浅谈单片开关电源的设计

李子轩

（长江大学电子信息学院 434000）

浅谈单片开关电源的设计

李子轩

（长江大学电子信息学院 434000）

电源对于任何电子设备的工作运行来说，都是至关重要的，单片开关电源的研发设计，是在保证电子设备安全高效运行的基础上，对电源稳定性、节能性和智能性的技术探索。本文重点讨论了单片开关电源的发展历程、工作原理和性能优势，同时也对目前单片开关电源存在的一些问题和发展趋势作了一定程度的分析。

单片；开关电源；设计

前言

可靠的电源是一切电力电子设备实现运行的前提，单片开关电源从20世纪70年代以来，经过电路的简化、运行频率的提高、功能的集成控制等一系列技术层面上的革新，得到了包括办公设备领域、计算机与通信领域、机电自动化领域、家用电器领域和医学设备领域的广泛应用。

1 单片开关电源的系统理论综述

单片开关电源是电子电力技术高速发展的产物，在深入了解单片机控制的开关电源前，对传统电源优缺点的了解很有必要。传统的电源主要以线性电源为主，线性电源是将交流电经过变压器降低电压幅值，再经过整流电路整流后，得到脉冲直流电，后经滤波得到带有微小波纹电压的直流电压，它的主要部件是功率管，因为其在工作过程中由于长期处于线性放大状态，所以其输出电流随着功率管里的电流增大而增大，随之耗费的功率也就越大，有效使用功率就降低，严重影响了电源的效率，另外，线性电源很难在一个固定的电压范围内工作，从而导致输入精度较低，即使安装输入调整器控制输入精度，随着而来的只会是更大的功耗和更低的效率，加上线性电源硬件设备体积和重量较大，让基于单片机和集成电路控制的开关电源成为发展的必然。

我们今天电子科技领域所普遍应用的开关电源，是经过了长达几十年的发展才逐步成型的，总结起来，它的发展方向主要有两个：①电源控制电路集成化的发展，包括脉宽调制控制器集成电路的成功研发和高速脉冲频率调制芯片的成型这两个发展阶段；②基于单片控制的中小功率开关电源的发展，解决了低压输出，400W以下大中功率产品的电源配置问题，芯片技术让开关电源的体积更小、成本更低、节能性更高，而单片机控制电路让稳压电源更为高效。

2 单片开关电源的工作原理和设计流程

单片开关电源的核心是脉冲宽度调制、微控制器和金属-氧化层-半导体-场效晶体管（MOSFET），通过控制控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压。具体流程是输入一个基准电压，假设为6V，通过整流滤波电路后，电压在电网波动作用下减小，导致采样的电压值也减小，假设减小为5.9V，误差为0.1V，那么系统会经过比较和放大，脉冲宽度调制会使脉冲调制电路根据误差大小，提高占空比使得输出电压增大，同样的道理，输出电压假设为6V，电网波动下输出电压升高至6.1V，脉冲调制电路也会相应降低占空比使得输出电压减小到稳定的6V，控制整个系统电压的动态稳定。

在具体的单片开关电源的系统设计上，一般包括系统方案验证、重难点分析、硬件设计、软件设计和系统调试这几个阶段。在系统方案论证时，需要清楚地规划好系统各个模块的工作形式和连接方法，比如整流滤波电路、采样电路、放大电路、控制电路、电子开关电路等，还要对产品实际可能引发的问题进行对策分析，比如如果输出电压与输入电压不隔离，容易引起触电事故等。重难点分析是结合产品的功能定位和功能实现之间的思考，比如怎样提高电源的工作效率，怎样处理高频干扰问题，以及怎样处理实际应用中的成本、接口连接方式等。而硬件设计主要在于硬件型号和参数的选择，比如输出整流管的选取、输出滤波电容的选择，反馈电路中整流管的选择等，最后的软件设计和系统调试，主要应用的是计算机编程思想，以C语言程序设计为工具，发送指令，这主要是根据系统论证方案的工作流程来的，比如对单片机，主要根据键盘输入值和取样值之间的差值，修改脉冲占空比，并输出控制功率开关管，以便得到期望的输出电压值，并根据模/数转换器所采样的电压和键盘输入比较，根据差值调用PID算法再次修改脉宽使输出电压稳定。

基于单片机控制的开关电源具有良好的设计弹性，因为借助了计算机编程技术，可以完美融合设计团队灵活的设计思想，进行程序化运作，单片机的电路结构也非常简单，易于维修，成本相对低廉。除此之外，单片机和芯片技术可以在改善开关电源体积重量、提升产品性能的同时，对其进行适当的功能扩展，比如在可视化人机交互方面，完全可以实现更智能的实时监控功能。

3 单片开关电源的高频干扰问题以及未来的发展趋势

尽管单片开关电源在性能、体积和重量上相对传统电源具备明显的优势，但其大致的工作流程还是需要按照从交流整流为直流，然后逆变为高频，最后经过滤波电路得到稳定的输入电压这个顺序进行的，这个过程中存在一定的谐波干扰，同时由于变压器的漏感和输出二极管的反向恢复电流造成的尖峰，都形成了潜在的电磁干扰源。针对这个问题，我们一般可采取共模干扰电路来达到对电磁感染的抑制作用，因为大多数电磁干扰现象都是由电磁干扰源、耦合途径、干扰接收机三个主要因素构成，所以我们处理的方式一般有三种：①减小电磁干扰源的干扰能量，比如设置吸收回路；②破坏电磁干扰路径，如通过滤波；③采用屏蔽手段，达到抑制电磁感染的目的。

随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积和重量不断下降，这就要求有效率更高、体积更小、重量更轻的开关电源，使之能满足电子设备的日益小型化的需要，这是未来开关电源设计所应考虑的最直接的问题。

4 结语

单片开关电源的研发设计和发展过程，除了科学技术的创新，更反映了科技发展的一般规律，即节能环保、高效智能的可持续科学发展观，未来的电子科技，将与互联网信息技术和计算机编程技术有机融合，创造出更具实用性的多元科技产品。

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1004-7344（2016）07-0330-01

2016-2-1