淺談單片開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

李子軒

（長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 434000）

淺談單片開關(guān)電源的設(shè)計(jì)

李子軒

（長(zhǎng)江大學(xué)電子信息學(xué)院 434000）

電源對(duì)于任何電子設(shè)備的工作運(yùn)行來(lái)說(shuō)，都是至關(guān)重要的，單片開關(guān)電源的研發(fā)設(shè)計(jì)，是在保證電子設(shè)備安全高效運(yùn)行的基礎(chǔ)上，對(duì)電源穩(wěn)定性、節(jié)能性和智能性的技術(shù)探索。本文重點(diǎn)討論了單片開關(guān)電源的發(fā)展歷程、工作原理和性能優(yōu)勢(shì)，同時(shí)也對(duì)目前單片開關(guān)電源存在的一些問(wèn)題和發(fā)展趨勢(shì)作了一定程度的分析。

單片；開關(guān)電源；設(shè)計(jì)

前言

可靠的電源是一切電力電子設(shè)備實(shí)現(xiàn)運(yùn)行的前提，單片開關(guān)電源從20世紀(jì)70年代以來(lái)，經(jīng)過(guò)電路的簡(jiǎn)化、運(yùn)行頻率的提高、功能的集成控制等一系列技術(shù)層面上的革新，得到了包括辦公設(shè)備領(lǐng)域、計(jì)算機(jī)與通信領(lǐng)域、機(jī)電自動(dòng)化領(lǐng)域、家用電器領(lǐng)域和醫(yī)學(xué)設(shè)備領(lǐng)域的廣泛應(yīng)用。

1 單片開關(guān)電源的系統(tǒng)理論綜述

單片開關(guān)電源是電子電力技術(shù)高速發(fā)展的產(chǎn)物，在深入了解單片機(jī)控制的開關(guān)電源前，對(duì)傳統(tǒng)電源優(yōu)缺點(diǎn)的了解很有必要。傳統(tǒng)的電源主要以線性電源為主，線性電源是將交流電經(jīng)過(guò)變壓器降低電壓幅值，再經(jīng)過(guò)整流電路整流后，得到脈沖直流電，后經(jīng)濾波得到帶有微小波紋電壓的直流電壓，它的主要部件是功率管，因?yàn)槠湓诠ぷ鬟^(guò)程中由于長(zhǎng)期處于線性放大狀態(tài)，所以其輸出電流隨著功率管里的電流增大而增大，隨之耗費(fèi)的功率也就越大，有效使用功率就降低，嚴(yán)重影響了電源的效率，另外，線性電源很難在一個(gè)固定的電壓范圍內(nèi)工作，從而導(dǎo)致輸入精度較低，即使安裝輸入調(diào)整器控制輸入精度，隨著而來(lái)的只會(huì)是更大的功耗和更低的效率，加上線性電源硬件設(shè)備體積和重量較大，讓基于單片機(jī)和集成電路控制的開關(guān)電源成為發(fā)展的必然。

我們今天電子科技領(lǐng)域所普遍應(yīng)用的開關(guān)電源，是經(jīng)過(guò)了長(zhǎng)達(dá)幾十年的發(fā)展才逐步成型的，總結(jié)起來(lái)，它的發(fā)展方向主要有兩個(gè)：①電源控制電路集成化的發(fā)展，包括脈寬調(diào)制控制器集成電路的成功研發(fā)和高速脈沖頻率調(diào)制芯片的成型這兩個(gè)發(fā)展階段；②基于單片控制的中小功率開關(guān)電源的發(fā)展，解決了低壓輸出，400W以下大中功率產(chǎn)品的電源配置問(wèn)題，芯片技術(shù)讓開關(guān)電源的體積更小、成本更低、節(jié)能性更高，而單片機(jī)控制電路讓穩(wěn)壓電源更為高效。

2 單片開關(guān)電源的工作原理和設(shè)計(jì)流程

單片開關(guān)電源的核心是脈沖寬度調(diào)制、微控制器和金屬-氧化層-半導(dǎo)體-場(chǎng)效晶體管（MOSFET），通過(guò)控制控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓。具體流程是輸入一個(gè)基準(zhǔn)電壓，假設(shè)為6V，通過(guò)整流濾波電路后，電壓在電網(wǎng)波動(dòng)作用下減小，導(dǎo)致采樣的電壓值也減小，假設(shè)減小為5.9V，誤差為0.1V，那么系統(tǒng)會(huì)經(jīng)過(guò)比較和放大，脈沖寬度調(diào)制會(huì)使脈沖調(diào)制電路根據(jù)誤差大小，提高占空比使得輸出電壓增大，同樣的道理，輸出電壓假設(shè)為6V，電網(wǎng)波動(dòng)下輸出電壓升高至6.1V，脈沖調(diào)制電路也會(huì)相應(yīng)降低占空比使得輸出電壓減小到穩(wěn)定的6V，控制整個(gè)系統(tǒng)電壓的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定。

在具體的單片開關(guān)電源的系統(tǒng)設(shè)計(jì)上，一般包括系統(tǒng)方案驗(yàn)證、重難點(diǎn)分析、硬件設(shè)計(jì)、軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試這幾個(gè)階段。在系統(tǒng)方案論證時(shí)，需要清楚地規(guī)劃好系統(tǒng)各個(gè)模塊的工作形式和連接方法，比如整流濾波電路、采樣電路、放大電路、控制電路、電子開關(guān)電路等，還要對(duì)產(chǎn)品實(shí)際可能引發(fā)的問(wèn)題進(jìn)行對(duì)策分析，比如如果輸出電壓與輸入電壓不隔離，容易引起觸電事故等。重難點(diǎn)分析是結(jié)合產(chǎn)品的功能定位和功能實(shí)現(xiàn)之間的思考，比如怎樣提高電源的工作效率，怎樣處理高頻干擾問(wèn)題，以及怎樣處理實(shí)際應(yīng)用中的成本、接口連接方式等。而硬件設(shè)計(jì)主要在于硬件型號(hào)和參數(shù)的選擇，比如輸出整流管的選取、輸出濾波電容的選擇，反饋電路中整流管的選擇等，最后的軟件設(shè)計(jì)和系統(tǒng)調(diào)試，主要應(yīng)用的是計(jì)算機(jī)編程思想，以C語(yǔ)言程序設(shè)計(jì)為工具，發(fā)送指令，這主要是根據(jù)系統(tǒng)論證方案的工作流程來(lái)的，比如對(duì)單片機(jī)，主要根據(jù)鍵盤輸入值和取樣值之間的差值，修改脈沖占空比，并輸出控制功率開關(guān)管，以便得到期望的輸出電壓值，并根據(jù)模/數(shù)轉(zhuǎn)換器所采樣的電壓和鍵盤輸入比較，根據(jù)差值調(diào)用PID算法再次修改脈寬使輸出電壓穩(wěn)定。

基于單片機(jī)控制的開關(guān)電源具有良好的設(shè)計(jì)彈性，因?yàn)榻柚擞?jì)算機(jī)編程技術(shù)，可以完美融合設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)靈活的設(shè)計(jì)思想，進(jìn)行程序化運(yùn)作，單片機(jī)的電路結(jié)構(gòu)也非常簡(jiǎn)單，易于維修，成本相對(duì)低廉。除此之外，單片機(jī)和芯片技術(shù)可以在改善開關(guān)電源體積重量、提升產(chǎn)品性能的同時(shí)，對(duì)其進(jìn)行適當(dāng)?shù)墓δ軘U(kuò)展，比如在可視化人機(jī)交互方面，完全可以實(shí)現(xiàn)更智能的實(shí)時(shí)監(jiān)控功能。

3 單片開關(guān)電源的高頻干擾問(wèn)題以及未來(lái)的發(fā)展趨勢(shì)

盡管單片開關(guān)電源在性能、體積和重量上相對(duì)傳統(tǒng)電源具備明顯的優(yōu)勢(shì)，但其大致的工作流程還是需要按照從交流整流為直流，然后逆變?yōu)楦哳l，最后經(jīng)過(guò)濾波電路得到穩(wěn)定的輸入電壓這個(gè)順序進(jìn)行的，這個(gè)過(guò)程中存在一定的諧波干擾，同時(shí)由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復(fù)電流造成的尖峰，都形成了潛在的電磁干擾源。針對(duì)這個(gè)問(wèn)題，我們一般可采取共模干擾電路來(lái)達(dá)到對(duì)電磁感染的抑制作用，因?yàn)榇蠖鄶?shù)電磁干擾現(xiàn)象都是由電磁干擾源、耦合途徑、干擾接收機(jī)三個(gè)主要因素構(gòu)成，所以我們處理的方式一般有三種：①減小電磁干擾源的干擾能量，比如設(shè)置吸收回路；②破壞電磁干擾路徑，如通過(guò)濾波；③采用屏蔽手段，達(dá)到抑制電磁感染的目的。

隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展，集成度高、功能強(qiáng)大的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn)，使得電子設(shè)備的體積和重量不斷下降，這就要求有效率更高、體積更小、重量更輕的開關(guān)電源，使之能滿足電子設(shè)備的日益小型化的需要，這是未來(lái)開關(guān)電源設(shè)計(jì)所應(yīng)考慮的最直接的問(wèn)題。

4 結(jié)語(yǔ)

單片開關(guān)電源的研發(fā)設(shè)計(jì)和發(fā)展過(guò)程，除了科學(xué)技術(shù)的創(chuàng)新，更反映了科技發(fā)展的一般規(guī)律，即節(jié)能環(huán)保、高效智能的可持續(xù)科學(xué)發(fā)展觀，未來(lái)的電子科技，將與互聯(lián)網(wǎng)信息技術(shù)和計(jì)算機(jī)編程技術(shù)有機(jī)融合，創(chuàng)造出更具實(shí)用性的多元科技產(chǎn)品。

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TN86

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1004-7344（2016）07-0330-01

2016-2-1