电力高频开关电源的设计与分析

时东阳

在当前的社会环境中，信息技术的发展速度十分迅猛，这也使得各种各样的电子设备得到了广泛的普及应用，而无论何种电子设备，其都需要稳定的电源提供支持。而线性电源就属于一种常用的电源，然而，线性电源自身所具备的缺点也十分明显，其内部输入电压的有效范围相对较窄，输出的电压也必须要低于输入电压，并且其整体体积相对较大，在某些特殊场合当中无法达到基本的使用需求。而开关转换器则是通过开关管，对基本的开合状态进行更加全面的控制，使得电能的各种形态能够更好地适用于开关当中，确保输入电压能够稳定控制在一定范围当中，同时，在开关电源进行正常工作的过程中，也可以采用高频的DC/DC转换器，使得开关电源转换器能够具备高频化特征，这就形成了高频开关电源。

（一）标准化以及模块化

开关电源设备的标准化转变，使得开关电源的应用范围更加广泛，这也进一步突出了开关电源标准化发展的重要作用。而实现开关电源标准化发展的关键就在于整合不同用户所提出的基本需求，并针对性地制定出相应的要求内容，以此为基础来对研制生产环节加以规范，同时，标准化还能够更好地协调科研、生产以及使用三者之间的具体关系，确保开关电源系统自身具备更加科学合理的指标性能。而电力高频开关电源的模块化。主要就是将部分具备着特殊功能的電路进行集成处理，实现最佳的性能，提升整体资源利用率，而在当前的社会环境中，整体集成度也呈现出一种不断提升的状态，而将电力高频开关电源当中一些特殊功能有效集成在一起，能够强化其总体性能，在便于群众使用的同时，提高应用系统自身的稳定性。

（二）数字化以及智能化

电力高频开关电源设备的数字化发展，就是将现代化的数字信号应用到其中，以此来代替传统的模拟信号，从而更好地完成一些制定功能。而在当前嵌入式的发展模式当中。可以明显看出开关电源数字控制以及模拟控制这两种现代化技术，其必然会在未来的发展进程中处于一种长期共存的状态，这也进一步突出了数字化发展的重要性。而电力高频开关电源的智能化，则是通过传感器与计算机设备之间的有效结合来实现一些特殊功能，比如在电能变换电源设备当中实现自我诊断或是预先报警，并对设备生产、设备配送以及设备维修的全过程智能化精确管理等。

（三）高频化以及小型化

在当前的社会环境当中，软开关技术得到了较为全面的发展优化，并且逐渐向着成熟化的方向转变，这也使得那些中功率器件内部的开关频率逐步提升。而随着功率开关器件频率的逐步提升，开关电源自身的重量以及体积必然会随之减少，并且具备更加优异的性能。因此，开关电源设备未来的主要发展趋势就在于小型化以及高频化，甚至还会出现频率在1MHZ的开关电源，有着更高的工作效率。

（一）电力高频开关电源的工作原理

开关电源主要就是通过脉宽调制波来对MOS管的开关时间比进行更加全面的控制，并输出稳定电压的一种电源。而在线性电源当中，开关管处在线性的工作状态，而PWM开关电源则会让开关管处在关断或是开通状态，这也是PWN开关电源与线性电源最为明显的差异之处。而在这两种工作状态当中，开关管所产生的功率消耗相对较低，而出现这一情况的主要原因就在于开关管在导通过程中，虽然电流相对较大，但整体电压却比较低，在开关管关断时虽然电压会提升，但电流却会减小，使得开关管当中的伏安乘积就是其所产生的具体损耗，由此可以看出，其所产生的损耗比较低。而与传统的线性电源不同，在PWN开关电源当中所采用的则是脉冲宽度调制的方式，以此来对电压展开稳定调节，开关电源中具备的中控芯片，能够对脉冲占空比进行更好的调节。通过对脉冲波形占空比进行调整的方式，来更好的控制开关管的导通时间以及截止时间，从而对输出端所输出的电压进行更加稳定的调节，而如果想要进一步提升输入电压，就可以采取增大匝比的方式。同时，变压器内部所输出的微端交流电压，其在经过整流滤波处理过后就能够得到相应的直流电压。而后通过输出电压的采样工作以及误差比较工作，将其中存在的误差信号传送至控制芯片当中，形成一种稳定的脉冲波形来对开关管的通断进行驱动，在控制能量传输状态的同时，维持电压的安全性以及稳定性。

（二）电力高频开关电源的电路设计

1、输入整流滤波电路。在电力高频开关电源当中，滤波电路具体囊括了输入低通滤波以及输入输出整流这两种类型，其中的输入低通滤波电路，能够对电网内部所传递的噪声以及开关电源反馈至电网当中的高频噪声进行滤除;输入整流滤波电路也被称作工频滤波电路，其不仅能够确保整流电压更加平滑，也能够确保电压保持自身原本的功能;而输入整流滤波则是一种高频滤波电路，能够将那些高频脉冲经过滤波处理后转变为平稳直流，还能够起到维持电流连续性的基本功能。而在具体的电路设计过程中，就可以采取共模电感来对电网内部产生的共模干扰进行科学合理的抑制，在L1当中，可以将两股线圈同方向的绕相在同一个铁芯当中，这样就能够根据电磁感应原理，使得电流可以在两个线圈当中进一步产生一种相同磁场，在共模电流相互抵消过后，就会产生一种增大绕组的感抗，使得共模电流在其中得到进一步衰减，从而达到滤波的主要目的。通常情况下，共模电感的典型值大约在10mH-50mH，而电容C1与共模电感之间所产生的漏感，可以用于削弱电网当中所产生的差模信号，而共模电感可以选择UU10.5 10mH。而变换器的具体结构，决定了输入端所输入的电流为直流电，但所需要输入的则是交流电，这就可以通过二极管所具备的单向导电性，进一步实现交流与直流之间的转换，应当采用四只二极管，将其进一步构建成一种桥式电路，交流电输入到其中过后，每半个周期就会有一组二极管进行导通处理，这种结构的集成化通常也被称作为整流桥，不仅能够降低开关电源的重量以及体积，还可以解决更大的成本。在对整流桥进行选择的过程中，则要考虑到耐受电流以及耐受电压等多方面因素，以此为基础来明确具体的整流桥选用型号。

2、高频变压器的设计。在电力高频开关电源当中，高频变压器自身的性能会直接影响到开关电源自身的整体性能，这也进一步突出了高频变压器在整体开关电源设计过程当中的重要性。通过科学合理的变压器设计，能够稳步提升开关电源的各方面性能。而在单片开关电源当中，变压器的性能更是会直接影响到电源效率，甚至还会对开关电源的电磁兼容指标等方面产生影响，因此，这就需要在综合考虑各方面因素后，设计出效率更高的变压器。变压器主要就是用来交换电流、阻抗以及电压的一种工具，在原边线圈当中如果出现了交流电，变压器的磁芯就会产生对应的交流磁通，使得副边线圈能够更好的感应到相应的电流或是电压。通常情况下，变压器主要是由线圈以及磁芯这两部分所构成，线圈又可以详细划分为初级绕组与次级绕组，其中与电源进行连接的绕组就是初级绕组，而剩下的线圈则被称为次级绕组。如表1所示，在高频开关电源当中，高频变压器能够起到隔离高于输入端与低压输出端以及能量传输的重要作用，所以，这就需要在明确常用磁性材料基本性能的前提上，控制好相应的电感量，避免出现磁饱和现象，以此来计算出更加合适的气隙，这也是变压器制作过程当中的重要设计环节。

在信息化时代中，各类电子设备在运转过程中都需要采用高频开关电源。因此，为了确保开关电源能够向着高功率密度化以及高频化的方向发展，就必须要对电源开关以及变压器涉及到的各种参数进行科学合理的设计，进一步找寻出最为优质的设计方案，在根本上提升电力高频开关电源的整体质量。