建筑用开关电源的节能设计与实现

李斌+孙伟

摘 要： 为了对开关电源进行节能设计，提高输出功率，降低电能损耗，提出一种基于并联谐振阻抗匹配的建筑用开关电源的节能设计方法。首先构建开关电源的总体设计模型，电源硬件设计模块主要含功率放大器、A/D转换器、无源高通滤波器和动态增益控制模块，设计电源节能的等效电路图，采用模块化设计方法进行建筑用开关电源的电路设计，采用并联谐振阻抗匹配方法提高输出功率增益，降低电能开销，实现节能优化。测试结果表明，采用该方法进行建筑用开关电源的节能设计，具有更高的输出增益，带载能力更好。

关键词： 建筑； 开关电源； 节能设计； 输出增益； 高通滤波器

中图分类号： TN86?34； TM43 文献标识码： A 文章编号： 1004?373X（2017）24?0184?03

Abstract： In order to realize the energy saving design of the switching power supply， improve the output power and reduce the electric energy loss， an energy saving design method of switching power supply based on parallel resonant impedance matching is proposed for construction industry. The overall design model of the switching power supply is constructed. The hardware design module of the power supply includes the power amplifier， A/D converter， passive high?pass filter and dynamic gain control module. The equivalent circuit diagram of energy saving design for the power supply was designed. The modular design method is used to design the circuit of switching power supply for construction industry. The parallel resonance impedance matching method is adopted to improve the output power gain， reduce the electric power consumption， and realize the energy?saving optimization. The test results show that the method used for the energy saving design of the switching power supply for construction industry has high output gain and strong load capacity.

Keywords： building； switching power supply； energy saving design； output gain； high?pass filter

0 引 言

近年来，电源技术和电能优化传输技术得到快速发展，同时也催生了建筑电气产业的快速发展，建筑用开关电源的节能优化设计是实现建筑内部电源供电优化节能的重要组件。通过对开关电源的节能设计，结合双向流动的三相逆变器使得功率场效应管（MOSFET）产生的感应电能能够有效输出到电源终端，提高输出功率增益。开关电源是利用电气自动化控制技术，进行开关管开通和关断控制的电气控制设备，开关电源一般采用脉冲宽度调制（PWM）控制IC进行输出功率控制，实现PWM转换和零电压转换（Zero?Voltage?Transition，ZVT）[1]。目前，开关电源以小型、轻量和高效率等优点在建筑电气节能控制中得到广泛应用，研究建筑用开关电源的节能设计方法，在促进节能减排，降低能源损耗方面具有重要意义，相关的设计方法受到人们的极大重视。本文研究一种基于并联谐振阻抗匹配的建筑用开关电源的节能设计方法，通过对开关电源的硬件电路设计和節能控制模型设计，实现开关电源节能设计优化。

1 设计原理与总体构架

本文设计的建筑用开关电源主要由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部分组成[2]，其中，主电路主要实现冲击电流检测、输电电流滤波和整流控制以及逆变控制等功能，根据负载需要设计逆变电路，采用AC/DC和DC/DC转换器进行反转式串联开关电源输出[3]。根据上述设计原理，构造本文设计的建筑用开关电源的节能设计结构如图1所示。

2 等效电路图设计与电路分析

根据图1构造的总体结构模型，采用脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET进行开关电源的适配器设计，基于分散控制系统（Distributed Control System，DCS）的节能电源设计方案进行开关电源的节能控制设计，构造开关电源的等效电路示意图如图2所示。

图2所示的开关电源等效电路图采用的是DCS分散控制方法，构造T型等效电路图，输入220 V的初始电源接入，滤波电容采用DC 380 V左右电压供电，PWM模块为UC3843，启动脚Vstart/control，得到开关电源初级侧的输入电压为：

式中：，为发射频率和输入初级侧的自感，有效信号的载波相位支持片外同步或异步传输能力；为绕组之间的互感；，为初级侧和次级侧电压；和为灵敏度（动作电压）参数，由滤波器的频率响应得知开关电源的耦合系数为：

由放大器的动态范围计算接收机内部滤波器的互感值，其中，通频带应设计为100～2 000 Hz，在无直流电压输出的情况下，整流二极管击穿，电压输出为：

在有负载情况下，各级直流电压具有高耦合性，电源的控制电路的漏感小于滤波电容漏电输出。通过谐振电路进行多模控制，在谐振工作点附近开关管的工作不稳定，对此，在进行开关电源的逆变器设计中，采用如下约束式进行传输效率控制：

检查电源输入端逆变功率开关管，建立包含直流输出的高压滤波电解模型，考虑电源的工作环境温度[4]，在电源的谐振点附近将电流波形视为近似正弦，得到电源输出的谐振角频率和阻抗为：

引入过电压保护（OVP）功能，确定输入/输出电压规格，当系统工作在谐振点附近，建筑用开关电源的逆变电压为：

根据以上设计，得到开关电源的次级侧输出电压和次级侧电流的关系模型描述为：

采用并联谐振阻抗匹配方法提高输出功率增益，得到开关电源滤波电容的借电电压为：

次级侧电流为：

考虑对电源进行过电压保护（OVP）、过温度保护（OTP）[5]，本电路中加入动态范围25 dB 的AGC，得到谐振电流输出电流和输出电压为：

3 电源模块化设计

采用模块化设计方案进行建筑用开关电源电路设计，分别对开关电源功率放大器、A/D转换器、无源高通滤波器和动态增益控制模块[6]设计，描述如下：

（1） 功率放大器。功率放大器是实现开关电源的输出功率放大功能，放大倍数应该大于50 000倍，采用两级放大器进行功率放大器设计，使用双运放器件来实现，得到设计电路如图3所示。

（2） A/D转换器。A/D转换器采用四级A/D转换晶振设计，把检波器输出的交流信号，调整输入级信号幅值大小，实现开关能源的节能设计要求。

（3） 无源高通滤波器。高通滤波器设计是实现电流整流控制和干扰滤波，采用CMOS工艺制造的七阶椭圆函数电容滤波器设计无源高通滤波器，设计指标满足通带内纹波<0.1 dB，阻带衰减>51 dB（当f>1.3 fc 时），负载阻值不能小于10 kΩ，在滤波器输出端外接晶振输入端（通常还需并接10 MΩ的电阻），增大驱动能力。

（4） 动态增益控制模块。动态增益控制模块采用并联谐振阻抗匹配方法提高建筑用开关电源的增益控制和节能能力。采用3个多通道缓冲串口McBSPs进行动态增益控制，经DMA 控制器接入内存，通过对六个输入端的设置同步脉冲进行外部脉冲源驱动，完成开关电源设计。

综上分析，得到本文设计的建筑用开关电源的电路集成设计图如图4所示。

4 实验测试

在对本文设计的建筑用开关电源进行测试中，通过分析电源逆变器的输出电压、输出电流、次级侧电压等参量分析其节能性能，设定功率放大器的截止频率=2 905 Hz，直流信号在1.2～1.4 V之间，起控点设在，得到输出性能曲线如图5所示。

分析图5结果得知，采用本文方法设计的开关电源具有较好的输出指标表现，功率和电压的输出增益较高，通过节能设计提高了电源系统的带载能力。

5 结 语

为了提高建筑用开关电源的输出功率，降低电能损耗，提出一种基于并联谐振阻抗匹配的建筑用开关电源的节能设计方法。进行电路设计分析，重点对开关电源的功率放大器、A/D转换器、无源高通滤波器和动态增益控制等模块进行了详细设计，采用并联谐振阻抗匹配方法提高输出功率增益，降低电能开销，实现节能优化。电路调试结果表明，采用该方法进行建筑用开关电源的节能设计，具有更高的输出增益，带载能力更好，具有实用价值。

参考文献

[1] RAJAPAKAHA N， MADANAYAKE A， BRUTON L T. 2D space?time wave?digital multi?fan filter banks for signals consisting of multiple plane waves [J]. Multidimensional systems and signal processing， 2014， 25（1）： 17?39.

[2] 焦文良，王旭东，那日沙，等.多重联结大功率直流电源控制策略研究[J].电机与控制学报，2016，20（5）：53?59.

[3] 王志强，马新敏，王超，等.两相两重斩波变换的半导体激光器电源研究[J].激光技术，2015，39（3）：386?390.

[4] 陈凯，许海铭，徐震，等.适用于移动云计算的抗中间人攻击的SSP方案[J].电子学报，2016，44（8）：1806?1813.

[5] 吴旭.基于增强稳定组模型的移动P2P网络信任评估方法[J].计算机学报，2014，37（10）：2118?2127.

[6] 齐晓辉，王峰，金涛，等.多通道中频采样数字下变频应用技术研究[J].科学技术与工程，2013，13（7）：1821?1826.