电 路 图 如 图 ２所 示 ． 工 作 原 理 在 文 献 ＣＤ ｏｓ型 Ｖ － Ｗ 其 其
［］ ３ 中详 细 描 述 ， 电路 能 实 现 主开 关 管 ｓ的零 电 压 开通 和 二 极 管 Ｄ 的零 电 流关 断． 该
： ７ ５２ Ａ ， ．
４ｖ ２
允许 的纹 波 电流 一 般 是取 输 入 电流 的 ２ ， Ｏ 即
Ａ Ｉ 一 ０． Ｉ ２× ７ ５２— １． ． ． ５Ａ
在 最 低 线 电 压 时 最 小 占 空 比为
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７ 一
一 ０． ６３， ２
第 ６期
系统 始终 具 有 高精 度 和 可 靠 性 ， 服 以 上 缺 点 可 采 用 数 字 控 制 器 Ｄ Ｐ代 替 传 统 的模 拟 控 制 芯 片 ． 克 Ｓ 目前 数 字 处 理 （ Ｐ 技 术 ＤＳ ）
逐 渐 成 熟 ， 一 代 Ｄ Ｐ采用 哈佛 结 构 、 水 线 操 作 ， ｊ新 Ｓ 流 即程 序 、 据 存 储 器 彼 此 独 立 ， 每 一 时 钟 周 期 中完 成 取 指 、 码 、 数 在 译 读 数 据 以及 执 行 指 令 等 多 个 操 作 ， 而 大 大 减 少 指 令 执 行 周 期 ． 从 另外 ， 由于 其 特 有 的寄 存 器 结 构 ， 能 强 大 的 寻 址 方 式 ， 活 的 功 灵
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算 Ｉ 成 誓“－ 完 ？ △— １ ． —
图 ５ 系统 主 程 序 流 程 图
２ 实 验 结 果 及 其 分 析
设 交 流输 入 电压 ２ ０Ｖ， 出， 为 ４ 输 出功 率 为 １０ ０Ｗ ， 率 为 ９ ， 换 器 工 作 频 率 为 １ ０ｋ ． ２ 输 电压 ８Ｖ， ０ 效 ５ 变 ０ Ｈｚ
第 ３ Ｏ卷
第 ６期
吉 首 大 学学 报 （ 自然科 学 版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｉｈ ｕＵｎｉｅｓｔ （ ｔ ａ ｃｅ ｅＥｄｔｏ ） ｏ ｒ ａ ｆＪｓ ｏ ｖｒｉ ｙ ＮａｕｒｌＳ ｉｎｃ ｉｉｎ
Ｖｏ ． ３ Ｎｏ ６ １ ０ ．
ＮＯ ．２ ０ Ｖ ０ ９
２０ ０ ９年 １ １月
流 仿 真 波 形 图 ， 图 ６中 能清 楚 的 看 到 输 入 电 流 很 好 跟 随 交 从
流 输 入 电 压 ， 现 了 功 率 因数 校 正 的 目 的 ． ７所 示 为 输 出 实 图 电 压 仿 真 波 形 ， 图 ７中可 以看 到 输 出 为一 条 比较 光 滑 的 ４ 从 ８ Ｖ 直 流 电 压 ． 真 结 果 跟 理 论 计 算 的 结 果 完 全 符 合 ， 到 了 仿 达
波 形 显 示 了输 入 电 流 很 好 的 跟 随 了输 入 电 压 ， 到 了功 率 因数 校 正 的 目的 ． 验 结 果 表 明 在 通 信 开关 电 源 中用 数 字 控 制 器 达 实
代 替 模 拟 控 制 器 是 可 行 的
４ ｊ
＊
收 稿 日期 ：０ ９ ０ — ２ ２０— ８ ０
作 者 简 介 ： 一 鸣 （ ９ ９ ， ， 南 岳 阳人 ， 南 理 工 学 院 计 算 机 学 院讲 师 ， 士 ， 要 从 事 计 算 机 硬 件 及 ＤＰ 李 １７ 一） 女 湖 湖 硕 主 Ｓ技 术
研 究．
７ ２
１ ２移 相 全桥 软 开关 ＤＣ／ ． ＤＣ变 换 电路
软 开关 Ｄ ／ Ｃ变 换 电路 组 成 ， 包 括 单 相 交 流 输 入 电 源 、 ＣＤ 它 滤
高 功 率 因数 校 正 ｊ 移相 全 桥 软 开 关
波 网 络 、 流 电路 、ｏ ｓ 高 功率 因数 校 正 电 路 和 移 相 全 桥 整 Ｂ ｏｔ ］
变 换 电路 ｌ ． 制 电路 主 要 包 括 ＤＳ ＿ 控 ４ ］ Ｐ数 字 控 制 器 ， 由 ＤＳ 它 Ｐ、
李 一 呜 ： 于 数 字 控 制 的 开 关 电源 设 计 基
７ ３
由 电磁 感 应 的 基 本 公 式 推 导 出 临 界 电 感 为
Ｌ 一
△ １ Ｌ
： ４９１ “Ｈ ，
因此 可 取 升 压 电感 Ｌ＝４ ０ Ｈ． ７
２２移 相 全 桥 软 开 关 变 换 器滤 波 输 出 电 容 计 算 ．
选 择 输 出 电容 时 ， 容 的 输 出 电 压 维 持 时 间 非 常 重 要 ． 电 当输 入 能 量 截 止 时 ， 求 电 容 电 压 仍 可 维 持 在 某 特 定 范 围 内 ， 要 输
出 滤 波 电 容 由 以 下公 式 计 算 ～ ：
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＿ ） ・ 二 ＝¨ 。
Ｂ ｏ ｔ 压 电感 的计 算 必 须 是 在 最 差 的情 况 下 得 到 ． ｏｓ升 即输 入 最 低 电 压 ， 而输 出满 载 的 时 候来 确 定 嘲 ， 输入 电流 其
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在 高功 率 因数 校 正 Ａ ／ Ｃ 电路 中广 泛 采 用 Ｕ ３ ４ 、 ３５ Ａ 等 专 用 控 制 芯 片 来 实 现 功 率 因 数 校 正 ， 在 移 相 全 桥 ＣＤ Ｃ ８ ２ ＵＣ ８ ５ 而 Ｄ ／ Ｃ 电路 中广 泛采 用 Ｔ ４ ４ＵＣ ８ ５ 专 用 电 源芯 片来 驱 动 开 关 管 Ｌ ， 定 的 电 源 芯 片 本 身 不 可 编 程 、 控 性 较 差 、 ＣＤ Ｌ ９ 、 ３７ 等 １特 ］ 可 难 以扩 展 以及 不 易 升 级 维 修 ， 时 电 源 芯 片 为模 拟 控 制 芯 片 ， 有 模 拟 电路 难 以 克 服 的 由 温 漂 和 老 化 所 引 起 的 误 差 ， 法 保 证 同 具 无
保 证 程 序 的 正 常运 行 要 禁 止 看 门 狗 ， 置 Ｐ Ｍ 信 号 的 频 率 和死 区时 间 ， 设 Ｗ 设置 通 用 定 时 器 １ ２的控 制寄 存 器 ， 置捕 获 控 和 设
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数 字信 号 处 理 中 的一 些 理 论 和算 法 可 以实 时 实 现 ．
１ 数 字 控 制 开 关 电 源 系统
该 通 信 开关 电源 主 要 由 主 电 路 和 控 制 电 路 组 成 ， 电 主 路 主要 由单 相 高功 率 因数 校 正 Ａ ／ Ｃ 变换 电路 和 移 相 全 桥 ＣＤ
文 章 编 号 ：０ ７ ９ ５ ２ ０ ） ６ ０ １ ０ １ ０ —２ ８ （０ ９ ０ —０ ７ — ３
基 于 数 字 控 制 的 开 关 电 源 设 计
李 一 呜
（ 南理工学院计算机学院 ， 湖 湖南 岳 阳 ４ ４０ ） １ ０ ６
摘 要 ： 究 了基 于 Ｔ 公 司 的 ＴＭＳ ２ Ｆ ８ ２的 新 型 数 字 控 制 的 开 关 电 源 ， 数 字控 制 器 代 替 模 拟 控 制 器 ， 研 Ｉ ３０ ２ １ 用 区别 以 往
图 ３ 全桥 ＤＣ／ ＤＣ变 换器 原 理 图
针 对 ＴＭＳ ２ Ｆ ８ ２为 核 心 的 数 字 控 制 电 路 如 图 ４所 ３０ ２１ 示 ． 图 ４中 可以 看 出 。 制 系 统 主 要 包 括 以 下 几 部 分 ： Ｓ 从 控 Ｄ Ｐ
及 其 外 围 电路 、 号 检测 与调 理 电路 、 动 电路 和 保 护 电路 ． 信 驱 其 中， 信号 检 测 与调 理 电路 主要 完 成对 图 ２输 入 电流 和 电 压 采样 、 Ｄ等功能， Ｓ Ａ／ Ｄ Ｐ产 生 脉 冲 信 号然 后 通 过 Ｄ Ａ 转 换 后 ／
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起 的不 稳 定 和 电磁 于扰 等 优 点 ． 字 控 制 系 统 主 程 序 图 如 ５ 示 ． 数 所 主程 序 的作 用 ： 始 化 ， 中包 括 给 控 制 寄 存 器 赋 初值 ， 初 其 这 时 系 统 工 作 时钟 开 Ｃ Ｐ Ｉ Ｔ、 ＡＰ Ｉ 中断 ， 等 待 中断 的 空 闲 时 间 内采 集 输 出信 号 ， 置 ＡＤ Ａ １Ｎ Ｃ ２ＮＴ 在 设 Ｃ转 换 结 束 标 志 位 为 １ 为 ．
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中 图分 类 号 ： ＴＭ５ ； １ ６ ＴＰ ７ 文献标识码 ： Ａ
指令 系统 及 其 强 大 的浮 点 运 算 能 力 ， 使得 Ｄ Ｐ不 仅 运算 能 力 较 单 片 机 有 了较 大 地 提 高 ， Ｓ 而且 在该 处理 器 上 更 容 易 实 现 高 级 语 言 ． 是 由于 其 特 殊 的 结 构 设 计 和 超 强 的 运 算 能 力 ， 得 以前 需 要 硬 件 才 能 实 现 的 功 能 可 移 植 到 Ｄ Ｐ 中用 软 件 实 现 ， 正 使 Ｓ 使
图 ６ 交 流 输 入 电 压 和 电流 波 形 图 ２ ４试 验 结 果 及 分 析 ．
预 期 的 目的 ．
最 后 ， 计 了基 于 ＴＭＳ ２ Ｆ ８２的功 率 因数 校 正 实 验 电路 ， 验 结 果 如 图 ８所 示 ， 图 为 输 人 电 压 和 输 入 电 流 波 形 ， 设 ３０ ２ １ 实 该
吉 首 大学 学 报 （ 自然 科 学 版 ）
第 ３ 卷源自文库 Ｏ
移 相 全 桥 软 开 关 Ｄ ／ Ｃ变 换 电 路 采用 如 图 ３所 示 的 全 桥 Ｄ ／ Ｃ变 换 器 ， 工 作 原 理 在 文献 ］ 详 细描 述 ＣＤ ＣＤ 其 ４中
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图 ２ Ｂ ｏｔ Ｚ ｏ ｓ 型 ＶＴ—Ｐ Ｍ 变 换 器 主 电 路 Ｗ １ ３基 于 Ｄ Ｐ的 硬件 电路 设 计 ． Ｓ
驱 动 电路 、 测 电路 、 护 电路 以 及 辅 助 电源 电 路 组 成 ． 统 检 保 系 主 电路 和控 制 电路 原 理 框 图如 图 １ 示 ， １中 Ｅ表 示 输 入 所 图 电压及电感电流、 出 电压及 电流和 主开关 管漏极 电压 、 输 采 样电路 ； Ｂ表 示 功 率 开 关 驱 动 电 路 ； Ｆ表 示 输 出 电 压 及 电 流 、 原 边 电感 电 流 和 ４ 开 关 管 漏 极 电压 采 样 电路 ． 个 １ １单 相 功 率 因数 校 正 ＡＣ Ｄ ・ ／ Ｃ变 换 电路 图 １ 系统 主 电 路 结构 框 图
２ ３仿 真 结 果 及 分 析 ．
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驱 动 图 ２ ３的 功率 开 关 管 ． ， １ ４系统 控 制 算 法 软件 实现 ．
Ｄ Ｐ数 字 控 制 能 够 实 现 较 之 模 拟 控 制 更 为 高 级 而 且 复 Ｓ
杂 的策 略 ， 模 拟 控 制 电 路 相 比 较 ， 字 控 制 电 路 拥 有 更 多 与 数
的优 点 ： 字 Ｐ Ｄ 系 统 相 对 于 模 拟 ＰＤ 系 统 具 有 设 计 周 期 数 Ｉ Ｉ
单 相 功 率 因 数 校 正 Ａ ／ Ｃ变 换 电 路 采 用 Ｂ ｏ ｔ Ｚ Ｔ－Ｐ Ｍ 变 换 器 ， 电 路 图 如 图 ２所 示 ． 工 作 原 理 在 文 献 ＣＤ ｏｓ型 Ｖ － Ｗ 其 其
［］ ３ 中详 细 描 述 ， 电路 能 实 现 主开 关 管 ｓ的零 电 压 开通 和 二 极 管 Ｄ 的零 电 流关 断． 该
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逐 渐 成 熟 ， 一 代 Ｄ Ｐ采用 哈佛 结 构 、 水 线 操 作 ， ｊ新 Ｓ 流 即程 序 、 据 存 储 器 彼 此 独 立 ， 每 一 时 钟 周 期 中完 成 取 指 、 码 、 数 在 译 读 数 据 以及 执 行 指 令 等 多 个 操 作 ， 而 大 大 减 少 指 令 执 行 周 期 ． 从 另外 ， 由于 其 特 有 的寄 存 器 结 构 ， 能 强 大 的 寻 址 方 式 ， 活 的 功 灵
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图 ５ 系统 主 程 序 流 程 图
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设 交 流输 入 电压 ２ ０Ｖ， 出， 为 ４ 输 出功 率 为 １０ ０Ｗ ， 率 为 ９ ， 换 器 工 作 频 率 为 １ ０ｋ ． ２ 输 电压 ８Ｖ， ０ 效 ５ 变 ０ Ｈｚ
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吉 首 大 学学 报 （ 自然科 学 版 ）
Ｊ ｕ ｎ ｌｏ ｉｈ ｕＵｎｉｅｓｔ （ ｔ ａ ｃｅ ｅＥｄｔｏ ） ｏ ｒ ａ ｆＪｓ ｏ ｖｒｉ ｙ ＮａｕｒｌＳ ｉｎｃ ｉｉｎ
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收 稿 日期 ：０ ９ ０ — ２ ２０— ８ ０
作 者 简 介 ： 一 鸣 （ ９ ９ ， ， 南 岳 阳人 ， 南 理 工 学 院 计 算 机 学 院讲 师 ， 士 ， 要 从 事 计 算 机 硬 件 及 ＤＰ 李 １７ 一） 女 湖 湖 硕 主 Ｓ技 术
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７ ２
１ ２移 相 全桥 软 开关 ＤＣ／ ． ＤＣ变 换 电路
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李 一 呜 ： 于 数 字 控 制 的 开 关 电源 设 计 基
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由 电磁 感 应 的 基 本 公 式 推 导 出 临 界 电 感 为
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因此 可 取 升 压 电感 Ｌ＝４ ０ Ｈ． ７
２２移 相 全 桥 软 开 关 变 换 器滤 波 输 出 电 容 计 算 ．
选 择 输 出 电容 时 ， 容 的 输 出 电 压 维 持 时 间 非 常 重 要 ． 电 当输 入 能 量 截 止 时 ， 求 电 容 电 压 仍 可 维 持 在 某 特 定 范 围 内 ， 要 输
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