时间：2023-05-30 10:36:53
小功率高压电源最常用的例子是电视机的阳极高压发生器，它将几十伏的直流电源，通过功率变换和高压变压器升压，再整流滤波，变为高压输出；另一个应用实例是负离子发生器，常采用晶闸管调压方式。以上两种调压方式都需要一台单独可调的辅助电源，即高、低压组合方式。这样便加大了电源的体积和复杂程度。加之，由于电路结构形式的不同，它们的输出电压范围的调节很有限，需要大范围调节时，只能通过改变供电电压来实现。而X射线增强器的主路电压调节范围近10kV，上述电路形式很难满足要求。本文采用的半桥谐振式开关电源，成功地解决了以上问题。
2技术指标
输入电压220（1±10％）V，（50±0.5）Hz；或宽范围输入电压180～250V。
输出电压／电流
阳极（正）电压/电流
标称值＋25kV/1mA，
电压范围＋23kV～＋32kV；
标称值＋7.35kV/200μA，
电压范围＋6.0kV～＋7.8kV；
标称值＋0.985kV/200μA；
电压范围＋0.8kV～＋1.1kV；
阴极（负）电压/电流
标称值－0.75kV/500μA；
电压范围－0.5kV～－1kV。
以上4路电压连动输出。
稳定度1％。
工作温度范围0℃～＋40℃。
存贮温度范围－40℃～＋55℃。
外形尺寸160mm×135mm×43mm。
图像增强器的电极在加工时不可避免存在有毛刺，在高电压下尖端放电击穿打火。要把毛刺烧掉，需要有较大的电流。这样，一方面要求电源输出功率设计得更要大些，另一方面应有完善的保护措施。
3系统框图及工作原理
25kV小型化高压电源的系统框图如图1所示。
输入的市电经净化滤波后整流成300V左右的直流电压加到半桥电路的MOS管上。控制电路由最常用SG3525芯片组成。控制电路通过高压部件反馈绕组检测输出电压的变化量，产生激励脉冲去驱动功率MOS场效应管，实现稳压输出。
4技术难点及解决办法
4.1体积与绝缘
这种电源是专为X射线增强器配套的，它被安装在X射线增强器底座下一个狭小的空间，因而要求体积小。体积的减小与电路形式的选择，电路的性能及绝缘，散热等问题有直接关系。本电路将功率变换、控制电路等部分和高压部分分开屏蔽放置，并选择高强度的绝缘介质填充高压部分，很好地解决了这个问题。
4.2高频高压变压器
高频高压变压器是高压电源的核心部件。在低压（功率）变压器中，可以不考虑波形的畸变和工作频带的问题，因而可以忽略分布电容的影响。在高频高压变压器中，由于匝数增多,特别是次级匝数增多,当变压器工作频率比较高和电压变化率比较大时，必须考虑分布电容和漏感问题。这时，变压器模型如图2所示。L1为漏感，Cp和Cs分别为初级和次级的分布电容。变压器漏感L1和次级分布电容构成了串联谐振电路。当变压器次级开路或负载较轻时变压器可看成电感,因而与次级分布电容Cs构成并联谐振电路，其等效电路如图3所示。发生谐振时，电容两端的电压会高出工作电压，也就是说变压器内部的电压会高于输出电压。这无形中增大了对变压器的耐压要求。因而在变压器的绕制过程中，要尽量减少分布电容和漏感。假设各层电容相等，绕组共有m层，则分布电容Cs=C（C为次级绕组固有电容，N2为次级绕组匝数）。当次级匝数一定时，次级等效到初级的分布电容与次级的层数有关，层数越多分布电容越小。每一层上的匝数越少，分布电容越小。为了减小分布电容，采取分段分组绕制方式，并增加层数，减小每层匝数。变压器采用马蹄形铁氧体磁芯，其绕制示意如图4所示。
实践证明，分段分组绕制法还较好地解决了高压变压器的绝缘问题。
4.3输入电压范围的调制
工作在高频高压条件下的小功率电源，输入电压范围的调节会出现困难。不但调整率很差，而且在输入电压超过一定值时，电源无输出，或输出电压不稳定。原因是高压小功率电源的占空比很小，工作时的导通脉宽很窄（呈窄脉冲工作状态）。当输入电压升高时，输出能量不变，脉冲宽度变窄，幅度加长。输入电压升高到一定限度，控制电路呈失控状态，无法实现有效的闭环控制，导致整个电路关闭。为解决这个问题，经过分析试验，设计了一个输入电压调节电路，如图5所示。
它实际上是一个输入电压预稳压电路，输入电压经过它，成为基本稳定的电压，再加到主电路（开关电路）上。
经过调试，试验和长期装机应用，证明了该电路的稳定与可靠。表1是设置输入电压调节电路与没有设置时的实测数据。为简化起见，这里只给出输出主电路（25kV）参数。明显看出，加了该电路后，输入电压调整率大大提高，输入电压调节范围也增至250V。
无输出
由于上电时，输入端瞬间冲击电流很大，对输入电压调节电路造成危害。为此，还专门设计了输入缓冲电路。
另外，高压电源变压器的变比n大，变压器次级反馈到初级变化率较小，带来的问题是稳压效果不理想。这样,还设计了输出电压预稳压电路。因篇幅有限，实际电路从略。
5开关电路的仿真实验
开关级电路原理图如图6所示。这里开关级的负载是高频高压变压器，它的输入特性与负载的特性有关。在高压小功率应用中，由于输出电流小，负载电阻大，次级整流二极管的导通角很小。为便于建立仿真模型。可忽略负载电阻的影响。
由于应用了仿真技术，大大简化了实验过程，降低了设计周期。用PSPICE仿真程序对图6电路分为轻载10μA和重载1mA两种情况进行仿真，结果见图7(a)和图8(a)。在以后进行的电路实验中，实测的电流波形见图7(b)和图8(b)与仿真的波形基本相符。另外，从仿真波形还可看到轻载时的浪涌电流峰值较大，与重载时几乎相等。变压器空载损耗增加，导致变压器发热，这是需要进一步解决的问题。
6结语
关键词：高压隔离变压器； 低压开关电源； 高压脉冲扼流圈； 抗干扰
中图分类号：TN710-34； TL823 文献标识码：A 文章编号：1004-373X(2011)24-0026-03
High-stability Filament Power Supply against High-voltage Pulse
CHEN Jing, LIU Wen-hong
(Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)
Abstract： The anti-impact capability of filament power supplies bearing 30 kV high voltage feedback pulse when the strong current switch turns on is discussed emphatically. By the design of high voltage and current impact, high stability power output is provided by low-voltage power supply for the filament of high current switch. The high voltage isolation transformer is taken to isolate the influence on the instruments around, which comes from high voltage trigger feedback pulse through power supply. The choking coil is adopted to retard the input of feedback high voltage peak current and reduce the damage to the filament heating power supply, which is caused by instantaneous heavy current produced after the discharge of high-power equipments. This design provided a high stability DC power supply for the heating of heavy current switch filament.
Keywords： high-voltage isolation transformer; low-voltage switch power supply; high-voltage pulse choking coil; anti-interference
0 引 言
灯丝加热电源是为某大功率装置大电流开关的灯丝提供加热的直流稳压电源。该大电流开关在触发动作时，会输出一个幅度近30 kV，脉宽约为10 μs的高压触发脉冲，这个高压触发脉冲会返回到灯丝加热电源装置。若不采取措施，不仅会导致灯丝加热电源装置的损坏，而且所形成的短路通路有可能致使大电流开关的管子受损；同时大电流开关在触发的瞬间，由于大电容对地放电，致使地电流迅速增大，地电位也随之迅速提高，这些突变，会通过220 V交流电来影响周围其他的仪器设备，导致这些设备的损坏。
为了确保灯丝加热电源能够正常的工作，灯丝加热电源本身必须具有抗高压、强电流冲击等功能。这就要求灯丝加热电源，不仅要为大功率装置大电流开关的灯丝加热提供4路高稳定度的电源输出，还必须具有抗大电流开关的反馈脉冲高压及强电流的冲击，并隔离与市电（220 V）的相互干扰等特性。
1 灯丝电源装置的设计思想
抗高压高精度灯丝电源应具有以下特点：
(1) 因为灯丝电压的高低直接影响到大电流开关的触发质量，如：灯丝电压太低，阴极发射能力不足，增益会降低；灯丝电压太高，阴极活性物过分蒸发，会导致大电流开关寿命缩短。因此要求灯丝电源必须提供高稳定度的电压输出。
(2) 大电流开关的灯丝具有冷态电阻小，热态电阻大的特点，灯丝电源在开机的瞬间易受浪涌电流（十几安培）的冲击，会影响其寿命。因此灯丝电源要具有抗大电流冲击的能力。
(3) 大电流开关触发后，会反馈回一个幅度近30 kV脉冲电压和100 kA脉冲电流的高压脉冲，会直接损坏电源本身及影响周围其他仪器。因此灯丝电源还要具有抗高压反馈脉冲冲击的能力。
为满足以上要求，抗高压高精度灯丝电源采用图1的方法加以研究。
1.1 隔离高压触发反馈脉冲干扰技术
高压隔离变压器的设计是利用高压隔离变压器初次极间的电容所形成的交流阻抗并且断开地环路来隔离高压脉冲的冲击。同时在高压隔离变压器的输入端也接入高压旁路电容，这样就可以隔离高压触发反馈脉冲通过电源对后面测试仪器的影响。
将电源和仪器之间加入高压隔离变压器，可以起到阻断耦合路径的作用。接入高压隔离变压器后可以断开地环路，如图2所示。而且这种连接对正常传输电流的阻抗是很低的，但对纵向的噪声电流来说，它却有着很高的阻抗［1］，即50 Hz的基波成分几乎可以畅通无阻地通过，而高频成分却被削弱，所以在灯丝电源装置中，高压隔离变压器是必不可少的。
图2 高压隔离变压器接入高压隔离变压器把设备电源与进线电源隔离开来，把噪声干扰的路径切断，从而达到抑制噪声干扰的效果。可以有效地抑制窜入交流电源中的噪声干扰。隔离变压器属于感性负载，能抑制电流的突变，能有效地减少浪涌电流，减小电压高低的突变性及电源波动等，抑制从电源线引人的高压脉冲对电源产生干扰;能从根本上防止由于地电位扰动所引起的电源工作失常。
1.2 抗大电流冲击、高稳定度电源的技术
大电流开关的灯丝具有冷态电阻小，热态电阻通电后逐渐增大的特点，因此在开机时直流电源易受浪涌电流(十几安培)的冲击，会影响到灯丝加热电源的寿命和可靠性。同时为保证大电流开关的可靠性，稳定触发及其寿命，要求灯丝加热电源提供高稳定度的电压输出。
为此，低压电源部分采用缓起动和集成稳压技术来实现。以集成稳压技术实现为大电流开关的灯丝提供高稳定度的电源输出；以缓启动技术实现阻遏开机瞬间浪涌电流（大于10 A）对低压电源的冲击。
为了减小浪涌电流的冲击，避免低压开关电源提前损坏，在低压开关电源电路的设计上采取措施，即将低压开关电源电路与缓起动电路设计相接合。使灯丝电压缓慢增加至额定值，使电流亦缓慢增加，从而避免了浪涌电流的冲击。缓起动电路采取从零开始平滑提升的办法，利用其输出电压相应改变的原理，达到了输出电压从零平滑升高的目的（见图3）。
图3 改进前后电流曲线它的基本电路结构框图如图4所示。缓起动电路的作用是对VAdj进行控制，使输出电压逐步形成一个上升的曲线，上升时间的长短可以借助R3C3参数的调整，在较大的范围内改变，刚开机时PNP晶体管导通，Adj的电位被Vces箝位得很低，使输出电压不能瞬间建立，随着电容C3的充电，PNP晶体管最终达到截止，这时输出电压Vo＝VAdj＋Vces。达到了缓起动的目的，起到了对灯丝电源的稳流控制。
1.3 大功率扼流圈
由于低压开关电源的输出工作电流达到了1.6 A，因此要求扼流圈自身的直流阻抗很小，使其自身的直流压降很小；同时为了增加脉冲高压在它上面的压降，又要求它的交流阻抗要很大。为了得到较高的交流阻抗，在选择扼流圈磁芯时，要优选导磁率高的磁芯。
工作频率远高于截止频率时，电阻增量远大于电抗增量，阻抗增量接近电阻增量，此时扼流圈接近于一个电阻器，它不仅能抑制而且能吸收反馈脉冲的能量。
按图5所示电路连接，L为用2 m长的Φ1 mm的高强度漆包线,分别在μ0=2 kH/m和μ0=7 kH/m的磁芯（Ф50 mm×30 mm×20 mm）上绕制的扼流圈（自制）。当输入电压为5 V的正弦波信号时，通过测量输出的电压值，就可以得到L上交流阻抗的压降大小。因为主脉冲的脉宽为10 μs，频率应选用100 kHz，但仅有的SG503信号源没有100 kHz档，所以只能利用信号源现有的50 kHz和220 kHz档来做实验。实验数据见表1。
图5 感抗测量实验电路若交流阻抗高，L上的压降就大，输出的电压值Vo就低。通过实验数据比较可以看出，在试验的频段内μ0=7 kH/m的磁芯的交流阻抗，优于μ0=2 kH/m的磁芯的交流阻抗。
1.4 抗干扰技术
（1） 低压开关电路的输出直流电流达1.6 A，因此要求高压脉冲扼流圈的直流电阻要很小，以使其直流压降很小；为了增加反馈高压脉冲在它上面的压降，又要求它的交流阻抗很大。为了得到较高的交流阻抗，在扼流圈磁芯的选材上，要选磁导率高的磁芯。
（2） 在低压开关电路与氢闸管灯丝之间串入电感量为10 mH的并行双扼流圈，使100 kHz的频率信号能形成约6.3 kΩ的阻抗。因而高压触发反馈脉冲就有约3/4的峰值压降在了高压脉冲扼流圈上。
（3） 在低压开关电路的输入/输出线间，以及输入/输出与地之间，大量使用了高压旁路电容，组成了抗高压组件，遏制和泄放高压反馈脉冲的冲击，以防止在低压开关电路上形成过高的峰值电压，损坏低压开关电源的器件。同时接地也采用 “浮地”的方法来抑制环境的干扰。
（4） 高压隔离变压器在绕制时将初级和次级分开绕制，并加屏蔽来减少其分布电容，以提高抗干扰能力。在220 V交流电源通过隔离变压器后又加装了滤波电路。这种滤波器对滤掉干扰频率有一定效果。因为L对较高频率有一定的阻抗，从电容C来说，对高频阻抗小，因此可以为干扰频率提供回路，这对滤除干扰有效。
大电流开关在动作时，高压隔离变压器等效为大电容C；由于高压电容的旁路作用，此时的低压开关电源模块交流阻抗趋于零；高压脉冲扼流圈等效为电感L。总之，要使整个回路的交流阻抗尽可能大，使流入的高压峰值电流趋于零。整个回路可以等效为Γ型滤波电路，见图6。
2 实验验证
采用本文的抗干扰技术进行了实验。其结果：
（1） 并行双扼流圈：测量得到扼流圈两端的高压分别是16 kV和6 kV，因而高压触发反馈脉冲就有约10 kV的峰值电压降在了高压脉冲扼流圈上。
（2） 旁路电路：测量得到低压电源上的高压已经泄放到几百伏，通过对低压电源器件耐压参数的冗余设计，保证了灯丝电压在高压强流特殊的应用环境下正常工作，满足了可靠性设计和使用要求。
为了提高电源的可靠性，还采取了关键器件筛选老化、防高压打火、电磁屏蔽、高频高压隔离和系统稳定性设计等技术，以保证该电源的稳定性和可靠性。同时在整机设计上，采用合理的电路及工艺，特别是接地、电磁屏蔽等，以隔离后级产生的高压脉冲对前级仪器的干扰影响。
3 结 语
由于使用环境的特殊性，因此要求灯丝电源装置，不光要提供4路独立可调、高稳定度的直流输出；还要让其本身能抗住和隔离30 kV峰值电压的冲击。经实际应用证明，在高压强流特殊的应用环境下，灯丝电源具有稳定性好，抗高压反馈干扰，强电流冲击能力强等特性，为处在高压强流环境(尤其是单次高压强流环境)中的仪器设备提供了一种可靠的抗高压强流冲击直流电源。
参 考 文 献
［1］ [美 ]W O 亨利.电子系统噪声抑制技术 [M ].北京:人民铁道出版社,1978.
［2］ 王莹.高功率脉冲电源 [M ].上海:原子能出版社,1991.
［3］ [苏 ]A M 扎列茨基.高压电器的绝缘 [M ].北京:机械工业出版社,1965.
［4］ 复旦大学物理系.半导体线路 [M ].上海:上海人民出版社,1972.
［5］ 谭锐.电磁干扰(EMI)抑制技术［J］.磁性材料及器件，2000,31(1):28-30.
［6］ 马昌贵.抗EMI磁性元件的发展动向［J］.磁性材料及器件，2000,31(3):32-35.
［7］ [日 ]山崎弘郎.电子电路的抗干扰技术［M］.北京:科学出版社，1989.
［8］ 张瑛,李向群,许晓林.电子设备的电磁兼容［J］.电子器件,2003,26(2):199-200.
［9］ 欧健昌.电子设备的电磁兼容性设计［M］.北京:电子工业出版社,2003.
［10］ 过璧君.磁芯设计及应用［M］.成都:电子科技大学出版社,2001.
关键词：高压电源 反激DC-DC转换器 电池供电 PIC12F1822
中图分类号：TN86 文献标识码：A 文章编号：1674-098X（2016）12（c）-0061-02
小体积高压电源在工业领域有着重要的应用，例如：静电植绒和静电喷涂工艺中就普遍使用到高压电源。植绒是绒毛在高压电场作用下垂直植入布料的过程，高压电源是整个静电植绒过程的核心组成部分[1]。在一些特殊情况下，需要采用便携式的植绒设备。该文介绍了一种由PIC12F1822控制的小功率高压电源，可以克服这些问题。
1 高压电源的整体设计
电源主要由反激变换电路、控制电路、谐振电路、输出整流4个部分组成[2]。高压输出端的电阻R1是放电电阻，可防止C2的残留高电压对使用者产生电击伤害。输入电压由电池VBAT提供，反激电路由开关管NMOS、高频变压器T1、二极管D1、电容C1及谐振变压器T2的初级构成。通过反激电路将电池电压VBAT升高到约400 V。控制电路采集反激输出电压V1，当检测到V1的电压达到400 V时，控制电路停止产生PWM信号，同时输出高电平触发可控硅SCR，使得可控硅SCR导通，此时电容C1两端的电压为400 V。
SCR导通后，C1通过SCR向T2放电，C1、SCR、D2、T2初级形成LC谐振电路，将电容C1中存储的能量传输到输出电容C2。谐振电路电流仿真结果如图1所示[3]。图1中Is是流经可控硅SCR的电流，Id是流过二极管D2的电流，变压器T2的初级电流为Ip。
图中Ip是谐振电流，其谐振频率如公式1所示。
（1）
其中，L槭涑霰溲蛊T2的初级电感；C为电容C1的电容量。
2 高压电源控制电路
2.1 主控芯片
高压电源采用两节电池供电，输出电压可达10 kV。为满足重量轻、体积小、稳压性较好等特点，文中采用PIC12F1822作为核心控制器件。PIC12F1822是一款高性能RISC单片机，图2是PIC12F1822电路图。电路中由单片机内部的PWM模块产生PWM信号控制反激电路，将电池电压转换成约400 V左右的直流电压。由内部10 bit ADC采样V1电压，当V1达到设定电压值时，关闭PWM信号，同时产生SCR信号触发输出谐振电路。开关SW用来控制高压转换的启停，开关按下单片机才输出控制信号进行升压。
2.2 电池欠压指示
通过电阻分压检测电池电压，通过内部ADC模块读取当前电池电压值。当采样电压低于设定值，软件控制LED开始闪烁，电压越低，闪烁的频率加快直至常亮。
3 组装测试
变压器采用透明环氧树脂罐封，电路板的高压部分采用浸蜡处理。在结构组装上，对高压部分做好屏蔽、绝缘等措施，防止高压打火放电现象。测试采用Zentech 900B-HV高压表，该高压表输入阻抗为30 GΩ，对电源的负载影响小。实测结果表明电源可正常输出10 kV直流电压，通过对长度3 mm的尼龙绒毛进行验证，该电源植绒效果良好。
4 结语
设计的电池供电10 kV高压电源经过实际测试，能满足小规模的植绒要求。具备体积小重量轻、使用方便、电池低压检测等特点。经过实际使用，电源运行可靠，可作为便携植绒电源使用，功能实用，具备一定的应用推广价值。
参考文献
[1] 季涛，王汉成，高强.静电技术在纺织生产中的应用[J].纺织科学研究，2002（4）：38-42.
关键词：高频；开关电源；变压器；优化设计；
电源变压器间接起着使电子设备正常工作的作用，如何对电源变压器进行优化，使开关电源的高频化与高功率密度化得到有效体现，这是相关人员应该研究的。本文主要针对高频开关电源变压器的优化设计进行分析。
一.高频开关电源变压器的主要概况
1、高频开关电源的形成
开关转换器就是借助于开关管，对其的开合状态进行高频控制，主要目的是使电能的形态适用于开关，开关管一般来说具备的是半导体功率。开关电源是将电源转换器作为关键构件，将其输出电压控制在一定范围内，并对电路起到一定的保护作用。在开关电源进行工作时，可以借助于高频DC/DC转换器，使开关电源转换器具备高频化，这就形成了高频开关电源。
2、高频开关电源的主要构成
有四部分，分别是开关型功率变换器，整流滤波电路，交流直线转换电路以及控制电路[1]。
3、变换器的分类方式
分类方式有五种，其一是按驱动方式进行分类，主要是自激式和他激式。其二是依据拓扑结构进行分类，主要是隔离式和非隔离式。而隔离式又分为正、反激式，全、半桥式，推免式，非隔离式又分为升、降压型。其三是根据输入输出间的电器隔离有无情况，分为隔离式和非隔离式。其四是按照DC转换器和开关条件分为软、硬开关两种。其五根据电路组成可以分为谐振型和非谐振型。
4、变压器的主要构成
变压器的主要结构就是磁芯和绕组。磁芯的工作状态有两种，一种是双极性，一种是单极性，这两种工作状态的出现和输入高频开关电源变压器的波形有关[2]。磁芯在变压器中发挥作用时，会产生损耗，经研究，这些损耗分别是磁滞损耗，涡流损耗以及剩余损耗。绕组的损耗则主要是直流和交流状态下的损耗。为了减小绕组的损耗，就要对组成绕组的绕线材料进行选择，避免选择细导线，将电流密度控制在满足要求的范围内，对导线直径也应严格要求，使其大小适中。
二.高l开关电源变压器优化设计
1、设计参数选取
在变压器发挥作用前，要对其的相关参数进行设计，这些参数之间存在制约，并不能同时对这些参数进行标准设置，比如变压器的规模大小和功率、漏感和分布电容等，所以在不同的应用场合，先要考虑适合此种场合的相关参数，对于其他相互依存的参数稍后考虑。高频变压器需要设计的参数有很多，文章主要选取影响力比较大的参数进行分析，主要有三方面。
其一温升。变压器长时间处于工作状态，会使得内部的铁芯不能保持原有的性能，使绕组有烧焦的味道，这是因为这些部件在运行时会摩擦生热，传递给变压器，使其本身成为热源，还会通过辐射和对流，使周围的环境受到温升的影响，严重时，会使变压器产生热击穿问题，对变压器的使用周期造成威胁[3]。相关人员在意识到温升的后果，就要对其进行优化控制，将相关部件产生的热量集中到一起，对其进行集中处理，使优化处理后的热量得到有效分散，不会对变压器本身以及周围的环境产生热影响。
其二是分布参数。分布参数主要包括漏感和分布电容，这两者对于高频开关电源变压器产生不同程度的损坏。不同种类的变换器，对于分布参数的处理方式不同，可以将开关式的变换器作为研究对象，经研究发现，漏感能使电路中的电压在短时间内急剧增大，一直到峰值，作用于电路中的相关器件，这些器件没有充足的反应时间，从而导致其不能维持原有的功能；分布电容会在短时间内，促使电流急剧增大到峰值，在降低充电效率的同时，使开关和二极管的使用寿命遭到威胁，并不能完全发挥原有的功能[4]。所以为了使变压器的质量受到的影响小一些，要对分布参数进行优化设置，可以使其尽可能地减小，两者在实际的变压器运行中，属于相互作用和相互制约的，不能同时减小，对其进行优化时，要慎重选择要减小的参数值。对于谐振式变换器，就可以直接对分布参数值进行准确设计，因为这种变换器可以将分布参数吸收为谐振参数的一部分，会对其进行利用。
其三是损耗与效率。变压器在正常工作时，会消耗部分功率，这就是输入功率和输出功率不对等的原因，损耗的功率主要作用于磁芯和绕组，组成变压器的金属有铁和铜，在不同的条件下，产生的损耗变化也有所差异。通过变压器的短路试验和空载试验就可证明这一结论，为铁损提供额定电压，测量这个条件下，铁损的变化，发现其和负载电流无关，不会发生损耗程度的变化，相反，铜在额定负载条件下，其损耗会因负载不同，产生不同程度的损耗，一般和电流的平方呈正相关。
2、优化目标
对高频开关电源变压器进行优化，主要目的就是使其原有的性能得到完善，使其整体规模变小，重量减轻，高频化和高功率密度化性能更显著，还要使变压器的各种相关参数得到合理的设置，总之就是使变压器在开关电源中的核心地位得到体现，使其对开关电源的作用力更大。确立了具体的优化目标，就要充分考虑影响目标实现的因素，分别进行优化设计。比如为了使其效率达到最大，就要使变压器的绕组初次发挥作用时的损耗程度得到控制，铜损和铁损是等同的。为了使变压器的体积和重量便于携带，对组成变压器的结构磁芯与绕组要慎重合理选择。
3、优化设计方法
磁芯和绕组作为变压器的主要构件，不同的表现形态对于变压器的性能影响不同，为了使变压器得到有效优化，就要对不同状态下的构件进行比较选择。首先是磁芯结构，磁芯结构主要有矩形和环形两种，在这两种形态的基础上，结合变压器作用的电子设备种类，对初级绕组匝数和绕组结构进行合理的设置选择，因为它们直接影响着磁芯截面积的大小，绕组尺寸以及磁芯窗口面积的控制情况[5]。所以在进行变压器的优化设计时，在保证进行绕组的匝数和层数不同的前提条件下，比较变压器的体积、重量和损耗程度，选出最优方案。
三.高频开关电源变压器的应用
经过比较，发现矩形磁芯相比环形磁芯在等同的条件下，会有不同的表现，前者表现更为紧凑，原因有两方面。其一是变压器在作用时，需要对其进行固定，环形磁芯组成的变压器会占用部分磁芯，而矩形变压器则是借助于下侧磁芯。其二两种形态的变压器的绕组内侧长度对于磁芯窗口的影响不同，环形变压器因为有较大的冗余空间，使得磁芯窗口不能完全发挥它的功能，而矩形变压器的磁芯窗口则不受影响，还是会得到有效利用。
结语
信息化时代，各种功能的电子设备层出不穷，而这些电子设备的正常运行，需要借助高频开关电源，如何使开关电源更加高频化和高功率密度化，如何使其更加便于携带，就要对电源开关的变压器的各种参数进行合理设计，对组成变压器的磁芯与绕组进行材料和形态的选择，以使变压器得到最优的设计方案，为开关电源的质量提供保障。
参考文献：
[1]常乐.高频开关电源变压器的优化设计及其应用[J].电子技术与软件工程，2017，（01）：235.
[2]甘焯欣.高频开关电源变压器优化设计分析[J].电子制作，2016，（02）：28.
[3]孙筱琳，李国勇，王志海.高频开关电源变压器的设计分析[J].自动化技术与应用，2008，（06）：53-56.
摘 要：功率变压器始终是开关电源设计的重点内容，也是最关键的技术点，尤其是在提升工作频率的条件下，若是变压器设计没有得到优化，电源功率密度便无法得到有效提高。文章主要针对高频变压器设计进行了分析，并提出了针对高频开关变压器的优化方案，从而有效降低功率损耗，提高电源效率。
关键词：高频；开关电源；优化；变压器
SMPS即开关电源，由于其体积小、效率高，因而在电子领域应用十分广泛。并且科研人员也不断的对其功率密度进行深度研究，通过不断提升变化频率提升其工作效率。而变压器在高频状态下，理论上其体积应当小于20kHz至150kHz这一范围，但是这需要以同等工作磁通密度以及高频状态下磁性材料磁芯损耗才可以同低频相比，但是一旦频率超过200kHz，目前的材料条件下，工作磁通密度便会降低，即若保证磁芯损耗在可承受范围内就需要频率在千分之几特或者百分之几特。所以，功率损耗是限制高频变压器优化方案效果的主要因素。换言之，传输功率特定的条件下，应当尽可能的降低绕组参数以及磁芯参数，从而保证变压器在运行过程中其温升范围符合设计标准要求。文章便针对开关电源变压器的结构以及设计方案进行了分析，并提出了一种有效的优化设计方案。
通过上述两个公式针对铜线绕组阻抗进行计算，从而确定实际工作频率中准确的阻抗数值，但是该种计算方式只能由计算机完成，因为其计算过程十分复杂。
2 SMPS变压器的优化设计
通过上述分析，针对高频变压器的优化设计，并非是一蹴而就的工作，在实际的操作中不可能一次完成，这是由于变压器运行以及结构中各类参数之间具有相互制约的作用，所以，必须将工作磁通密度以及绕组线径、绕组匝数以及并绕数目等在计算机软件中进行多次的尝试，从而求得可以满足设计最佳状态的数值，完成设计优化。在所有的条件中，最为有利的便是磁芯种类以及参数都是特定的，例如磁芯物理尺寸大多都是特定的，磁芯材料特性也是有限的。但是从另一个角度进行分析，这些条件也会限制对变压器的优化，降低了优化的设计空间。
3 结束语
文章通过对变压器优化方案的分析，证实该种方案在目前的高频变压器的优化设计中具有较为明显的效果。并且，通过绕组形式的选择，不但可以满足磁芯窗口利用率，还可以将变压器铜损予以降低。通过这一流程，大部分变压器的设计都可以得到优化，但是为了进一步完善该设计，还应当重视以下三方面问题。首先，变压器在运行过程中，由于磁芯的结构致使其热分布并非是完全均匀的，中央芯柱温度为磁芯温度的最高点，所以想要提高变压器热模型的准确性，就需要防止该问题对变压器工作性能的影响。其次，针对绕组层间电容以及漏感等参数，由于其为寄生参数，因而必须进行深入研究。另外由于运行环境为高频环境，如果仍旧使用PWM这种传统的方式，那么极易造成电路工作状态不稳。但是如果通过谐振的方式，那么还需要考虑谐振回路参数设计问题。最后，由于电路的拓扑结构并非平衡结构，因此必须防止磁芯饱和，因而必须采用加气隙的方式，在设计中目前所能够采用的技术手段便是这种方式。虽然一定程度上可以解决该类问题，但是从设计完善的角度分析，仍旧属于缺陷设计。
参考文献
[1]兰中文，王京梅，余忠，等.高频开关电源变压器的优化设计[J].电子科技大学学报，2002（8）.
[2]张钊，谈效华.高功率脉冲变压器设计[J].信息与电子工程，2011（10）.
作者：蒋立昕 单位：中国航空工业洛阳电光设备研究所
绕组计算对于进行方波转换的高频变压器，其基本设计公式为［4］（式略）式中:N1为变压器原边绕组匝数(T);V1为施加在该绕组上的电压幅值，这里指输入电压，V1=27V;B为工作磁通密度，B=3400GS;SC为磁心有效截面积，SC取0．42cm2;f为高频变压器工作频率，f=80×103Hz。由式(1)得N1≈5．9T，取N1为6匝（式略）式中:N2为变压器副边绕组匝数(T);V2为变压器副边绕组输出电压，V2=1250V。由式(2)得N2=277．8T，取N2为278匝。导线线径计算集肤效应的考虑导线中通过交变电流时会产生集肤效应。由于电流的集肤效应，使导线有效截面积减少，因而导线在交流电作用时的实际电阻将比它在直流电作用时要大［5］。显然，交变的频率越高，电阻增大也越多。本电路工作频率是80kHz，在选择电流密度和导线线径时必须考虑集肤效应引起的有效截面积的减少。导线通有高频交变电流时有效截面积的减少可以用穿透深度Δ来表示。Δ是交变电流沿导线表面开始能达到的径向深度，它所具有的横断面积即为导线的有效截面［6］。Δ随电流的交变频率f、导线的导磁率μ以及电导率γ的不同而异，有下述关系（式略）显然，在选用高频变压器原副边绕组导线线径时应遵循小于两倍穿透深度。当使用的导线线径大于由穿透深度决定的数值时，应知由于集肤效应引起的电阻的增加，以便计算线路压降和温升。导线在交变电流下的电阻RAC和直流电阻RDC的比值用Kr来记，有（式略）式中:Kr称为趋表系数［8］。Kr值的大小不仅与交变电流的频率有关，而且还与材料的性质、导线的形状等有关，要精确地计算颇难，在实际应用时通常利用现成的曲线图表查得。初级线圈线径计算变压器最大输出功率P0=4W，η=85%，则流过（式略）
绕组的绕制要求
高频变压器绕制时需要特别注意漏感带来的影响。漏感将会引起关断电压尖峰，虽然可以用RC吸收网络加以抑制，但最根本的办法还是在选择磁芯和绕组绕制时尽可能地减小漏感。无论何种磁芯形状都应使原副绕组尽可能紧密耦合。对于环形磁芯结构，不管原副边绕组匝数多少均应沿磁环圆周均匀地分布。
变压器的屏蔽
处理屏蔽有3类，即电磁屏蔽、静电屏蔽和磁屏蔽。电磁屏蔽主要是防止高频电场的影响，利用电磁场在金属导体内部产生涡流从而起屏蔽作用，因此来自空间的辐射干扰将受到电磁屏蔽的保护。如果将电磁屏蔽接地，则兼有静电屏蔽的功能。静电屏蔽是切断相邻导体之间的静电耦合，并且通过分布电容和适当的接地点(或某个对地有固定电位差的授位点)，为干扰提供一个旁路通道。磁屏蔽防止磁耦合，用高导磁率材料将需要屏蔽的地方包起来，以便将磁力线限定在磁阻小的磁屏蔽导体内部，防止扩散到外部去，或者避免外部漏磁闯进来。变压器的安装位置及屏蔽方法，对电路的设计至关重要。一个变压器如不设磁屏蔽，则漏磁不可避免地要和周围电磁元件发生交连。漏磁在X方向上最显著，Y方向上最少，。又因漏磁影响与距离平方成反比，所以仔细选择变压器的安装位置对改善漏磁干扰有一定效果。磁屏蔽材料必须具有一定的厚度，否则磁屏蔽不可能彻底［10］。在多种变压器的安装方式中选择两种典型的方式进行测试对比(两种电源的原理及所用器件一致)。Ⅰ型高压电源的输入插座置于变压器的X方向上，且距离较近，变压器未加屏蔽。Ⅱ型高压电源的输入插座距离变压器较远，不在变压器X方向上，且变压器加屏蔽板，屏蔽板厚度为0．5mm，材料为铜。输入插座为高压电源提供两路输入电压:一路为控制芯片的工作电压;另一路为变压器的供电电源，都为+27V。Ⅰ型高压电源测试结果芯片工作电源纹波Vp-p=3．6V，工作电源已受到变压器的干扰，频率与变压器工作频率相同。在芯片工作电源处增加滤波电容，纹波仍然，且未减小。输出电压纹波杂乱且不稳定，长时间通电，纹波还会增大。为减小纹波在控制电路及反馈电路中增加滤波电容，但效果不明显，没有改观。Ⅱ型高压电源测试结果芯片工作电源纹波Vp-p=560mV，波形如图7所示。纹波只是电源自身及测试线造成的纹波，变压器对电源测试结果分析从测试结果可看出:Ⅰ型高压电源+27V工作电源受到一个固定的尖脉冲干扰，这个固定尖脉冲的周期与变压器的工作周期相同，即便增加滤波电容也无明显改善，并由此导致板极电压的纹波大。由此可见输入电压插座在变压器X方向，且变压器未加屏蔽时对输入电压的干扰严重，这种干扰很难减弱，并会影响整个电路的正常工作。而Ⅱ型高压电源+27V工作电源的纹波是由电源自身及测试线引起，幅值很低，对输出没有造成影响。改变输入插座的安装位置，使其远离变压器，并对变压器进行很好的屏蔽处理，可将变压器的干扰减少到最小。
产品测试结果与结论
对上述两种变压器典型安装方式的高压电源，除了进行上述项目的测试外，还对其输出电压、稳定度、纹波等进行了综合测试，结果如表1所示。从表1的数据可看出，Ⅰ型高压输出电压的长期稳定度及纹波电压都较Ⅱ型高压的高;而Ⅱ型高压输出的各项指标都优于Ⅰ型高压。结果证明，输入电源插座位置及变压器屏蔽方式不但影响本部分的工作，还直接影响到整机的性能，因此屏蔽等工艺处理方法非常重要。5结束语变压器的设计与屏蔽处理是一项理论与实践结合很紧密的技术。相对于开关电源的其他部分，变压器对工程经验和制造工艺的要求更高，只有事先充分认识到其重要性，并在设计过程中不断优化，才能提高电源的设计水平。
【关键词】变频交流；高压直流；供电体制
1 航空电源系统供电体制发展历史概要
航空电源系统由供电系统和配电系统组成。供电系统分为主电源、二次电源、应急电源、辅助电源、备份电源。配电系统有常规配电系统、遥控配电系统、自动配电系统。
从电源系统供电体制来看，经历了从28V低压直流电源系统、115/200V变频交流电源系统、400Hz恒频交流电源系统，到270V高压直流电源系统，以及混合电源系统的发展过程。[1]
2 变频交流与高压直流两种体制电源系统的技术特点
2.1 变频交流电源系统的技术特点
变频交流供电系统主要技术特点如下：
1）变频交流电源系统具有结构简单、能量转换效率高、功率密度高等优点
变频交流电源系统由交流发电机和控制器构成，系统只有一次变换过程，交流发电机直接由发动机附件传动机匣驱动，没有恒速传动装置和二次变换装置，结构简单，重量轻、体积小、功率密度高，可靠性高、费用低，能量转换效率高，易于构成起动发电系统。因此单从电源系统本身来讲而不考虑配电系统、用电设备和发动机起动等因素，在各种电源系统方案中，变频交流发电系统具有结构最简单、可靠性最高、效率最高、费用最低等优点，而且具有较小的重量和体积。
2）变频交流供电系统的配电系统复杂，不利于系统的综合设计
由于交流发电机直接由发动机附件传动机匣驱动，其转速随着发动机的转速而变化，频率变化范围较大，一般约为2：1左右。为满足飞机各种不同用电负载的需要，二次电源变换形式较多，造成飞机配电系统十分复杂。例如Boeing787飞机配电系统就采用了230VAC、115VAC、28VDC和±270VDC四种供电体制向机上电用负载供电，除230VAC变频交流电外，其它三种体制的电源均需二次电源变换装置得到。为此，机上装了两台自耦变压器（ATU），用于将230VAC交流电变换为115VAC交流电，每台额定功率为90kVA；四台变压整流器（TRU），用于将230VAC交流电变换为28VDC直流电，每台额定电流为240A；四台自耦变压整流器（ATRU），用于将230VAC交流电变换为270VDC直流电，每台额定功率为150kW。飞机配电系统十分复杂，各类大功率的二次电源变换装置具有独立的结构、独立的散热系统，这对于系统的综合设计（包括结构设计、热设计和能量综合设计等）及飞机的综合控制与管理是不利的。
3）变频交流供电系统因频率变化大给用电负载带来不利影响
变频交流虽然提高了发电系统的可靠性和能量转换效率，但对飞机用电设备带来了不利影响。对机上大多数航空电子设备和系统控制组件，一般都使用低压直流电源，利用变压整流器将变频交流电变换成28V直流电。由于变压整流器中唯一对频率敏感的元件是变压器，所以在设计变压整流器时必须避免变压器在最低工作频率出现饱和。一般地，最低频率为328Hz的100A变压整流器要比一个400Hz频率的同类变压整流器重10%。
对于交流用电设备，分为对频率敏感的用电设备和对频率不敏感的用电设备。对频率不敏感的用电设备，如设备加热负载，可直接由变频交流直接供电；对频率敏感的用电设备，又分为不能直接使用变频电源的用电设备和可以使用变频交流的用电设备。对于不能直接使用变频电源的航空电子设备和系统控制组件等交流用电设备，可由静止变流器提供400Hz恒频电源；而对于交流电动机负载，目前飞机上使用的主要是感应电动机，虽然可以采用变频交流电，但必须通过改进设计，以适应频率变化范围大的特点，为此将使交流电动机的重量和体积比恒频交流时有所增加。在328Hz的最小频率上，电动机的重量体积将大约比使用400Hz恒频电源的大15%左右。
2.2 高压直流供电系统主要技术特点
270V高压直流电源系统具有以下特点：
1）270V高压直流电源系统具有结构简单、能量转换效率高、功率密度高等优点
270V直流电源系统由发电机和控制器构成，没有恒速传动装置，结构简单，能量转换效率高。30/40kVA恒速恒频交流电源效率在68%左右，喷油冷却变速恒频电源效率为77%，循油冷却变速恒频电源效率为79%，高压直流电源的效率在85%以上。按输出40kW计算，恒速恒频电源的损耗为18.5kW，变速恒频电源的损耗为12kW，高压直流电源的损耗为7kW。可见，在与40kVA恒速恒频电源损耗相同的情况下，高压直流电源功率可达100kW。高压直流电源为飞机电源容量的进一步增大创造了条件。
270V直流电源中的变换器有两种，直流变换器和直交变换器。直流变换器将270V直流电转变为28V直流电，与恒频交流电源中的变压整流器（将115V、400Hz三相交流电转变为28V直流电）的作用相当，但前者效率在90%以上，后者效率约为80%[2]，且后者在功率密度和电能质量方面均较差。直交变换器将270V直流电转变为115V、400Hz三相交流电，类似于28V直流电源中的静止变流器，但前者效率更高。
无刷直流发电机具有优良的可逆性，易于构成起动发电系统，可取消专用的航空发动机起动机，进一步减轻了系统的重量。
高压直流电气系统中的电动机和发电机不受工作频率的制约，不仅可在任意转速或变速情况下工作，而且可实现结构优化，进一步减小体积重量。
另一方面，高压直流电气系统中的发电机不一定必须用电磁式同步发电机，它的电动机也不一定必须用异步机，可以选用结构简单的（特别是转子结构简单），性能优良的电机，为航空电机的进一步发展创造了条件，而航空电机的发展反过来又促进了高压直流电气系统的发展。
2）270V高压直流电源系统具有冗余和容错能力，可靠性高
270V高压直流电源系统是一个分布式电源系统，分布式电源系统的基本特点是冗余配置和容错能力，有高的工作可靠性。分布式电源系统根据飞机的不同要求，可以实现多次电源故障后仍能可靠供电的能力。比如在经受一次故障时仍能向全部飞机用电设备供电；在发生两次故障后仍能向所有关键负载和任务负载供电，在发生三次故障后仍能向所有关键飞行负载供电。这些故障可以发生在同一供电通道的不同部件上，也可发生在不同通道的同一部件上，或以上两种方式的组合形式。
3）270V高压直流供电系统具有不中断供电的特性
低压直流和交流供电系统的配电器件为自动保护开关或称断路器，它和熔断器一样是一种热保护器，当它所保护的部分网络发生短路故障时，大的短路电流使其发热，当温度达到一定值后自动保护开关或称断路器动作，切除短路部分。其动作时间取决于短路情况，短路电流越大，动作越快。短路故障不仅伴随着电流的加大，还有可能使电网电压急剧下降，导致供电中断。固态功率控制器（SSPC）是固态器件，它的响应速度为微秒级，在其保护范围内发生短路故障时，可迅速切除短路部分，防止整个电网电压的下降。直流电源都通过反流保护二极管接到汇流条，电源和它的馈电线故障被反流保护二极管隔离，不会导致汇流条电压的变化。由此可见，SSPC和反流保护二极管的应用是直流电源实现不中断供电的基础。同时，蓄电池可方便地和直流汇流条连接，提高不中断供电能力。
4）270V高压直流供电系统电网重量轻、用电设备端电能质量高
270V高压直流电源是分布式电源系统，也是分布式布局的结构，二次电源在配电中心附近，甚至和配电中心组合在一个结构内，因此馈电线都是270V线路，仅从配电中心到用电设备的配电线才有270VDC，115VAC和27VDC三种，但它们的长度都较短。在传输相同功率时，270V直流馈电线要比115V交流轻得多。又因多路传输的应用，大量信号线和控制线由总线替代，故270V直流电网重量显著减轻。又因配电线短，用电设备端电能质量提高，可有效减轻设备内部电源的重量。
5）270V高压直流供电系统对非线性负载适应能力强
在早期的28V直流供电系统中，用电负载多数为线性负载，如旋转变流机，直流电动机，电气照明（白炽灯）、加温和防冰设备等，其运行特性都相当于电阻负载，即负载端输入电压高则负载电流大，负载的变化不会反过来影响供电系统的运行。
航空电子设备和电力电子装置是非线性负载。无刷直流电动机、二次电源、大功率电子设备是恒功率负载，对270V直流发电系统来讲，发电机输出电压的升高不是使负载电流增加，而是减小，即输入功率是不随供电电压的变化而变化的。
无刷直流电动机不仅具有恒功率的特性，而且具有双向能量传递特性。机电作动机构使舵面正向偏转时，空气动力阻力使电机电动工作运行。舵面反向转动时则为制动工作运行，再生制动时能量从电机返回电源。
三相直交型二次电源在不对称负载下工作，或者对于单相直交型二次电源，一方面具有能量回馈特性，另一方面又是一个时变负载，400Hz逆变电源，时变负载的变化周期为800Hz，50Hz逆变电源功率变化周期为100Hz。
某些航空电子设备对电源来说具有脉冲特性，是脉冲负载。
以上几种非线性负载对电源特性的影响是不可忽视的，据国外统计，在未来飞机上，这类负载消耗功率约占电源输出功率的80%左右。非线性用电设备的增加，使电力系统的稳定性问题更加突出，用电设备对电源的影响非常明显，交流电力系统适应性较差，而直流电力系统有较强的适应能力。
6）270V高压直流更加适应机机电综合设计的发展要求
高压直流机电作动机构或电液作动机构的发展，为取代目前飞机广泛使用的液压作动系统创造了条件，从而为飞机机电系统的综合及二次能源的统一奠定了基础，为构建多电飞机甚至全电飞机提供了必要的条件。
3 两种体制电源系统的分析比较
下面就高压直流供电系统与变频交流供电系统的优、缺点做一简要的比较。
3.1 飞机电气系统采用直流供电体制，在以下几个方面优于变频交流供电体制
1）电力线不存在电抗压降；
2）直流配电也不存在趋肤效应；
3）直流配电系统时功率因数为1；
4）飞机机身可以作为全部电缆的回线；
5）直流电的电晕起始电压比交流的高；
6）在同样电压值时，从人身安全来讲直流电比交流电更安全；
7）直流发电机并联容易；
8）直流电源系统易实现不中断供电。
3.2 高压直流配电也存在一些缺点：
1）直流电更难断开。同样容量时，常规的直流断路器比交流断路器要大。
2）直流电压稍比交流电压难以隔离。
但是，随高压直流的电流控制技术尤其是固态配电技术的不断发展和SSPC控制器件/装置的不断进步，高压直流配电比交流配电具有明显的优越性。
高压直流发电系统的可选方案包括线绕转子式发电机方案、电励磁双凸极发电机方案、开关磁阻发电机方案和异步发电机方案等。前两种方案是将交流发电机的输出利用全桥整流电路整流以提供直流电，第三种和第四种方案是开关磁阻电机或异步电机与可控功率变换器一起工作并由可控功率变换器输出直流电。由三相或六相交流发电机供电的全桥整流电路或可控功率变换器功率器件和交流发电机构成一个整体，半导体功率器件装在散热片上并置于发电机的冷却油中，两者可以有效地共用一个散热系统，可实现综合设计的目的。
4 总结
从目前先进飞机看，无论是先进战斗机，还是先进的大型民用飞机，由于对飞机电源系统的容量需求都比较大，出机对电源系统自身及配电系统的重量、效率等方面的限制，变频交流电源和高压直流电源为优先选择的供电体制。
但是高压直流电源系统的配电系统复杂、不成熟，也是不争的事实。变频交流电源系统继承了恒频交流电源系统的特性，成熟性高。所以，在中国的大型客机的方案中，是可以采用变频交流电源系统的。
【参考文献】
关键词：高频变压器，模拟退火算法，优化
[摘要]以优化高频变压器的磁芯功率损耗和绕组功率损耗为目标，以单端反激式变压器为例建立了高频变压器的总功率损耗计算模型。在该功率损耗计算模型的基础上结合从系统角度设计开关电源的方法，采用一种基于模拟退火算法的高频变换器的优化设计方法，得到了设计参数的最优取值。
1.引言
随着电子信息技术的不断发展[1]，各类电子设备在客观上要求小型化、轻量化和提高可靠性。为了适应这种要求需要开展DC-DC变换器的高频化研究。在各种变换器的拓扑结构中，单端反激电路具有很多优点，其中最主要的优点是电路简单，成本低,适合多路输出。由于电路简单，在小功率情况下体积可以做得最小，这种变换器拓扑结构在小功率的变换器设计中得到广泛采用。
单端反激DC-DC变换器中的变压器工作时相当于一个带有两个(或多个)绕组的电感，这一点不同于典型的变压器[2]。初级线圈用于磁化磁芯,并且在磁芯损耗方面，磁芯损耗（PL）主要由三部分组成：磁滞损耗（Ph），涡流损耗（Pe）和剩余损耗（Pr）。免费论文参考网。其他讲了一些关于绕组、磁芯等的基本概念并没有提出新意的观点。在每个周期开关导通时间内存储能量，次级线圈用于磁芯的退磁，并将在开关管导通时间内变压器存储的能量传递给负载。所以在设计高频反激变压器时必须考虑设计的变压器能传递所需要的能量。免费论文参考网。另外，为了设计高效率的变换器还需要考虑变压器的功率损耗。
2.单端反激变压器功率损耗模型的建立
以高频单端反激变压器为例推导计算变压器总功率损耗的数学模型：通过功率损耗分离的方法可以将变压器的功率损耗写成磁芯功率损耗与绕组功率损耗的总和[2]。
2.1磁芯功率损耗
变压器的功率损耗可以分为磁芯功率损耗和绕组功率损耗，而磁芯功率损耗主要是由涡流功率损耗和磁滞功率损耗构成的。磁损的计算公式如下：
（1）
——磁芯损耗；
——磁芯单位体积损耗密度；
——磁芯重量；
——密度；
2.2绕组损耗
在电力电子领域，为了分析和设计在非正弦条件下的传统高频变压器的绕组，陆续研究出一些实用的分析方法，一般是通过分析得到绕组的交流电阻，然后由交流电阻计算绕组功率损耗。绕组的功率损耗也可以用下面的公式表达：
（2）
其中，为通过高频变压器绕组的电流有效值； Kr为趋肤系数；ρ为铜的电阻率；MLT为平均匝长度（单位m/匝）；N为线圈的匝数；为绕线的横截面积。
3优化设计思路
传统的变换器设计沿用了工频变压器的设计方法，特点是工作磁感应强度变化、最大导通比Dmax通常由经验确定，然后通过反复试验加以调整，最后完成设计。这样设计的缺点是，往往要进行反复的重新设计来积累经验，对变换器的整体设计造成影响，需要多次重新调整变换器的整体设计，而且往往选择的参数并没有达到系统最优。模拟退火算法是一种基于随机搜索的最优算法，该算法非常适用于工程实际求解最优解。本文提出新的设计方法是在最初的设计中引入功耗计算，选择最小功耗的方案，确定最小功耗前提下的和Dmax的最优选择，进一步设计变换器整体设计中的其他参数。本文探讨了在效率最高、损耗最低、温升最低的约束条件下Bm、J的最优值，建立数学模型，并通过模拟退火算法实现优化设计[3]。
根据本文在前面的到的结论：当变压器初级铜损等于次级铜损、磁芯损耗等于绕组损耗时，变压器总损耗最小。以反激变换器为入手点，建立方程：
（3）
其中：G为磁芯重量；Kr趋肤系数；K1为Ap余量；K2为铜损余量；磁芯选最为常用的PC40磁芯，则Pcv有：
（4）
由上式即可求出变压器总损耗最小时和D的最佳值。
本文利用模拟退火算法研制300kHz的AC-DC高频变压器[4]。其据以指标为：电结构为单端反激，工作方式为连续电流工作模式，输入电压为交流220V，输出电压为5V，输出电流为0.05~2A，工作频率为300kHz，效率为90％。免费论文参考网。其中的取值范围为0.0001-0.07T，Dmax的范围为：0.2-0.5。利用模拟退火算法，退火策略选用指数型退温：；其中a为一个小于零的常数。a越小，退火速度越快。为初始温度，这里选1000。下图1所示的为在整个迭代过程中，Dmax整体最优解的变化过程。
图1 占空比最优的迭代过程
4结语
通过理论推导建立了高频反激变压器总功率损耗的数学模型，提出利用数据拟合技术和模拟退火算法求解高频反激变压器的总功率损耗最小时和Dmax的最优取值的优化设计思想。提出一种优化设计高频DC-DC变换器的方法，以单端反激变压器为例，通过遗传算法得到、Dmax和Lp的最优取值的优化设计。试验验证采用这种优化设计方法设计的反激变换器具有很高的效率。
[参考文献]
[1]张占松，蔡宣三．开关电源原理与设计[M]．北京：电子工业出版社,1998．
[2]赵修科．开关电源中磁性元器件[M]．南京：南京航空航天大学自动化学院,2004．
[3]王耕富．高频电源变压器磁芯的设计原理[J]．磁性材料与器件,2000．
[4]王凌．智能优化算法及其应用[M]．北京：清华大学出版社,2001．
【关键词】高性能；数字化交流稳压电源；设计开发
中图分类号：TM71文献标识码A文章编号1006-0278（2015）09-148-01
一、高性能交流稳压电源的发展趋势
（一）智能化与数字化
目前在研制高性能、高精度、多功能的仪器设备时，几乎没有不考虑采用微处理器的。以微处理器为主体取代传统仪器设备的常规电子线路，将计算机技术与控制技术结合在一起，组成新一代的所谓“智能化仪器设备”。智能仪器解决了许多传统仪器不能或不易解决的难题，同时还能简化系统电路，提高系统可靠性，加快产品的开发速度。交流稳压电源一方面为仪器设备提供电能量，是仪器设备的“动力源”，另一面它本身就是仪器设备，因此，它有可能而且应当智能化。
（二）模块化
电源的模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化；其二是指电源单元的模块化。我们常见的功率器件模块含有一单元、两单元、六单元直至七单元，包括开关器件和与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块（SPM）。近年，有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块（IPM），不但缩小了整机的体积，更方便了整机的设计制造。只要把控制软件写入该模块中的微处理器芯片，再把整个模块固定在相应的散热器上，就构成一台新型的电源装置。
由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性。
（三）绿色化
电源系统的绿色化有两层含义：首先是显著节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电就可以减少对环境的污染；其次这些电源不能（或少）对电网产生污染，国际电工委员会（IEC）对此制定了一系列标准，如IEC555、IEC917、IECI000等。事实上，许多功率电子节电设备，往往会变成对电网的污染源：向电网注入严重的高次谐波电流，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚至出现缺角和畸变。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，为21世纪批量生产各种绿色交流稳压电源产品奠定了基础。
二、高性能数字化交流稳压电源的设计与开发
（一）功能设定
功能设定是交流稳压电源进行设计与开发的基础与依据。首先交流稳压电源的设计应当满足最基本的电源功能要求，从大的方面来说一个是供电功能―电源应当保证具有稳定的供电功能，另一个是保护功能：1.如果电路出现短路问题，可及时切断电源，当故障解决，可恢复原本工作状态；2.如果电路负载过大，应根据负载情况在一定的时间内自动关机（过载>>12o%，6oB后关机/过载大于lso%，2sB内关机；3.电压保护，电压过大或者过小都会对电源本身以及设备运行造成影响，因此当电压在264V以上或者176V以下时应及时使稳压电源关闭；4.过热保护，当逆变器的温度达到安全值以上时，应使稳压电源关闭；5.直流母线电流负载超过规定的1s0%时，应当使稳压电源关闭。
（二）电路设计
电路设计采用拓扑结构，交流电在整流桥予以整流处理后变为直流信号，这一信号再经由滤波电路到达逆变电路，逆变电路又将这一信号整合为交流信号，反向输回滤波电路，然后在隔离变压器的作用下，交流信号成为精密且稳定的电压。变化电路由逆变开关的各种器件所组成，有隔离与非隔离两种、隔离式的变化电路应用较为广泛，逆变装置应用的功率变换电路有三相全桥、单项全桥、半桥以及推挽等。
（三）控制系统
整个控制系统由八个模块组成，每个模块都有不同的功能分区：1.信号采集模块，对信息的采集有利于系统参数的设置，保证输出波形能够达到理想的状态，系统需要采集的信息包括电网与稳定电源的电流幅值、电压幅值以及频率；2.通信模块，技术人员对设备的操控与管理都需要通过通信系统来完成，稳压电源的通信模块有两个接口，Ethernet与RS485；3.键盘控制与屏幕显示模块，键盘可以取代开关完成对稳压电源的远程控制，完成对逆变器的开关，可对其进行菜单设置，输入或取消指令，查询信息与设置密码等、屏幕则可以将电源运行的状态，功率、电流、电压等参数都可在屏幕上作以展示；4.驱动模块，主要是指对逆变电路的驱动，有两种方式：a.对PWM信号的功率予以放大；h.将主控电路与PWM信号以及逆变电路的电气进行隔离；5.DSP单元模块，DSP是逆变主控芯片，可对IGBT予以瞬时保护，能够保证输出电压的稳定性，使波形达到理想状态，另外还能够产生脉冲信号以驱动IG-BT}OARM模块，ARM有着通信功能，它能将DSP收集到的运行数据传送给系统，也可以将系统发出的命令传输给DSP，它是人机互动实现的技术支持与基础；6.实时时钟，保证操作系统与运行系统时间的一致性，另外也可对系统参数与故障数据进行必要记录；7.保护与报警模块，系统在运行的过程中也在进行自我检测与保护，故障发生时可进行自主诊断，如有较大故障则发出警报.以警示灯或蜂鸣器进行警示。
三、结语
总而言之，交流稳压电源有着较高的稳定性、精确度与可靠性，其设计与开发对自测设备的运行有着重要的意义，随着科技的发展，交流稳压电源呈现出了数字化与高性能的特点，对其进行探究，有着一定的现实意义。
参考文献：
1、开关电源概述
2、开关电源的发展
3、开关电源的基本构成及分类
4、开关电源的电路组成及功能
开关电源的PWM
1、开关电源PWM的五种反馈控制模式
2、三种经典型号控制集成芯片：UC3842、TL494、SG3525
开关电源的电磁兼容性与可靠性
开关电源的电磁电磁兼容技术
开关电源的噪声
开关电源的EMC设计
开关电源的计算机辅助分析与计算
直流开关电源设计
直流开关电源原理及特点
直流开关电源的保护
六、参考文献
开关电源设计相关
电源，即提供电能的设备，主要分三类：一次电源（将其它能量转换为电能），二次电源和蓄电池。其中，二次电源指的是把输入电源（由电网供电）转换为电压、电流、频率、波形及在稳定性、可靠性（含电磁兼容，绝缘散热，不间断电源，智能控制）等方面符合要求的电能供给负载。电子设备都离不开可靠的电源。开关电源由于具有效率高、体积小、重量轻的特点，近年来获得了飞速发展。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和功率开关器件（如MOS-FET）等构成。简单的说：就是开关型直流稳压电源。开关电源把直流电源或交流电源通过它可以获得一个稳定的直流电压源。它具有效率高，输出电压稳定，交流纹波小，体积小和重量轻的许多优点。
开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。它们的功能是：
输入电网滤波器：消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。
输入整流滤波器：将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。
变换器：是开关电源的关键部分。它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。
输出整流滤波器：将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。
控制电路：检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。
保护电路：当开关电源发生过电压、过电流短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。
现代开关电源有两种：一种是直流开关电源；另一种是交流开关电源。
PWM开关稳压或稳流电源基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。PWM的开关频率一般为恒定，控制取样信号有：输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压、开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流及恒定功率的目的，同时可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁、均流等功能。对于定频调宽的PWM闭环反馈控制系统，主要有五种PWM反馈控制模式
开关电源PWM的五种反馈控制模式
1、电压模式控制PWM(VOLTAGE-MODECONTROLPWM)：2.峰值电流模式控制PWM(PEAKCURRENT-MODECONTROLPWM)：3.平均电流模式控制PWM(AVERAGECURRENT-MODECONTROLPWM)：
4.滞环电流模式控制PWM(HYSTERETICCURRENT-MODECONTROLPWM)：5.相加模式控制PWM(SUMMING-MODECONTROLPWM)：
开关电源的PWM专用芯片有三个经典型号:UC3842,TL494,SG3525
UC3842是电流模式八脚单端PWIVI控制芯片，其内部电路框图如图所示，主要由基准电压发生器、欠电压保护电路、振荡器、PWM闭锁保护、推挽放大电路、误差放大器及电流比较器等电路组成。该控制芯片与振荡定时器件、开关管、开关变压器可构成功能完善的他励式开关电源。
直流稳压电源是一种常见的电子仪器，广泛地应用于电子电路、教学实验和科学研究等领域。目前使用的直流稳压电源大部分是线性电源，利用分立器件组成，其体积大，效率低，可靠性性差，操作使用不方便，自我保护功能不够，因而故障率高。随着电子技术的飞速发展，各种电子、电器设备对稳压电源的性能要求日益提高，稳压电源不断朝着小型化，高效率，低成本，高可靠性，低电磁干扰，模块化和智能化方向发展。以单片机系统为核心而设计制造出来的新一代智能稳压电源不但电路简单，结构紧凑，价格低廉，性能卓越，而且由于单片机具有计算和控制能力，利用它对采样数据进行各种计算，从而可排除和减少由于骚扰信号和模拟电路引起的误差，大大提高稳压电源输出电压和控制电流精度，降低了对模拟电路的要求。智能稳压电源可利用单片机设置周密的保护监测系统，确保电源运行可靠。输出电压和限定电流采用数字显示，输入采用键盘方式，电源的外表美观，操作使用方便，具有较高的使用价值。
控制和保护电路主要处理信号，属于“弱电”电路，但它控制着主电路中的开关器件，一旦出现失误，将造成严重的后果，使电源停止工作或损坏。电源的很多指标，如稳压稳流精度、纹波、输出特性等也与控制电路相关
开关电源主要有以下特点：
体积小、重量轻：由于没有工频变压器，所以体积和重量只有线性电源的20～30%。
功耗小、效率高：功率晶体管工作在开关状态，所以晶体管上的功耗小，转化效率高，一般为60～70%，而线性电源只有30～40%。
开关电源的电路组成：
开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。
开关电源的电路组成方框图如下：
输入电路的原理及常见电路：
AC输入整流滤波电路原理：
防雷电路：当有雷击，产生高压经电网导入电源时，由MOV1、MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3会烧毁保护后级电路。
输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。
整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5容量变小，输出的交流纹波将增大。
DC输入滤波电路原理：
输入滤波电路：C1、L1、C2组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。C3、C4为安规电容，L2、L3为差模电感。
R1、R2、R3、Z1、C6、Q1、Z2、R4、R5、Q2、RT1、C7组成抗浪涌电路。在起机的瞬间，由于C6的存在Q2不导通，电流经RT1构成回路。当C6上的电压充至Z1的稳压值时Q2导通。如果C8漏电或后级电路短路现象，在起机的瞬间电流在RT1上产生的压降增大，Q1导通使Q2没有栅极电压不导通，RT1将会在很短的时间烧毁，以保护后级电路。
功率变换电路：
MOS管的工作原理：目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是MOSFET（MOS管），是利用半导体表面的电声效应进行工作的。也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电状态，所以输入电阻可以大大提高，最高可达105欧姆，MOS管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。
常见的原理图：
3、工作原理：
R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器，和开关MOS管并接，使开关管电压应力减少，EMI减少，不发生二次击穿。在开关管Q1关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，能很好地吸收尖峰电压和电流。从R3测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制，因此是当前工作周波的电流限制。当R5上的电压达到1V时，UC3842停止工作，开关管Q1立即关断。
R1和Q1中的结电容CGS、CGD一起组成RC网络，电容的充放电直接影响着开关管的开关速度。R1过小，易引起振荡，电磁干扰也会很大；R1过大，会降低开关管的开关速度。Z1通常将MOS管的GS电压限制在18V以下，从而保护了MOS管。
Q1的栅极受控电压为锯形波，当其占空比越大时，Q1导通时间越长，变压器所储存的能量也就越多；当Q1截止时，变压器通过D1、D2、R5、R4、C3释放能量，同时也达到了磁场复位的目的，为变压器的下一次存储、传递能量做好了准备。IC根据输出电压和电流时刻调整着⑥脚锯形波占空比的大小，从而稳定了整机的输出电流和电压。
C4和R6为尖峰电压吸收回路。
4、推挽式功率变换电路
Q1和Q2将轮流导通。
5、有驱动变压器的功率变换电路：
T2为驱动变压器，T1为开关变压器，TR1为电流环。
输出整流滤波电路：
正激式整流电路：
T1为开关变压器，其初极和次极的相位同相。D1为整流二极管，D2为续流二极管，R1、C1、R2、C2为削尖峰电路。L1为续流电感，C4、L2、C5组成π型滤波器。
反激式整流电路：
T1为开关变压器，其初极和次极的相位相反。D1为整流二极管，R1、C1为削尖峰电路。L1为续流电感，R2为假负载，C4、L2、C5组成π型滤波器。
同步整流电路：
工作原理：当变压器次级上端为正时，电流经C2、R5、R6、R7使Q2导通，电路构成回路，Q2为整流管。Q1栅极由于处于反偏而截止。当变压器次级下端为正时，电流经C3、R4、R2使Q1导通，Q1为续流管。Q2栅极由于处于反偏而截止。L2为续流电感，C6、L1、C7组成π型滤波器。R1、C1、R9、C4为削尖峰电路。
稳压环路原理：
1、反馈电路原理图：
2、工作原理：
当输出U0升高，经取样电阻R7、R8、R10、VR1分压后，U1③脚电压升高，当其超过U1②脚基准电压后U1①脚输出高电平，使Q1导通，光耦OT1发光二极管发光，光电三极管导通，UC3842①脚电位相应变低，从而改变U1⑥脚输出占空比减小，U0降低。
当输出U0降低时，U1③脚电压降低，当其低过U1②脚基准电压后U1①脚输出低电平，Q1不导通，光耦OT1发光二极管不发光，光电三极管不导通，UC3842①脚电位升高，从而改变U1⑥脚输出占空比增大，U0降低。周而复始，从而使输出电压保持稳定。调节VR1可改变输出电压值。
反馈环路是影响开关电源稳定性的重要电路。如反馈电阻电容错、漏、虚焊等，会产生自激振荡，故障现象为：波形异常，空、满载振荡，输出电压不稳定等。
六、短路保护电路：
1、在输出端短路的情况下，PWM控制电路能够把输出电流限制在一个安全范围内，它可以用多种方法来实现限流电路，当功率限流在短路时不起作用时，只有另增设一部分电路。
2、短路保护电路通常有两种，左图是小功率短路保护电路，其原理简述如下：
当输出电路短路，输出电压消失，光耦OT1不导通，UC3842①脚电压上升至5V左右，R1与R2的分压超过TL431基准，使之导通，UC3842⑦脚VCC电位被拉低，IC停止工作。UC3842停止工作后①脚电位消失，TL431不导通UC3842⑦脚电位上升，UC3842重新启动，周而复始。当短路现象消失后，电路可以自动恢复成正常工作状态。
3、右图是中功率短路保护电路，其原理简述如下：
当输出短路，UC3842①脚电压上升,U1③脚
电位高于②脚时，比较器翻转①脚输出高电位，给
C1充电，当C1两端电压超过⑤脚基准电压时
U1⑦脚输出低电位，UC3842①脚低于1V，UCC3842
停止工作，输出电压为0V，周而复始，当短路
消失后电路正常工作。R2、C1是充放电时间常数，
阻值不对时短路保护不起作用。
4、左图是常见的限流、短路保护电路。其工作原理简述如下：
当输出电路短路或过流，变压器原边电流增大，R3
两端电压降增大，③脚电压升高，UC3842⑥脚输出占空
比逐渐增大，③脚电压超过1V时，UC3842关闭无输出。
5、右图是用电流互感器取样电流的保护电路，有
着功耗小，但成本高和电路较为复杂，其工作原
理简述如下：
输出电路短路或电流过大，TR1次级线圈感
应的电压就越高，当UC3842③脚超过1伏，UC3842
停止工作，周而复始，当短路或过载消失，电路自行恢复。
七、输出端限流保护：
左图是常见的输出端限流保护电路，其工作原理简述如下：
当输出电流过大时，RS（锰铜丝）两端电压上升，U1③脚电压高于②脚基准电压，U1①脚输出高电压，Q1导通，光耦发生光电效应，UC3842①脚电压降低，输出电压降低，从而达到输出过载限流的目的。
八、输出过压保护电路的原理：
输出过压保护电路的作用是：当输出电压超过设计值时，把输出电压限定在一安全值的范围内。当开关电源内部稳压环路出现故障或者由于用户操作不当引起输出过压现象时，过压保护电路进行保护以防止损坏后级用电设备。应用最为普遍的过压保护电路有如下几种：
1、可控硅触发保护电路：
如图，当Uo1输出升高，稳压管（Z3）击穿导通，可控硅（SCR1）的控制端得到触发电压，因此可控硅导通。Uo2电压对地短路，过流保护电路或短路保护电路就会工作，停止整个电源电路的工作。当输出过压现象排除，可控硅的控制端触发电压通过R对地泄放，可控硅恢复断开状态。
2、光电耦合保护电路：
如右图，当Uo有过压现象时，
稳压管击穿导通，经光耦（OT2）
R6到地产生电流流过，光电耦合器
的发光二极管发光，从而使光电耦合
器的光敏三极管导通。Q1基极得电导通，
3842的③脚电降低，使IC关闭，停止整个电源的工作，Uo为零，周而复始，。
3、输出限压保护电路：
输出限压保护电路如下图，当输出电压升高，稳压管导通光耦导通，Q1基极有驱动电压而道通，UC3842③电压升高，输出降低，稳压管不导通，UC3842③电压降低，输出电压升高。周而复始，输出电压将稳定在一范围内（取决于稳压管的稳压值）。
4、输出过压锁死电路：
图A的工作原理是，当输出电压Uo升高，稳压管导通，光耦导通，Q2基极得电导通，由于Q2的导通Q1基极电压降低也导通，Vcc电压经R1、Q1、R2使Q2始终导通，UC3842③脚始终是高电平而停止工作。在图B中，UO升高U1③脚电压升高，①脚输出高电平，由于D1、R1的存在，U1①脚始终输出高电平Q1始终导通，UC3842①脚始终是低电平而停止工作。
九、功率因数校正电路（PFC）：
1、原理示意图：
2、工作原理：
输入电压经L1、L2、L3等组成的EMI滤波器，BRG1整流一路送PFC电感，另一路经R1、R2分压后送入PFC控制器作为输入电压的取样，用以调整控制信号的占空比，即改变Q1的导通和关断时间，稳定PFC输出电压。L4是PFC电感，它在Q1导通时储存能量，在Q1关断时施放能量。D1是启动二极管。D2是PFC整流二极管，C6、C7滤波。PFC电压一路送后级电路，另一路经R3、R4分压后送入PFC控制器作为PFC输出电压的取样，用以调整控制信号的占空比，稳定PFC输出电压。
十、输入过欠压保护：
原理图：
工作原理：
AC输入和DC输入的开关电源的输入过欠压保护原理大致相同。保护电路的取样电压均来自输入滤波后的电压。
取样电压分为两路，一路经R1、R2、R3、R4分压后输入比较器3脚，如取样电压高于2脚基准电压，比较器1脚输出高电平去控制主控制器使其关断，电源无输出。另一路经R7、R8、R9、R10分压后输入比较器6脚，如取样电压低于5脚基准电压，比较器7脚输出高电平去控制主控制器使其关断，电源无输出。
十
一、电池管理：
电池管理原理图：
虚线框A内的零件组成电池启动和关断电路；虚线框B为电池充电线性稳压电路；虚线框C为电子开关电路；虚线框D为电池充电电流限制电路。
电池启动原理：
输入电压由INPUT和AGND端输入，分为三路。第一路经D7直接送后级和电池启动、关断电路。R28、R27、R26分压后的电压使U3导通（此电压在设计时已计算好了，正常工作时高于2.5V），光藕OT1导通。R25为U3提供工作电压，R23、R24为光藕的限流及保护电阻。
光藕导通后电源经R22、OT1、D9给Q4提供基极偏置电压，Q4导通，R21为Q4的下偏置电阻。继电器RLY1-A的线圈中有电流流过，继电器触点RLY1-B吸合，将电池BAT接入电路中。D4为阻止在Q4关断时继电器线圈产生的电动势影响后级电路，D5为防止在Q4关断时继电器线圈产生的电动势损坏Q4，将继电器线圈产生的能量释放。
电池充电稳压原理：
在通电的初期，由于Q3没有偏置而不导通，D3的正端无电压。电源经R1降压Z1稳压后给U1和U2提供工作电压。R2、U1组成基准电压，R13、R4、R5、R6、VR1组成电池电压检测电路，当U2②脚检测电压低于③脚电压时，其①脚输出高电平，经R14给Q2提供偏置电压，Q2导通、Q3也跟着导通，电源经Q3、D3、继电器触点RLY1-B、F1给电池BAT充电。
当U2②脚检测电压高于③脚电压时，其①脚输出低电平，Q2失去偏置电压而截止，Q3截止，D3的正端无电压，其负极电压下降，U2②脚检测电压也跟着下降，当U2②脚检测电压低于③脚电压时，其①脚输出高电平，Q2、Q3导通继续充电，如此周而复始，使D3的负端电压维持在某一设定值。调节VR1可以改变充电电压值。
电池充电限流原理：
在充电的过程中，电流经Q3、RLY1-B、F1、BAT、R20回到地（AGND）。在电池充电的初期，因电池电压比较低，流经Q3、RLY1-B、F1、BAT、R20的电流就会增大，那么在R20上产生的压降就会增大(R20为电流取样电阻)。电阻R20的上端S点经R11连接到U2B的同相输入端⑤脚，U2B的反相输入端⑥脚有一固定参考电压，当R20上的压降超过参考电压时，U2⑦脚输出高电平，经D2、R15给Q1提供偏置电压，Q1因此导通。Q1导通后Q2因失去基极电压而截止，将使线性稳压器的输出关断，Q3、RLY1-B、F1、BAT、R20回路中就没有电流流过，R20上的压降消失，U2⑦脚输出低电平，Q1截止，Q2、Q3导通继续充电，如此周而复始，就将充电电流限制在某一设定值范围内。
调节R10、R11可改变限流点。
电池欠压关断原理：
当输入电压没有时，电池电压经D6给后级和电池启动、关断电路供电。当电池电压下降，U3①脚电压也跟着下降，在电池电压下降至设计关断点时（也就是U3①脚电压低于2.5V时），U3不导通，OT1不发生光电藕合，Q4无偏置而截止，继电器RLY1-A的线圈中没有电流流过，继电器触点RLY1-B断开，将电池BAT从电路中断开，防止电池过放电而损坏。改变R26、R27的阻值，可以改变电池欠压关断时的电压值。
十
二、智能风扇散热：
在开关电源中，对电源进行散热的方式有很多种，智能散热就是其中之一。它是随电源工作时的温度高低，来调节散热风扇的工作电压而改变风力大小，达到最佳散热效果。有着节能的目的。其原理图如下：
工作原理：
输入电压由INPUT端（12～13V）输入，R6为U2提供工作电压，R7、R8阻值相同，分压后为TL431提供触发电压，使A点的基准电压在+5V；RT1为负温度系数热敏电阻，经R1、R2分压加在U1的反相输入端⑥脚。R5为输出电压取样电阻，与R4分压后加在U1的同相输入端⑤脚；Q1为电子开关管；风扇电压由FANOUT端输出。
在刚通电的时候，由于Q1还没导通，C点无电压，U1的⑥脚电压高于⑤脚，因此U1⑦脚输出低电平，Z1击穿导通，Q1导通，C点有电压输出；应Q1的发射极接输入电压端，因此C点电压约等于输入电压，经R5与R4分压后加在U1的同相输入端⑤脚，使⑤脚电压高于⑥脚电压，U1⑦脚输出高电平，Z1不导通，Q1不导通，C点无电压输出；使⑤脚电压又低于⑥脚电压，U1⑦脚又输出低电平，如此反复最终使C电压稳定在某一值（因⑥脚电压不变）；也就是说C点的电压是随B点的电压变化而变化的。
开关电源工作的初期（或轻载工作），机内温度低，热敏电阻RT1的内阻很大，B点的电压相对较低，因此C点的输出电压也低，风扇因工作电压低而转速慢、风力小。当开关电源机内温度逐渐升高（满载工作），热敏电阻RT1的内阻逐渐减小，B点的电压也升高，因此C点的输出电压也跟着升高，风扇因工作电压升高而转速加快、风力加大。当机内温度下降后，热敏电阻内阻逐渐增大，B点电压下降，C点的输出电压也降低，风扇因工作电压低而转速变慢、风力小。当B点电压（温度）升高到一定程度时，U1③脚电压高于②脚基准电压，U1①脚输出高电平，一路经D1、R13返回到B点，使U1①脚始终输出高电平（也就是自锁）；另一路经D2输出到过温保护电路，实现过温保护功能。
十
三、均流技术：
在通讯设备或其它用电设备中，为了使系统不间断的工作，对供电系统的要求就很高。除了要求电源本身的性能要稳定外，另一种方法就是采用1+1备分的方式，就是一台设备用两台电源并联供电，当其中的一台损坏，另外一台可继续给系统供电。在正常工作时，每台电源提供的能量相等，也就是它们输出的电压、电流基本一致。为了使每台电源输出的电压、电流基本一致，就要用到均流技术。原理如下图所示：
均流电路原理图
工作原理：
U1A、R1～R7、C1～C5、VR1组成电流取样电压放大器；U1B、D1组成电压跟随器；R10为均流电压输出电阻；R11～R14、U2A、C6～C10组成平衡电压比较器；R15～R17、Q1为电子开关；R30～R33、C17、C18、U2B组成过流保护电路；R19～28、D2、D3、D4、C12～C14、Q2是电源的输出电压稳压环路，其中D2、D3、R19～R21为输出电压取样电路。D6为输出隔离二极管。
电源在工作时，由电流环或锰铜丝检测的电流取样电压由+IS、-IS加入U1A
组成的电压放大器进行放大，经R5、R6、R7、VR1分压后分两路输出，一路
送入U1B电压跟随器，D1起隔离作用，防止均流母线上的电压变化对前级电
路产生影响，另一路送过流保护电路。经过电压跟随器后的电流取样电压又
分为两路，一路经R10输出作为均流信号电压JL+，另一路经R11送入U2A
组成的平衡电压比较器与U2②脚的参考电压进行比较，当U2③脚电压高于②
脚电压，其①输出高电平，Q1基极得电导通，将R17、R18并入输出电压取
样电路，使输出电压升高，输出电压升高后输出电流就会减小，检测的电流
取样电压也就降低，均流信号电压JL+降低，U2③脚电压低于②脚电压，其①
输出低电平，Q1截止，R17、R18从输出电压取样电路中退出，输出电压降低。
如此循环，最终使输出电压、电流保持稳定。
如右图，当两台电源并机工作时，其输出端是并接在一起的，均流信号线也连接在一起。现在假设电源A的输出电流Io1大于电源B的输出电流Io2，在两台电源内部的电流取样电压就会A高于B，也就是JL1+高于JL2+，而JL1+和JL2+是接在同一条线上（均流母线），因此JL2+升高，通过电源B内部均流电路的控制迫使其输出电压升高，Io2增大，Io1减小（负载电流不变）；Io2高于
Io1时，其控制过程刚好相反，如此循环，最终使两台电源的输出电压、电流保持一致。
Q3、C19、R34～R36组成的电路的作用是，在电源启动初期输出电压低或输出欠
压时Q3导通，使U2A③脚处于低电位，U2A①脚输出低电平，Q1截止，也就是使均
流电路不起作用。
VR1可调节均流信号的电压值，也可调节输出限流点。
参考文献：1、开关稳压电源原理与实用技术科学出版社刘芯
2、开关电源原理机械工业出版社王维
3、直流开关电源技术人民大学出版社李田新
4、开关电源维修实用技术电力出版社高一
5、开关电源集成芯片技术机械出版社王新
6、开关稳压电源原理及设计电力出版社张伟
7、开关电源的原理与设计（修订版）电子工业出版社张占松
8、电源应用技术科学出版社邹怀虚
9、现代高频开关电源实用技术电子工业出版社刘胜利
嵌入式控制系统的MCU一般都需要一个稳定的工作电压才能可靠工作。而设计者多习惯采用线性稳压器件（如78__系列三端稳压器件）作为电压调节和稳压器件来将较高的直流电压转变MCU所需的工作电压。这种线性稳压电源的线性调整工作方式在工作中会大的“热损失”（其值为V压降×I负荷），其工作效率仅为30%～50%[1]。加之工作在高粉尘等恶劣环境下往往将嵌入式工业控制系统置于密闭容器内的聚集也加剧了MCU的恶劣工况，从而使嵌入式控制系统的稳定性能变得更差。
而开关电源调节器件则以完全导通或关断的方式工作。因此，工作时要么是大电流流过低导通电压的开关管、要么是完全截止无电流流过。因此，开关稳压电源的功耗极低，其平均工作效率可达70%～90%[1]。在相同电压降的条件下，开关电源调节器件与线性稳压器件相比具有少得多的“热损失”。因此，开关稳压电源可大大减少散热片体积和PCB板的面积，甚至在大多数情况下不需要加装散热片，从而减少了对MCU工作环境的有害影响。
采用开关稳压电源来替代线性稳压电源作为MCU电源的另一个优势是：开关管的高频通断特性以及串联滤波电感的使用对来自于电源的高频干扰具有较强的抑制作用。此外，由于开关稳压电源“热损失”的减少，设计时还可提高稳压电源的输入电压，这有助于提高交流电压抗跌落干扰的能力。
LM2576系列开关稳压集成电路是线性三端稳压器件（如78__系列端稳压集成电路）的替代品，它具有可靠的工作性能、较高的工作效率和较强的输出电流驱动能力，从而为MCU的稳定、可靠工作提供了强有力的保证。
1 LM2576简介
LM2576系列是美国国家半导体公司生产的3A电流输出降压开关型集成稳压电路，它内含固定频率振荡器（52kHz）和基准稳压器（1.23V），并具有完善的保护电路，包括电流限制及热关断电路等，利用该器件只需极少的器件便可构成高效稳压电路。LM2576系列包括 LM2576（最高输入电压40V）及LM2576HV（最高输入电压60V）二个系列。各系列产品均提供有3.3V（-3.3）、5V（-5.0）、12V（-12）、15V（-15）及可调（-ADJ）等多个电压档次产品。此外，该芯片还提供了工作状态的外部控制引脚。
LM2576系列开关稳压集成电路的主要特性如下[2]：
最大输出电流：3A；
最高输入电压：LM2576为40V，LM2576HV为60V；
输出电压：3.3V、5V、12V、15V和ADJ（可调）等可选；
振东频率：52kHz；
转换效率：75%～88%（不同电压输出时的效率不同）；
控制方式：PWM；
工作温度范围：-40℃ ～ +125℃
工作模式：低功耗/正常两种模式可外部控制；
工作模式控制：TTL电平兼容；
所需外部元件：仅四个（不可调）或六个（可调）；
器件保护：热关断及电流限制；
封装形式：TO-220或TO-263。
LM2576的内部框图如图1所示，该框图的引脚定义对应于五脚TO-220封装形式。
LM2576内部包含52kHz振荡器、1.23V基准稳压电路、热关断电路、电流限制电路、放大器、比较器及内部稳压电路等。为了产生不同的输出电压，通常将比较器的负端接基准电压（1.23V），正端接分压电阻网络，这样可根据输出电压的不同选定不同的阻值，其中R1=1kΩ（可调-ADJ时开路），R2分别为1.7 kΩ（3.3V）、3.1 kΩ（5V）、8.84 kΩ（12V）、11.3 kΩ（15V）和0（-ADJ），上述电阻依据型号不同已在芯片内部做了精确调整，因而无需使用者考虑。将输出电压分压电阻网络的输出同内部基准稳压值1.23V进行比较，若电压有偏差，则可用放大器控制内部振荡器的输出占空比，从而使输出电压保持稳定。
由图1及LM2576系列开关稳压集成电路的特性可以看出，以LM2576为核心的开关稳压电源完全可以取代三端稳压器件构成的MCU稳压电源。
2 LM2576应用举例
2.1 基本应用设计
由LM2576构成的基本稳压电路仅需四个器件，其电路如图2所示。
电感L1的选择要根据LM2576的输出电压、最大输入电压、最大负载电流等参数选择，首先，依据如下公式计算出电压·微秒常数（E·T）：
E·T=（Vin - Vout）×Vout/ Vin×1000/f (1)
上式中，Vin是LM2576的最大输入电压、Vout是LM2576的输出电压、?是LM2576的工作振荡频率值（52kHz）。E·T确定之后，就可参照参考文献[2]所提供的相应的电压·微秒常数和负载电流曲线来查找所需的电感值了。
该电路中的输入电容C2一般应大于或等于100μF，安装时要求尽量靠近LM2576的输入引脚，其耐压值应与最大输入电压值相匹配。而输出电容C1的值应依据下式进行计算（单位μF）：
C≥13300 Vin/ Vout×L （2）
上式中，Vin是LM2576的最大输入电压、Vout是LM2576的输出电压、L是经计算并查表选出的电感L1的值，其单位是μH。电容C铁耐压值应大于额定输出电压的1.5～2倍。对于5V电压输出而言，推荐使用耐压值为16V的电容器。
二极管D1的额定电流值应大于最大负载电流的1.2倍，考虑到负载短路的情况，二极管的额定电流值应大于LM2576的最大电流限制。二极管的反向电压应大于最大输入电压的1.25倍。参考文献[2]中推荐使用1N582x系列的肖特基二极管。
Vin的选择应考虑交流电压最低跌落值（Vac-min）所对应的LM2576输入电压值及LM2576的最小输入允许电压值Vmin(以5V电压输出为例，该值为8V)，因此，Vin可依据下式计算：
Vin≥（220Vmin/Vac-min）
如果交流电压最低允许跌落30%（Vac-min=154V）、LM2576的电压输出为5V（Vmin=8V），则当Vac=220V时，LM2576的输入直流电压应大于11.5V，通常可选为12V。
2.2 工作模式可控应用设计
LM2576的5脚输入电平可用于控制LM2576的工作状态。5脚输入电平与TTL电平兼容。当输入为低电平时，LM2576正常工作；当输入为高电平时，LM2576停止输出并进入低功耗状态。图3是LM2576的工作模式可控电路原理图。
图3中，下拉电阻R2可保证MCU-CON控制端为低时LM2576的正常工作，其值为1～10kΩ。MCU-CON的控制端信号来自MCU，该端为高电平时，LM2576停止输出，系统进入低功耗状态。开关K的闭合会使LM2576重新工作。R1的选择与R2的阻值有关，设计时保证当MCU-CON控制端为高电平且K闭合时，R1不至于因过流而损坏MCU的输出控制端。同样，当MCU-CON控制端为高电平且K断开时，应保证R2上的分压大于TTL高电平的最小值（2V）。
图4
2.3 与线性稳压器件的配合设计
较高的输出电压纹波（一般大于20mV）是开关稳压电源设计中不可回避的问题。在某些对电源纹波电压有特殊要求的场合（如MCU内部有高精度A/D转换器等），可采用
开关稳压电源来提高稳压电源的工作效率或采用线性稳压电源来降低稳压电源的输出纹波电压。因此，采用开关稳压电源与线性稳压电源相结合的形式可为有特殊要求的MCU供电提供一种更好的方法。图4是低纹波输出电压稳压电路原理图。图4中的前半部类似于图2，为了提稳压电源的整体工作效率，当IC2采用7805时，由于7805的最小输入电压为7.5V，因此，图4中的开关稳压集成电路采用了可调节输出芯片（LM2576-ADJ），图中，开关稳压集成电路的输出电压Vort与 R1和R2的关系如下：
Vort=1.23×（1+ R2/ R1）
1.脉冲电源除尘的原理
粉尘比电阻大于1011Ω·cm（高比电阻）时，采用传统工频、高频电源的电除尘器收尘，由于高电阻粉尘在电场中的高粘附力，使振打无法有效地将粉尘从收尘极板上除下，最终引成反电晕现象，降低了除尘器的除尘效率。脉冲电源独特的基础电压叠加脉冲电压的双电模式，相比于传统的工频、高频电源，能使粉尘的驱进速度明显提高，如图1所示，这使得同收尘面积的静电除尘器在使用不同电源控制系统时产生完全不同的除尘效果。增强系数H=Wp/Wdc，其中Wp为应用脉冲电源后的粉尘驱进速度，Wdc为应用常规电源后的粉尘驱进速度。从上图中看出，粉尘比电阻越高，应用脉冲电源后的效果越好，当粉尘比电阻为1013Ω·cm时，增强系数达到2.2倍，即脉冲电源对粉尘驱进速度的提高效果是常规电源的2.2倍，这就使得脉冲电源在高比电阻粉尘的除尘效率上完全优于常规电源。同时，脉冲电源的脉冲电流大，电压脉宽窄（≤120us），电除尘器电压上升率高，达2KV/us，荷电和电晕效果好，火花电压高，比常规电源提高几十KV，而基础电源电压总低于火花电压，能有效抑制反电晕和二次扬尘，有利于收尘。依据多年电除尘研究经验和相关工业应用，电除尘器电场越往后，粉尘比电阻越高。在除尘器后两级电场粉尘的平均比电阻一般都能达到1.0×1011～1.0×1013(Ω·cm)数量级。利用多伊奇公式η=1-e-w·A/Q及其他相关知识，可以计算出脉冲电源对不同比电阻粉尘的理论除尘效率，如表1所示。从表中可见，比电阻越高，脉冲电源的除尘效率越好，比电阻为1.0×1012～1.0×1013(Ω·cm)时，理论效率可达99.9934%。
2.脉冲电源的组成及结构
脉冲电源是适用于电除尘器的电源，目前在世界各地的电厂、钢铁厂及水泥厂的环保除尘机械设备中得到了广泛应用，除尘效果显著。它主要由控制柜和高压输出变压器两部分组成，分别放置于控制室和电除尘器顶部。脉冲电源系统一般由基础电压产生部分、脉冲电压产生部分、控制部分及通讯部分组成。其原理图如图2所示。1）基础电压Vdc产生部分三相交流电源输入至三相升压变压器，经三相整流桥和滤波电路后，产生一个高压直流电压，再经扼流电感L2和耦合电感L4送至电除尘器中，供应电除尘器ESP所需的基础电压。2）脉冲电压产生部分三相交流AC380V输入至三相升压变压器，经整流桥、滤波电路后，得到一个高压直流电压，经扼流电感L1给储能电容Cs充电。当高压IGBT（SW1）导通时，储能电容Cs、扼流电感L3、耦合电感L4、电除尘器ESP等效电容形成谐振回路，储能电容Cs内的电量在该回路内谐振，在电除尘器ESP两端形成一个脉冲电压。该脉冲电压与基础电压叠加，产生最终所需的加至电除尘器ESP上的电压波形，如图3所示。谐振后半部分，电量回充给储能电容Cs，节约电能。当高压IGBT关断时，谐振回路断开，电源继续给储能电容充电至原电压，等待下次脉冲的产生，如此循环。3）控制部分通过一个核心控制器（嵌入式系统），控制基础电压、脉冲电压的产生，并接收脉冲电源的反馈信号、监控关键位置的运行状况，调整脉冲电源的运行状态，使脉冲电源适应各种复杂工况的要求，产生最大的收尘效率及节能目标。同时采用快速、智能的火花响应、处理机制，保证火花状态下设备的安全、稳定运行。4）通讯部分通过以太网控制器，在通讯协议，比如Modbus的基础上搭建整个通讯系统，在上位机界面上监控各个脉冲电源的运行情况，并统一控制、调配，便于运行和管理，提高工作效率。
3.脉冲电源除尘的特点和优势
对于常规除尘器控制电源，脉冲电源具有如下主要优势：1）脉冲电源具有常规电源各种特性；2）在基准电压的基础上叠加脉冲电压，有效抑制高比电阻粉尘的反电晕现象，同时使电场获得尽可能大的电晕场强，使高比电阻粉尘充分实现电离、吸附、放电等过程；3）在获得较高场强的状态下，使得电耗最大可能的节省。对于电除尘器本体一类的改造，脉冲电源具有如下主要优势：（1）改造简便，可在不停炉、短期停电的状态下完成改造；（2）改造周期短，见效快；（3）故障时影响小，无需停炉整改；（4）改造成本低；（5）对于原本体小的除尘器有适当提效功能。综合考虑，脉冲电源较其他除尘器技术具有全面的、可靠的优势，采用脉冲电源对电除尘器进行改造是目前适应国家新环保标准的最佳改选方案。
4.脉冲电源工程应用及发展前景
脉冲电源自上世纪九十年代问世以来，已经在世界各地得到广泛应用，产品应用数量截至2013年已超200多台。近两年，由于环保问题的日益严峻，世界各国对大气污染治理问题的越加重视，传统电源技术已无法满足除尘需求，性能优越的脉冲电源得到了极大的发展，迅速在世界各地得到应用。脉冲电源应用后也取得了显著的除尘效果。表3罗列了一部分脉冲电源的应用项目及取得的效果。典型项目之一：波兰Dabrowa项目项目情况：(1)项目目标：出口粉尘浓度≤50mg/Nm3(2)入口最大粉尘浓度3500mg/Nm3(3)设计最大除尘效率η=1-（50/3500）=98.57%改造前后对照表如表4所示。改造后的电耗如表5所示。
作者：陈严勇 周许生 寿松鹤 单位：浙江菲达环保科技股份有限公司
