大功率高频开关电源的设计要点

大功率高频开关电源的设计要点
摘要开关电源设计需要综合分析电力电子、电磁学、微电子技术、热力学等多门学科，具有较强的综合性。

同时电源为电力设备正常运行的核心，尤其是现在资源需求与环保节能理念下，需要在原有基础上，对开关电源设计方法进行更为深入的研究。

本文重点分析了大功率高频开关电源设计要点。

【关键词】大功率高频开关电源系统设计
开关电源即交互式电源，为高频化电能转换装置，可以利用不同形似架构，将一个准电压转换成用户端需要的电压或电流。

大功率高频开关电源现在已经被广泛的应用到军工设备、LED照明、通讯设备、科研设备、电力设备等领域，具有功耗小、效率高的优点。

在对其进行设计时，需要结合其运行原理，确定系统各环节设计要点，对各节点功能进行优化。

1 大功率高频开关电源
1.1 开关电源特点
电气设备容量持续增大，为满足实际应用需求，市场上逐渐出现更多的大功率高频开关电源，同时与传统开关电源相比，还可以有效降低对电网的影响，更符合节能环保发展
理念。

另外，开关电源的高频化设计，可以进一步减小其体积大小，并可根据实际需求来灵活控制电容、电感容量，将生产成本控制到最低。

因此，在对大功率高频开关电源进行设计时，需要充分发挥出其所具有的优点，便于更好的满足实际发展需求。

1.2 开关电源原理
基于线性开关，开关电源开关管工作处于开关状态，将基础降压电路作为例子进行分析，确定开关电源工作过程与所处状态。

如图1所示，当开关处于闭合状态时，持续电压将会对电感LO两端产生作用，电感电流将呈直线上升趋势，可用公式表达：iL（on）=（Vin-V out）ton/L。

当开关处于开通状态时，电能将被存储在电感中，来满足关断时间内对负载的输出需求，其中存储能量可用公式表示：Estored=1/2Lo （I2pk-I2min）。

开关断开后，电感Lo输入端电压会降为零，电感上能量需要通过续流二极管D维持负载，整个区间内电感电流可以用公式描述：iL（off）=（V out-VD）toff/L。

通过伏秒平衡来表示输出电压与输入电压关系：V out=D?Vin，其中D表示开关占空比，取值ton/T。

在开关电源再次开通后，结束整个运行过程。

2 大功率高频开关电源设计要点
2.1 拓扑结构选择
开关电源功率拓扑主要负责DC/DC高频逆变的实现，
是整个开关电源能量转换的核心单元。

其作为影响开关电源设计效果的关键因素，需要基于实际需求进行合理选择与有效控制，包括对输出功率大小、输入电压范围、输出电压范围、斩波电流等进行综合分析，尤其是要重点控制好输出功率与输入输出电压比。

2.2 硬件电路设计
2.2.1 整体结构
硬件电路作为开关电源的基础部分，决定了电源运行可靠性与效率。

以往在对此方面设计时，会选择用纯硬件模拟电路实现。

设计时主要针对输入保护与滤波、高频逆变、输出整流、控制电路、驱动电路等模块进行分析。

首先需要确定开关电源整体结构，通过横向开关电源分为输入整流级别、中间逆变级、输出整流级三部分；通过纵向开关电源则可分为控制级、驱动级、功率级。

开关电源传统结构，将控制电路和驱动电路被集成到PWM控制器上，对电路设计进行了有效简化，强化了电路抗干扰能力。

为提高电源灵活性，可以将数字化集成芯片代替传统PWM控制芯片作为主控制器，构成数字式开关电源控制，如图2。

2.2.2 功率级电路设计
功率级电路主要包括输入滤波、输入整流、浪涌抑制、有源功率因数校正、输出整流、逆变电路以及输出保护等几个部分。

在对此部分进行设计时，应遵循从总体到分部的原
则。

将开关电源看做为一个单输入单输出网络，然后确定开关电源系统参数，并完成各模块设计。

（1）输入整流模块。

其可以与电网进行连接，主要负责将交流电网变换成直流电能，为电能的输入级，具有较高的可靠性，可以承受雷电引起的浪涌冲击影响。

（2）共模电感。

逆变电路转换器均会产生高频对地电流，并产生不同寄生效应，为避免对系统运行产生影响，需要通过共模电感来消除。

可以选择用二阶共模滤波器，利用公式计算出转折频率：fc=fsw×10Aπ/40，其中Aπ为24dB，fsw表示工作频率，由此可得出在工作频率时可以得到24dB 衰减时转折频率。

电感值公式：L=RLζ/πfc，其中阻尼系数ζ取值0.707。

同时，需要结合实际需求，对电感量数值进行调整，并将阻尼控制在允许范围内。

2.2.3 智能控制电路设计
控制电路作为开关电源硬件结构的最顶层，主要负责环路控制、系统保护、状态显示、信息通讯等。

其中，环路控制为控制电路的核心功能，决定了输出电压的准确性，同时及时响应速度与智能调节要求，需要对大量数据进行处理和运算，包括了输入给定、输出反馈和AD转换等部分。

电路保护功能对提高电源运行安全性和可靠性具有重要意义，包括过流保护、过温保护、过压保护、欠压保护等几个方面。

状态显示必须要具有实时性，通过DSP控制器实现，由AD
对多种输入状态采样后，DSP的SPI直接传输给显示单元。

2.3 软件电路设计
重点做好核心控制器的选择，确定系统编程环境与编程语言，例如C语言具有较强的可读性和移植性，代码效率高。

数字式开关电源需要利用核心控制器程序进行编写，可分为自顶向下程序设计与自底向上程序设计两种，可根据实际需求选择。

为提高开关电源程序阅读性与移植性，可以利用模块化进行设计，即对每个模块进行细分，将基于硬件底层驱动代码封装成多个小模块。

设计后整个程序主要包括应用层、处理层、驱动层与物理层四部分，系统程序具有更好的易读性与移植性。

其中，通过两位拨码开关来对电源运行状态进行设置，高位表示离线或在线模式，低位表示恒流或恒压模式。

3 结束语
对大功率高频开关电源设计进行分析，需要基于开关电源所具有的特点，结合其运行原理，以满足实际运行需求为目的，做好硬件和软件部分电路设计，提高系统程序稳定性和可靠性。

参考文献
[1]宋志勇.移相全桥大功率高频开关电源的研究与设计
[D].湖北工业大学，2014.
[2]陈小敏.大功率高频开关电源的设计与实现[D].华中
科技大学，2007.
作者简介
李展征（1978-），男，广东省佛山市顺德区人。

大学本科学历。

现为佛山市爱威斯电源有限公司电子助理工程师。

主要研究方向为电源设计。

作者单位
佛山市爱威斯电源有限公司广东省佛山市528000。