时间：2023-05-30 10:46:01
[关键词]节能；单片机；开关电源
中图分类号：TG303 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2015）02-0000-01
前言：开关电源就是电源电路中的功率变换器件工作在开关状态，它是在线性稳压电源的基础上产生的。它是一个把交流电变换成电，把直流电又转化为交流电，再把交流电转换为直流电的电源转换电路。它是通过电路中控制元件的导通时间来调整电压大小。开关电源属于电力电子技术，他运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，他可以满足各种用电要求。开关电源是美国 NASA 用于宇宙火箭搭载电源目的而开发的。与线性电源相比开关电源具有体积小、重量轻、效率高的特点，被广泛用于电视机、计算机、自动控制装置、产业机械、通信装置等各个领域。特别是随着半导体技术的进步和信息产业的发展，开关电源的需求量不断扩大。随着现代技术的发展，尤其是和单片机的结合，使得开关电源开关电源迎来了又一个生命――数控开关电源。
1 数控开关电源的基本理论
一般开关电源是随电网电压变化或负载变化而变化的，当电网电压变化或负载变化引起输出电压降低时，反馈线圈的输出电压则会变低，从而使2端电压变低，则脉宽调制器会相应的增大输出PWM波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变长；反之，当电源电压变化或负载变化而引起输出电压升高时，则脉宽调制器会相应的减小PWM输出脉冲波形的占空比，使大功率晶体管导通的时间变短，从而维持输出电压为一恒定值。
本文提出了一种采用单片机作为整机反馈量的控制单元，可以通过我们的实际需要输入相应数字量来改变反馈电压值，通过反馈电电压使脉宽调制器占空比发生变化，间接地改变输出电压大小的新方法。称之为数控开关电源。这种电源不但能够设定系统输出电压值的大小，还能当电网电压在一定范围内变化或负载变化引的电路电压的变化时保持恒定输出。同时还能通过驱动数码管芯片从而驱动4位的共阳数码管进行显示，使系统硬件更加简洁，输出精度更高。
1.1 桥式整流电路
桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，由四个二极管两两顺序连接组成，输出电压V0是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。输出平均电压为
1.2 脉宽调制电路
脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS管栅极的偏置，来实现晶体管或MOS管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。本文采用能承受较大电流，漏电流较小的功率开关管，当功率开关管受PWM脉冲激励而导通时，整流电压加在变压器T初级绕组Np上的电能变成磁能储存在变压器中，在场效应管导通结束时，Np绕组中电流达到最大值Ipmax，根据法拉第电磁感应定律：
Ipmax=（Ε/Lp）Ton
式中：E――整流电压；Lp――变压器初级绕组电感；Ton――场效应管导通时间。
在场效应管关闭瞬间，变压器次级绕组放电电流为最大值Ismax，若忽略各种损耗应为
Ismax=nLpmax=n（Ε/Lp）Ton
式中：n――变压器变比，n=Np/Ns，Np、Ns为变压器初、次级绕组匝数。
高频变压器在场效应管导通期间初级绕组储存的能量与场效应管关闭期间次级绕组释放的能量相等：
N（E/Ls）Ton=（Uo/Ls）Toff
式中：Ls――变压器次级绕组电感；Uo――输出电压；Toff――场效应管关闭时间。
因为LP=n2L， 则：（E/nLS）Ton=（Uo/LS）Toff，ETon=nUoToff
Uo=（Ton/nToff）E
1.3 启动电路
电源是通过启动电阻提供电流给电容充电，当电容电压达到启动电压门槛值时，脉宽调制芯片开始工作并提供驱动脉冲，推动开关管工作。
1.4 反馈回路
反馈回路有单片机主导构成，起着稳定电压输出、调节电压输出和显示电路电压的作用。
2 单片机及电路的设计
2.1 复位电路
本文采用的是一个低功耗，高性能CMOS 8位的AT89S52单片机，为了使单片机内特殊功能寄存器初始化，所以需要一个复位电路来实现，复位后可使AT89S52单片机到初始状态，并从初始状态开始正常工作。在正常运行情况下，只要RST引脚上出现两个机器周期时间以上的高电平，即可引起系统复位，
2.2 时钟电路
AT89S52单片机有一个用于构成内部振荡器的反相放大器，XTAL1 和XTAL2 分别是放大器的输入、输出端。从外部时钟源驱动器件的话，XTAL2 可以不接，而从 XTAL1 接入，由于外部时钟信号经过二分频触发后作为外部时钟电路输入的，所以对外部时钟信号的占空比没有其它要求，最长低电平持续时间和最少高电平持续时间等还是要符合要求的。 外接晶体以及电容C2和C1构成并联谐振电路，它们起稳定振荡频率、快速起振的作用，其值均为30P左右，晶振频率选12MHz。
2.3 D/A转换器
如图1-2在控制电路中需要一可变的基准电源来改变稳压调节器输入端电压的大小，而单片机输出的控制信号为数字信号，所以变化的基准电压需借助数模转换器产生。
3 软件的设计
3.1 主要完成三方面的功能
1）.设置电压并且保存，主要是对EEROM的操作。
2）.把设置的电压送到DA，主要是对DA的操作。
3）.中断显示，把设置的电压显示到LED数码管上。
3.2 程序设计思想
当电源打开的时候，MCU进行复位，寄存器清零。接着电源应该显示和输出上次关机前的电压大小，这时候MCU先读取EEPROM中保存的电压编号，根据电压编号读出对应电压，把该数据送到DA，在转换成BCD码送到显示部分。这时候程序循环检测是否有按键信号，如果调节键按下，电压编号指向下一个，保存该电压编号，读对应电压，把他送到DA并且显示。如果调节键+按下，当前电压数据加1，相对应输出电压（POWER―OUT引脚）增加0.1V，保存设置电压数据。如果调节键-按下，电压数据减1，输出电压减少0.1V，保存设置电压数据。
4 结束语
结合单片机开发的开关电源是电源技术发展的创新技术，其功率小，整机的稳定、可靠，而且其对电网的适应能力也有较大的提高，一般串联稳压电源允许电网波动范围为220V（ 10%），而开关型稳压电源在电网电压在110～260V范围内变化时，都可获得稳定可调的输出电压，使电源模块的智能化程度更高，性能更完美。并使开关电源进入更广泛的领域，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资源及保护环境方面都具有深远的意义。
参考文献
[1] 《开关稳压电源原理与实用技术》慕苤勋等编著，科学出版社，2005.6.
NJM2367只需7个外接元件，散热板的安装也相当简单，外壳封装为塑料TO-220（5个引脚）型。它是新日本无线公司的新产品。附表为它的主要电气特性。图1所示为它的引脚排列，图2为输入12V、使用NJM2367实现输出5V/5A的DC-DC变换器电路，图3所示为在实验板上实测的NJM2367主要输出特性。
电路与印制版的设计
1.电感L1
图2中的L1是这样设定的，即在L1中流过的脉动电流峰值应小于最大电流的10%，也就是要小于0.5A。如果脉动电流超过上述值，则NJM2367内部的过电流保护电路动作，输出截止。电感的铁芯宜采用允许大电流工作的环形铁芯。
将NJM2367内部的功率晶体管饱和压降记作Vset[V]，接通时间记作ton[s]，在L1中流过的脉动电流记作ΔIL[A]，输入电压记作Vin[V]，输出电压记作Vout[V]，则L1[H]可由下式求得：
L1=(Vin-Vset-Vout)ton/IL
图2中Vin=12V，Vset=1.8V，Vout=5V，ton=11.1μs，ΔIL≤0.5A，求得L1≈115μH，为留有余量，选定L1为180μH。
2.输出电容Cout
作为Cout电容，若选用等效串联电阻（ESR）低的器件，则可以有效地降低输出脉动噪声。通常，电容量越大，ESR也越大。因此比起使用单个大容量电容来说，还不如采用数个电容并联连接的结构形式更为有效。但由于在各电容中流过的脉动电流大小是不相等的，因此，如果使用不同特性的电容，则电流将集中于某个特定的电容中，从而有可能缩短该电容的使用寿命。
把脉动电压记作VRP-P，ESR与输出脉动电压的关系如下式所示：
ESR=VRP-P/IL
实际上，在大多数情况下，根据留有余量的原则，设定ESR为不大于上式计算值的1/2。
3.印制版电路的布线
图2中用粗黑线画的部分为较大的开关电流流经的电路，所以在电路连接时必须采用粗而短的线路来降低电路的阻抗。如果用细的线路连接，电路将产生很大的发射噪声，或者有可能使电路不能稳定地工作。开关电流的流动路径如下：
开关接通时，输入电容功率晶体管电感输出电容。
开关断开时，电感输出电容地二极管电感。
当随意地连接线路时，在输出端将会产生800mVp-p左右的尖峰脉冲噪声。因此采用单点接地的配线方法，使电路不形成公共阻抗，并使必要的线路尽可能地粗和短，这将使脉动电压得到明显的改善，达到小于100mVp-p的水平。
在图2电路中，当需要设定的输出电压高于5V时，可以追加虚线部分的电阻R1，并对R1进行调整。虚线电路中加接D1的作用，是当负载急剧变动时，为了防止IC遭到破坏而加入的保护性肖特基二极管。
内部电路工作状态
如图2所示，NJM2367内部含有基准电源、振荡电路、误差放大器、PWM电路和功率晶体管等，开关频率固定为72kHz。
为了使NJM2367在5个引脚、单片封装情况下输出5A的大电流，在IC电路中采取了下述措施：
1.低损耗和节省空间的过流保护电路
我们知道，对于使用电流取样电阻的过电流检出电路来说，由于在电阻上需要消耗一个恒定的较大的功率，因而它的电路效率很低。特别是在输出电流超过5A的DC-DC变换电路中，我们几乎无法忽视这种损耗。而在NJM2367中，采用将一个小功率晶体管同开关晶体管相并联连接的方法，通过检出该晶体管中流过的电流比值大小来使保护电路动作。
关键词 电源 线性稳定电源 开关型直流稳压电源
中图分类号：TN86 文献标识码：A
1 电源的分类
直流稳定电源按习惯可分为化学电源，线性稳定电源和开关型稳定电源，它们又分别具有各种不同类型：
1.1 化学电源
我们平常所用的干电池、铅酸蓄电池、镍镉、镍氢、锂离子电池均属于这一类，各有其优缺点。随着科学技术的发展，又产生了智能化电池；在充电电池材料方面，美国研制人员发现锰的一种碘化物，用它可以制造出便宜、小巧、放电时间长，多次充电后仍保持性能良好的环保型充电电池。
1.2 线性稳定电源
线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠调整管之间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的散热器给它散热，而且由于变压器工作在工频（50Hz）上，所以重量较大。
这类电源的优点是：（1）电源稳定性及负载稳定性较高，可靠性高；（2）输出纹波电压小；（3）瞬态响应速度快；（4）线路结构简单，便于输出连续可调的成品，也便于维修；（5）没有开关干扰。
线性稳压电源的缺点是：（1）功耗大，效率相对较低，一般只有45%；（2）体积大、较笨重、不能微小型化；（3）必须有较大的滤波电容。
造成这些缺点的原因是：（1）调整管在电源的整个工作中，一直都工作在晶体管的线性放大区，调整管本身的功耗与输出电流成正比，这样调制管本身的功耗就会随电源的输出功率的增大而增大，使调制管急剧发热。为了保证管子能正常工作，除选用功率大的管子外，还必须给管子加上较大的散热片。（2）线性稳压电源使用了50HZ工频变压器，通常，这种变压器的效率只有80%～90%。这样不但增加了电源的体积和重量，而且也大大降低了电源的效率。（3）由于线性稳压电源的工作频率较低，仅为50HZ，所以要降低输出电压中纹波电压的峰峰值，就必须增大滤波电容的容量。
这类稳定电源又有很多种，从输出性质可分为稳压电源和稳流电源及集稳压、稳流于一身的稳压稳流（双稳）电源。从输出值来看可分定点输出电源、波段开关调整式和电位器连续可调式几种。从输出指示上可分指针指示型和数字显示式型等等。
1.3 开关型直流稳压电源
与线性稳压电源不同的一类稳电源就是开关型直流稳压电源，它的电路型式主要有单端反激式，单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本区别在于它变压器不工作在工频而是工作在几十千赫兹到几兆赫兹。功能管不是工作在饱和及截止区即开关状态；开关电源因此而得名。
开关电源的优点是：（1）体积小，重量轻；（2）功耗小，效率高；（3）稳压范围宽；（4）滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小；（5）电路形式灵活多样，能设计出满足应用于不同场合的稳压电源。开关电源相对于线性电源来说纹波较大（一般≤1%VO（P-P），功率调整管工作在开关状态，它产生的交流电压和电流会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰。
2 电压的相关数值
2.1 负载变化对输出电压影响
（1）负载调整率（也称电流调整率）
在交流电源额定电压条件下，负载电流从零变化到最大时，输出电压的最大相对变化，用百分数表示：
= ？100 / 100
（2）输出电阻（也称内阻）
在额定输出电压条件下，负载电流变化引起输出电压的变化，则输出电阻为：
= | |
2.2 稳压系数
稳压系数有绝对稳压系数和相对稳压系数两种。绝对稳压系数表示负载不变而输入交流电压变化时，稳压电源输出直流电压变化量与输入交流电压变化量之比，即：
=
它表示输入交流电压变化时，引起的输出电压变化量。绝对稳压系数值越小越好。越小说明同一引起的越小，输出电压就越稳定。这种表示方法在工程中常常用到。相对稳压系数表示负载不变时，稳压电源输出直流电压的相对变化量 / 与输入交流电压的相对变化量/之比：
=
电压调整率表示负载电流为额定值时输入交流电压在额定值上下变化 ？10%时，稳压电源输出电压的相对变化量（百分数）：
= ？100 / 100
一般直流稳压电源的电压调整率为1%、0.1%、0.01%等。有时也可用绝对值表示。
2.3 电压调整率
输入电压相对变化为？0%时的输出电压相对变化量，稳压系数和电压调整率均说明输入电压变化对输出电压的影响，因此只需测试其中之一即可。
2.4 输出电阻及电流调整率
输出电阻与放大器的输出电阻相同，其值为当输入电压不变时，输出电压变化量与输出电流变化量之比的绝对值。电流调整率：输出电流从0变到最大值时所产生的输出电压相对变化值。
2.5 纹波电压
（1）最大纹波电压。在额定输出电压和额定输出电流条件下，输出纹波电压的绝对值大小，通常以峰值或有效值表示。
（2）纹波系数。在额定输出电压和额定输出电流条件下，输出纹波电压的有效值Urma与输出直流电压之比，即：
= ？100 / 100
总结：电源广泛应用于科学研究、经济建设、国防设施等各个方面，与人们生活息息相关。因此，基于电源的重要性，对其进行的分析是具有现实意义的。
参考文献
[1] 康华光.电子技术基础（模拟部分）（第5版）. 北京：高等教育出版社，2008.
[2] 康华光.电子技术基础（数字部分）（第5版）. 北京：高等教育出版社，2008.
论文首先介绍了电力电子技术及器件的发展和应用,具体阐明了国内外开关电源的发展和现状,研究了开关电源的基本原理,拓扑结构以及开关电源在电力直流操作电源系统中的应用,介绍了连续可调开关电源的设计思路、硬件选型以及TL494在输出电压调节、过流保护等方面的工作原理和具体电路,设计出一种实用于电力系统的开关电源,以替代传统的相控电源。该系统以MOSFET作为功率开关器件,构成半桥式Buck开关变换器,采用脉宽调制(PWM)技术,PWM控制信号由集成控制TL494产生,从输出实时采样电压反馈信号,以控制输出电压的变化,控制电路和主电路之间通过变压器进行隔离,并设计了软启动和过流保护电路。该电源在输出大电流条件下,能做到输出直流电压大范围连续可调,同时保持良好的PWM稳压调节运行。 开关电源结构
以开关方式工作的直流稳压电源以其体积小、重量轻、效率高、稳压效果好的特点,正逐步取代传统电源的位置,成为电源行业的主流形式。可调直流电源领域也同样深受开关电源技术影响,并已广泛地应用于系统之中。
开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。
SCR在开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用, GTR驱动困难,开关频率低,逐渐被IGBT和MOSFET取代。在本论文中选用的开关器件为功率MOSFET管。
开关电源的三个条件:
1. 开关:电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态;
2. 高频:电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频;
3. 直流:开关电源输出的是直流而不是交流。
根据上面所述,本文的大体结构如下:
第一章,为整个论文的概述,大致介绍电力电子技术及器件的发展,简单说明直流电源的基本情况,介绍国内外开关电源的发展现状和研究方向,阐述本论文工作的重点;
第二章,主要从理论上讨论开关电源的工作原理及电路拓扑结构;
第三章,主要将介绍系统主电路的设计;
第四章,介绍系统控制电路各个部分的设计;
从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：
1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。
2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。
3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。
4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。
二、控制电路
一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。
三、检测电路
除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。
四、辅助电源
提供所有单一电路的不同要求电源。
第二节开关控制稳压原理
开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量；当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。图中，由电感L、电容C2和二极管D组成的电路，就具有这种功能。电感L用以储存能量，在开关断开时，储存在电感L中的能量通过二极管D释放给负载，使负载得到连续而稳定的能量，因二极管D使负载电流连续不断，所以称为续流二极管。在AB间的电压平均值EAB可用下式表示：
EAB=TON/T*E
式中TON为开关每次接通的时间，T为开关通断的工作周期（即开关接通时间TON和关断时间TOFF之和）。
由式可知，改变开关接通时间和工作周期的比例，AB间电压的平均值也随之改变，因此，随着负载及输入电源电压的变化自动调整TON和T的比例便能使输出电压V0维持不变。改变接通时间TON和工作周期比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制”（TimeRatioControl,缩写为TRC）。
按TRC控制原理，有三种方式：
一、脉冲宽度调制（PulseWidthModulation,缩写为PWM）
开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。
二、脉冲频率调制（PulseFrequencyModulation,缩写为PFM）
导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。
三、混合调制
导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。
第三节开关电源的发展和趋势
[关键词] 开关电源 设计
图1是一个普遍应用的反激式（或称为回扫式）开关电源工作原理图，50Hz或60Hz交流电网电压首先经整流堆整流，并向储能滤波电容器C5充电，然后向变压器T1与开关管V1组成的负载回路供电。图2是进行过电磁兼容设计后的电气原理图。
图1 图2
1、对电流谐波的抑制
一般电容器C5的容量很大，其两端电压纹波很小，大约只有输入电压的10%左右，而仅当输入电压Ui大于电容器C5两端电压的时候，整流二极管才导通，因此在输入电压的一个周期内，整流二极管的导通时间很短，即导通角很小。这样整流电路中将出现脉冲尖峰电流。
这种脉冲尖峰电流如用傅立叶级数展开，将被看成由非常多的高次谐波电流组成，这些谐波电流将会降低电源设备的使用效率，即功率因数很低，并会倒灌到电网，对电网产生污染，严重时还会引起电网频率的波动，即交流电源闪烁。脉冲电流谐波和交流电源闪烁测试标准为：IEC61000-3-2及IEC61000-3-3。一般测试脉冲电流谐波的上限是40次谐波频率。
解决整流电路中出现脉冲尖峰电流过大的方法是在整流电路中串联一个功率因数校正(PFC)电路，或差模滤波电感器。PFC电路一般为一个并联式升压开关电源，其输出电压一般为直流400V，没有经功率因数校正之前的电源设备，其功率因数一般只有0.4~0.6，经校正后最高可达到0.98。PFC电路虽然可以解决整流电路中出现脉冲尖峰电流过大的问题，但又会带来新的高频干扰问题，这同样也要进行严格的EMC设计。用差模滤波电感器可以有效地抑制脉冲电流的峰值，从而降低电流谐波干扰，但不能提高功率因数。
图2中的L1为差模滤波电感器，差模滤波电感器一般用矽钢片材料制作，以提高电感量，为了防止大电流流过差模滤波电感器时产生磁饱和，一般差模滤波电感器的两个组线圈都各自留有一个漏感磁回路。
L1差模滤波电感可根据试验求得，也可以根据下式进行计算：
E=L*di/dt (1)
式中E为输入电压Ui与电容器C5两端电压的差值，即L1两端的电压降，L为电感量，di/dt为电流上升率。显然，要求电流上升率越小，则要求电感量就越大。
2、对振铃电压的抑制
由于变压器的初级有漏感，当电源开关管V1由饱和导通到截止关断时会产生反电动势，反电动势又会对变压器初级线圈的分布电容进行充放电，从而产生阻尼振荡，即产生振铃。变压器初级漏感产生反电动势的电压幅度一般都很高，其能量也很大，如不采取保护措施，反电动势一般都会把电源开关管击穿，同时反电动势产生的阻尼振荡还会产生很强的电磁辐射，不但对机器本身造成严重干扰，对机器周边环境也会产生严重的电磁干扰。
图2中的D1、R2、C6是抑制反电动势和振铃电压幅度的有效电路，当变压器初级漏感产生反电动势时，反电动势通过二极管D1对电容器C6进行充电，相当于电容器把反电动势的能量吸收掉，从而降低了反电动势和振铃电压的幅度。电容器C6充满电后，又会通过R2放电，正确选择RC放电的时间常数，使电容器在下次充电时的剩余电压刚好等于方波电压的幅度，此时电源的工作效率最高。
3、对传导干扰信号的抑制
图1中，当电源开关管V1导通或者关断时，在电容器C5、变压器T1的初级和电源开关管V1组成的电路中会产生脉动直流i1，如果把此电流回路看成是一个变压器的“初级线圈”，由于电流i1的变化速率很高，它在“初级线圈”中产生的电磁感应，也会对周围电路产生电磁感应，我们可以把周围电路都看成是同一变压器的多个“次级线圈”，同时变压器T1的漏感也同样对各个“次级线圈”产生感应作用，因此电流i1通过电磁感应，在每个“次级线圈”中都会产生的感应电流，我们分别把它们记为i2、i3、i4 …。
其中i2和i3是差模干扰信号，它们可以通过两根电源线传导到电网的其它线路之中和干扰其它电子设备；i4是共模干扰信号，它是电流i1回路通过电磁感应其它电路与大地或机壳组成的回路产生的，并且其它电路与大地或机壳是通过电容耦合构成回路的，共模干扰信号可以通过电源线与大地传导到电网其它线路之中和干扰其它电子设备。
与电源开关管V1的集电极相连的电路，也是产生共模干扰信号的主要原因，因为在整个开关电源电路中，数电源开关管V1集电极的电位最高，最高可达600V以上，其它电路的电位都比它低，因此电源开关管V1的集电极与其它电路(也包括电源输入端的引线)之间存在很强的电场，在电场的作用下，电路会产生位移电流，这个位移电流基本属于共模干扰信号。
图2中的电容器C1、C2和差模电感器L1对i1、i2和i3差模干扰信号有很强的抑制能力。由于C1、C2在电源线拔出时还会带电，容易触电伤人，所以在电源输入的两端要接一个放电电阻R1。
对共模干扰信号i4要进行完全抑制，一般很困难，特别是没有金属机壳屏蔽的情况下，因为在感应产生共模干扰信号的回路中，其中的一个“元器件”是线路板与大地之间的等效电容，此“元器件”的数值一般是不稳定的，进行设计时对指标要留有足够的余量。图2中L2和C3、C4是共模干扰信号抑制电路器件，在输入功率较大的电路中，L2一般要用两个，甚至三个，其中一个多为环形磁心电感。
根据上面分析，产生电磁干扰的原因主要是i1流过的主要回路，这个回路主要由电容器C5、变压器T1初级和电源开关管V1组成，根据电磁感应原理，这个回路产生的感应电动势为：
e=dψ/dt=S*dB/dt (2)
式中e为感应电动势，ψ为磁通量，S电流回路的面积，B为磁感应密度，其值与电流强度成正比，dψ/dt为磁通变化率。由此可见，感应电动势与电流回路的面积成正比。因此要减少电磁干扰，首先是要设法减小电流回路的面积，特别是i1电流流过的回路面积。另外，为了减少变压器漏感对周围电路产生电磁感应的影响，一方面要求变压器的漏感要做得小，另一方面一定要在变压器的包一层薄铜皮，以构成一个低阻抗短路线圈，把漏感产生的感应能量通过涡流损耗掉。
一、从原理图到pcb的设计流程 建立元件参数－>输入原理网表->设计参数设置->手工布局->手工布线->验证设计－>复查->cam输出。
二、参数设置相邻导线间距必须能满足电气安全要求，而且为了便于操作和生产，间距也应尽量宽些。最小间距至少要能适合承受的电压，在布线密度较低时，信号线的间距可适当地加大，对高、低电平悬殊的信号线应尽可能地短且加大间距，一般情况下将走线间距设为8mil。
焊盘内孔边缘到印制板边的距离要大于1mm，这样可以避免加工时导致焊盘缺损。当与焊盘连接的走线较细时，要将焊盘与走线之间的连接设计成水滴状，这样的好处是焊盘不容易起皮，而是走线与焊盘不易断开。
三、元器件布局实践证明，即使电路原理图设计正确，印制电路板设计不当，也会对电子设备的可靠性产生不利影响。例如，如果印制板两条细平行线靠得很近，则会形成信号波形的延迟，在传输线的终端形成反射噪声；由于电源、地线的考虑不周到而引起的干扰，会使产品的性能下降，因此，在设计印制电路板的时候，应注意采用正确的方法。每一个开关电源都有四个电流回路：
(1). 电源开关交流回路
(2). 输出整流交流回路
(3). 输入信号源电流回路
(4). 输出负载电流回路输入回路通过一个近似直流的电流对输入电容充电，滤波电容主要起到一个宽带储能作用；类似地，输出滤波电容也用来储存来自输出整流器的高频能量，同时消除输出负载回路的直流能量。所以，输入和输出滤波电容的接线端十分重要，输入及输出电流回路应分别只从滤波电容的接线端连接到电源；如果在输入/输出回路和电源开关/整流回路之间的连接无法与电容的接线端直接相连，交流能量将由输入或输出滤波电容并辐射到环境中去。电源开关交流回路和整流器的交流回路包含高幅梯形电流，这些电流中谐波成分很高，其频率远大于开关基频，峰值幅度可高达持续输入/输出直流电流幅度的5倍，过渡时间通常约为50ns。这两个回路最容易产生电磁干扰，因此必须在电源中其它印制线布线之前先布好这些交流回路，每个回路的三种主要的元件滤波电容、电源开关或整流器、电感或变压器应彼此相邻地进行放置，调整元件位置使它们之间的电流路径尽可能短。建立开关电源布局的最好方法与其电气设计相似，最佳设计流程如下：
· 放置变压器
· 设计电源开关电流回路
· 设计输出整流器电流回路
· 连接到交流电源电路的控制电路
· 设计输入电流源回路和输入滤波器 设计输出负载回路和输出滤波器根据电路的功能单元，对电路的全部元器件进行布局时，要符合以下原则：
(1) 首先要考虑pcb尺寸大小。pcb尺寸过大时，印制线条长，阻抗增加，抗噪声能力下降，成本也增加；过小则散热不好，且邻近线条易受干扰。电路板的最佳形状矩形，长宽比为3：2或4：3，位于电路板边缘的元器件，离电路板边缘一般不小于2mm。
(2) 放置器件时要考虑以后的焊接，不要太密集.
(3) 以每个功能电路的核心元件为中心，围绕它来进行布局。元器件应均匀、 整齐、紧凑地排列在pcb上，尽量减少和缩短各元器件之间的引线和连接, 去耦电容尽量靠近器件的vcc。
(4) 在高频下工作的电路，要考虑元器件之间的分布参数。一般电路应尽可能使元器件平行排列。这样，不但美观，而且装焊容易，易于批量生产。
(5) 按照电路的流程安排各个功能电路单元的位置，使布局便于信号流通，并使信号尽可能保持一致的方向。
(6) 布局的首要原则是保证布线的布通率，移动器件时注意飞线的连接，把有连线关系的器件放在一起。
(7) 尽可能地减小环路面积,以抑制开关电源的辐射干扰。
四、布线开关电源中包含有高频信号，pcb上任何印制线都可以起到天线的作用，印制线的长度和宽度会影响其阻抗和感抗，从而影响频率响应。即使是通过直流信号的印制线也会从邻近的印制线耦合到射频信号并造成电路问题(甚至再次辐射出干扰信号)。因此应将所有通过交流电流的印制线设计得尽可能短而宽，这意味着必须将所有连接到印制线和连接到其他电源线的元器件放置得很近。印制线的长度与其表现出的电感量和阻抗成正比，而宽度则与印制线的电感量和阻抗成反比。长度反映出印制线响应的波长，长度越长，印制线能发送和接收电磁波的频率越低，它就能辐射出更多的射频能量。根据印制线路板电流的大小，尽量加租电源线宽度，减少环路电阻。 同时、使电源线、地线的走向和电流的方向一致，这样有助于增强抗噪声能力。接地是开关电源四个电流回路的底层支路，作为电路的公共参考点起着很重要的作用，它是控制干扰的重要方法。因此，在布局中应仔细考虑接地线的放置，将各种接地混合会造成电源工作不稳定。在地线设计中应注意以下几点：
1. 正确选择单点接地通常，滤波电容公共端应是其它的接地点耦合到大电流的交流地的唯一连接点，同一级电路的接地点应尽量靠近，并且本级电路的电源滤波电容也应接在该级接地点上，主要是考虑电路各部分回流到地的电流是变化的，因实际流过的线路的阻抗会导致电路各部分地电位的变化而引入干扰。在本开关电源中，它的布线和器件间的电感影响较小，而接地电路形成的环流对干扰影响较大，因而采用一点接地，即将电源开关电流回路 （中的几个器件的地线都连到接地脚上，输出整流器电流回路的几个器件的地线也同样接到相应的滤波电容的接地脚上，这样电源工作较稳定，不易自激。做不到单点时，在共地处接两二极管或一小电阻，其实接在比较集中的一块铜箔处就可以。
2. 尽量加粗接地线 若接地线很细，接地电位则随电流的变化而变化，致使电子设备的定时信号电平不稳，抗噪声性能变坏，因此要确保每一个大电流的接地端采用尽量短而宽的印制线，尽量加宽电源、地线宽度，最好是地线比电源线宽，它们的关系是：地线＞电源线＞信号线，如有可能，接地线的宽度应大于3mm，也可用大面积铜层作地线用,在印制板上把没被用上的地方都与地相连接作为地线用。进行全局布线的时候，还须遵循以下原则：
(1).布线方向：从焊接面看，元件的排列方位尽可能保持与原理图相一致，布线方向最好与电路图走线方向相一致，因生产过程中通常需要在焊接面进行各种参数的检测，故这样做便于生产中的检查，调试及检修（注：指在满足电路性能及整机安装与面板布局要求的前提下）。
(2).设计布线图时走线尽量少拐弯，印刷弧上的线宽不要突变，导线拐角应≥90度,力求线条简单明了。
(3).印刷电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。即让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去，在特殊情况下如何电路很复杂，为简化设计也允许用导线跨接，解决交叉电路问题。因采用单面板，直插元件位于top面，表贴器件位于bottom面，所以在布局的时候直插器件可与表贴器件交叠，但要避免焊盘重叠。
3．输入地与输出地本开关电源中为低压的dc－dc，欲将输出电压反馈回变压器的初级，两边的电路应有共同的参考地，所以在对两边的地线分别铺铜之后，还要连接在一起，形成共同的地。
五、检查 布线设计完成后，需认真检查布线设计是否符合设计者所制定的规则，同时也需确认所制定的规则是否符合印制板生产工艺的需求，一般检查线与线、线与元件焊盘、线与贯通孔、元件焊盘与贯通孔、贯通孔与贯通孔之间的距离是否合理，是否满足生产要求。 电源线和地线的宽度是否合适，在pcb中是否还有能让地线加宽的地方。注意： 有些错误可以忽略，例如有些接插件的outline的一部分放在了板框外，检查间距时会出错；另外每次修改过走线和过孔之后，都要重新覆铜一次。
六、复查根据“pcb检查表”，内容包括设计规则，层定义、线宽、间距、焊盘、过孔设置，还要重点复查器件布局的合理性，电源、地线网络的走线，高速时钟网络的走线与屏蔽，去耦电容的摆放和连接等。
七、设计输出 输出光绘文件的注意事项：
在任何开关电源设计中，pcb板的物理设计都是最后一个环节，如果设计方法不当，pcb可能会辐射过多的电磁干扰，造成电源工作不稳定，以下针对各个步骤中所需注意的事项进行分析:
3).印刷电路中不允许有交叉电路，对于可能交叉的线条，可以用“钻”、“绕”两种办法解决。即让某引线从别的电阻、电容、三极管脚下的空隙处“钻”过去，或从可能交叉的某条引线的一端“绕”过去，在特殊情况下如何电路很复杂，为简化设计也允许用导线跨接，解决交叉电路问题。因采用单面板，直插元件位于top面，表贴器件位于bottom面，所以在布局的时候直插器件可与表贴器件交叠，但要避免焊盘重叠。
【关键词】双电源转换开关；可靠性；选择与应用
中图分类号：O434文献标识码： A
双电源自动转换开关，由一个（或几个）转换开关电器和其他必需的电器（转换控制器）组成，用于监测电源电路，并将一个或几个负载电路从一个电源转换至另一个电源的开关电器。作为消防负荷和其他重要负荷的末端互投装置，双电源自动转换开关在重要负荷的供电系统中是不可缺少和重要的一个环节。所以其性能应符合相关标准要求的重要性也越来越强。其中，转换时间也是考核双电源自动转换开关性能的重要指标之一。但是，因为双电源自动转换开关的特殊构造，其转换试验方法又有别于其它普通的低压开关电器，而且目前并无精确测量转换时间的成熟设备
一、双电源转换开关的现状分析
在上个世纪80年代初期，我国对双电源转换开关的研制还处于空白阶段，一些需要双电源切换的场所不得不采用手动式双投刀开关。到了80年代中期，针对国内市场对双电源转换开关的需求现状，一些电器商相继从日本、法国、韩国和美国等国家引进了一些双电源转换开关，这在一定程度上丰富了我国的电器元件市场，极大程度地缓解了国内对双电源转换开关电气设备的需求。双电源转换开关自诞生以来经历了以下四个发展阶段：第一个阶段是两接触器型转换开关。这是我国最早生产出来的双电源转换开关，该装置虽然整体结构较为简单、价格低廉，但是其在电压检测功能方面略显不足，并且能耗较大，同时线圈长时间处于通电状态非常容易烧毁，不适用于可靠性要求较高的场所；第二阶段是两断路器式转换开关，即CB级ATSE。该装置具有过电流保护功能，属于保护和电源切换一体化的装置；第三阶段是励磁式专用转换开关。该装置主要是由一个励磁式接触器和控制器构成的，它的机械联锁较为可靠，转换由电磁线圈产生吸引力来驱动开关，速度较快。从双电源转换开关的概念角度上讲，该装置属于PC级的ASTE；第四阶段是电动式专用转换开关，该装置也归属于PC级ASTE的范畴。它的主体是负荷开关，属于机电一体化的开关电器设备，转换机构则是由电机或是励磁驱动，整个转换过程较为平稳且速度相对较快，同时还可以配过零位功能。然而，因为PC级ASTE本身不带保护功能，因而需要加装断路器等保护装置，这样才能实现过流和短路等保护功能。
二、双电源转换开关电气的选择
CB级双电源转换开关具备短路保护功能和双电源切换功能，大幅度地减少了连接点，相比较PC级双电源转换开关而言，具有明显的低价格优势。由于双电源开关必须保障电源的可靠供电，所以不允许其存在过载切换，即不能使用具备过载保护功能的断路器作为双电源开关主触头的开关电器。通常在电气工程设计中，应当尽量选用塑壳断路器，避免选用微型断路器。此外，CB级双电源转换开关的低压断路器与上下级出线回路低压断路器的选型必须满足配电保护选择性要求，避免存在上下级同时出现跳闸问题。当使用一台双电源转换开关带动若干路负荷时，极易因某路负荷回路出现故障而致使出现同时跳闸现象。因双电源转换开关只具备检测进线端电源状态的功能，所以在电源侧电压和频率均处于正常运行的情况下，双电源转换开关的控制器根本无法检测到电源故障，不能实现开关的自动转换操作，从而导致同一双电源转换开关下其他重要负荷电源易发生供电中断的事故。由此分析可知，在电气工程设计时，应当避免在重要负荷（如消防负荷）中采用CB级双电源转换开关。
PC级双电源转换开关仅具备电源转换功能，而不具备过载保护和短路保护功能，同时该类双电源转换开关拥有独立一体式结构形式、耐短路电流冲击性强、主触头切换容量大、操作机构简单、转换速度快、抗氧化性能强等特点。当双电源转换开关的前端与后端出现选择性保护不当而引起同时跳闸时，双电源转换开关能够及时检测到电源停电状况，进行转换到备用电源的操作，进而保障其他重要负荷供电不受其影响。因此，应对一级负荷、二级负荷采用PC级双电源转换开关，以达到提高设备供电可靠性的目的。
三、双电源转换开关的具体应用
（一）考虑技术因素
双电源转换开关不仅要完成负载在两路电源间的选择和转换，还要根据供电电路中出现的复杂情况（如设备频繁操作、过负荷、短路电流冲击等）作出反应。所以，在选择和应用双电源转换开关时必须充分考虑技术因素，如供电系统配电方式、负载使用性质以及转换时间等因素。
（二）三位式双电源转换开关的应用
三位式双电源转换开关主要适用于市电与发电机电源转换。在正常电源一旦发生一相断相时，双电源转换开关必须及时切断电源，并使其自身置于零位，直到发电机稳定送电一段时间之后，再将其置于发电机位置。通常情况下，转换应当集中装设在低压配电室的母线上，以便于日常维护。因发电机组的输出柜自身配备了保护电器，所以应当在该转换设计中选用PC级双电源转换开关。
（三）双电源转换开关极数的应用
一般情况下，双电源转换开关可分为两极、三极、四极，在选择开关极数时应当以配电系统为依据。两极双电源转换开关适用于单相电路，三极双电源转换开关适用于三相电路，四极双电源转换开关适用于拥有两个不同输入电源的接地系统，同时也适用于需满足剩余电流保护的配电系统。在采用四极双电源转换开关时，能够实现三相电路带中性线的转换，完全隔离两套系统，确保两套系统独立运行。
（四）PC级双电源转换开关的应用
当消防负荷容量大且较为集中时，需要在低压配电室的母线上直接放射作双电源转换，或者需要在电源进线后直接作双电源转换的场合，如消防水泵房等，在选择双电源转换开关时应满足放射式供电要求，选用PC级双电源转换开关，而不宜选用CB级双电源转换开关，从而避免因开关电气自身故障而导致电源转换失误，造成事故损失。
（五）双电源转换开关在关键电气设备中的应用
对于消防排烟机、消防泵、防火卷帘门等关键的电气设备而言，必须配置两套设备，当一套设备发生故障，可以利用双电源转换开关的自动转换功能，切换至正常设备运行。两台双电源转换开关电气要分别负责双路电源自动转换和主、备设备的自动使用。目前，这种双电源转换开关的设计方案得到了广泛应用，不仅能够考虑电源和设备因素，还能够保障关键用途设备的正常运行。
四、结 论
总而言之，双电源转换开关作为一种低压配电产品，其可靠性对于较为重要负荷的供电十分重要。由于我国对双电源转换开关的研究起步较晚，应用也尚处于初级阶段，为此，在今后一段时期内，应将研究的重点放在电源转换时对设备的影响上，这有利于双电转换开关的进一步推广应用。
参考文献：
[1]葛世伟.陶良明.王兴利.王旭川.陈召军.一种新型的微断型双电源自动转换开关[J].低压电器.2009（17）.
[2]王志平.PC级双电源自动转换开关（ATSE）在工程中的应用[A].第七届全国石油和化学工业电气技术交流研讨会论文集选编[C].2009（7）.
[3]李雨.丁鸿杰.齐从谦.双供电系统实时监控和自动切换装置的研制[J].工业仪表与自动化装置.2008（05）.
一款好的LED开关电源除了需要稳定、高效、可靠外,电路的各种保护措施也必须精心设计,避免在复杂环境条件下能够迅速的对开关电源电路和负载进行有效保护,本文介绍LED开关电源的几种常见保护电路。
过电流保护电路
在直流LED开关电源电路中,为了保护调整管在电路短路、电流增大时不被烧毁。其基本方法是,当输出电流超过某一值时,调整管处于反向偏置状态,从而截止,自动切断电路电流。过电流保护电路由三极管BG2 和分压电阻R4、R5组成。电路正常工作时,通过R4与R5的压作用,使得BG2 的基极电位比发射极电位高,发射结承受反向电压。于是BG2 处于截止状态(相当于开路),对稳压电路没有影响。当电路短路时,输出电压为零,BG2 的发射极相当于接地,则BG2 处于饱和导通状态(相当于短路),从而使调整管BG1 基极和发射极近于短路,而处于截止状态,切断电路电流,从而达到保护目的。
过电压保护电路
直流LED开关电源中开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。如果开关稳压器所使用的未稳压直流电源(诸如蓄电池和整流器)的电压如果过高,将导致开关稳压器不能正常工作,甚至损坏内部器件,因此LED开关电源中有必要使用输入过电压保护电路。当输入直流电源的电压高于稳压二极管的击穿电压值时,稳压管击穿,有电流流过电阻R,使晶体管T导通,继电器动作,常闭接点断开,切断输入。输入电源的极性保护电路可以跟输入过电压保护结合在一起,构成极性保护鉴别与过电压保护电路。
软启动保护电路
开关稳压电源的电路比较复杂,开关稳压器的输入端一般接有小电感、大电容的输入滤波器。在开机瞬间,滤波电容器会流过很大的浪涌电流,这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化,并使输入保险丝熔断。另外,浪涌电流也会损害电容器,使之寿命缩短,过早损坏。为此,开机时应该接入一个限流电阻,通过这个限流电阻来对电容器充电。为了不使该限流电阻消耗过多的功率,以致影响开关稳压器的正常工作,而在开机暂态过程结束后,用一个继电器自动短接它,使直流电源直接对开关稳压器供电,这种电路称之谓直流LED开关电源的“软启动”电路 。
在电源接通瞬间,输入电压经整流桥(D1~D4)和限流电阻R1对电容器C充电,限制浪涌电流。当电容器C充电到约80%额定电压时,逆变器正常工作。经主变压器辅助绕组产生晶闸管的触发信号,使晶闸管导通并短路限流电阻R1,LED开关电源处于正常运行状态。
过热保护电路
直流LED开关电源中开关稳压器的高集成化和轻量小体积,使其单位体积内的功率密度大大提高,因此如果电源装置内部的元器件对其工作环境温度的要求没有相应提高,必然会使电路性能变坏,元器件过早失效。因此在大功率直流LED开关电源中应该设过热保护电路。
本文采用温度继电器来检测电源装置内部的温度,当电源装置内部产生过热时,温度继电器就动作,使整机告警电路处于告警状态,实现对电源的过热保护。在保护电路中将P型控制栅热晶闸管放置在功率开关三极管附近,根据TT102的特性(由Rr值确定该器件的导通温度,Rr越大,导通温度越低),当功率管的管壳温度或者装置内部的温度超过允许值时,热晶闸管就导通,使发光二极管发亮告警。倘若配合光电耦合器,就可使整机告警电路动作,保护 LED开关电源。
关键词：开关电源的电磁干扰 抑制技术
中图分类号： TL62+9 文献标识码： A
前言
开关电源是目前电子设备中应用最为广泛的一种电源装置，具有功耗低、效率高、体积小等显著优点，主要应用在计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备和家用电器等系统中，其性能的优劣直接关系到整个系统安全性和可靠性的高低。
一、开关电源电磁干扰的产生机理
1 二极管的反向恢复时间引起的干扰
高频整流回路中的整流二极管正向导通时有较大的正向电流流过，在其受反偏电压而转向截止时，由于PN结中有较多的载流子积累，因而在载流子消失之前的一段时间里，电流会反向流动，致使载流子消失的反向恢复电流急剧减少而发生很大的电流变化(di／dt)。
2 开关管工作时产生的谐波干扰
一般情况下，功率开关管在导通时，都会流过较大的脉冲电流。例如正激型、推挽型和桥式变换器的输入电流波形在阻性负载时近似为矩形波，其中含有丰富的高次谐波分量。当采用零电流、零电压开关时，这种谐波干扰将会很小。另外，功率开关管在截止期间，高频变压器绕组漏感引起的电流突变，也会产生尖峰干扰。
3 交流输入回路产生的干扰
无工频变压器的开关电源输入端整流管在反向恢复期间会引起高频衰减振荡产生干扰。开关电源产生的尖峰干扰和谐波干扰能量，通过开关电源的输入输出线传播出去而形成的干扰称为传导干扰；而谐波和寄生振荡的能量，通过输入输出线传播时，都会在空间产生电场和磁场，这种通过电磁辐射产生的干扰称为辐射干扰。
4 其他原因
元器件的寄生参数，开关电源的原理图设计不够完美，印刷线路板(PCB)走线通常采用手工布置，具有很大的随意性，PCB的近场干扰大，并且印刷板上器件的安装、放置以及方位的不合理都会造成EMI干扰。
在电力电子系统中，主要的干扰源是功率变换部分和变压器部分(DC／DC部分)；尽管噪声频谱很宽，但主要分布在低频段。功率变换部分和控制模块一般都安装在同一个PCB上。前者在多数情况下都是干扰源；后者则属于弱电部分，是敏感设备。PCB走线通常采用手工布线，具有更大的随意性，因而增加了PCB分布参数的提取和近场干扰估计的难度，因而控制模块可能会受到干扰而不能正常工作。
5 开关电源EMI的特点
作为工作于开关状态的能量转换装置，开关电源的电压、电流变化率很高，产生的干扰强度较大；干扰源主要集中在功率开关期间以及与之相连的散热器和高平变压器，相对于数字电路干扰源的位置较为清楚；开关频率不高(从几十千赫兹到数兆赫兹)，主要的干扰形式是传导干扰和近场干扰。
二、开关电源工作时的噪声源及抑制
1开关电源工作时的噪声源
产生噪声的来源很多, 如外来干扰、机械振动、电路设计不当、元件选择不当以及结构布局
或布线不合理造成的电源噪声增大等。 在开关稳压器中, 功率三极管和二极管在开-关翻转过程中所产生的射频能量已成为噪声的主要来源之一。 由于频率较高, 它以电磁能的形式直接向空间辐射, 或以干扰电流的形式沿着输入、输出端的导线传送。 开关电源工作时所产生的高次谐波窜入公用电网, 对使用公用电源的其他电子设备产生干扰, 同时其本身也受到来自公用电网及空间的EMI 信号的干扰。
2噪声源的抑制
（1）采用无源滤波器
抑制高次谐波电流噪声最简单的方法是在电源的输入部分附加扼流圈。 这种方式的优点是增加元件数量少、可靠性高且成本低廉, 但因附加扼流圈而使体积增大。 对EMI 信号的抑制可用EMI 滤波器。 EMI 滤波器包括电源EMI 滤波器、信号线EMI 滤波器、损耗线EMI 滤波器、印刷电路板EMI 滤波器等。它是由正态电感器和共模电感器组合而成的。 前半部是正态电感器, 其作用是抑制高次谐波; 后半部是由共模电感器和电容构成的EMI 滤波器, 抑制EMI 信号。 共模电感器L1、L2 是绕在磁环上的两只独立线圈, 线圈匝数相同, 绕向相反, 致使滤波器接入电路后, 两只线圈内电流产生的磁通在磁环内相互抵消, 不会使磁环达到磁饱和状态, 从而使两只线圈的电感值保持不变。 磁环的另一个作用是对有用信号( 基带信号) 相当于短路不产生任何影响, 专门吸收调频干扰信号能量, 可提高抗干扰能力和静电放电( ESD) 干扰能力。 但是, 由于种种原因, 如磁环的材料不可能做到绝对均匀, 两只线圈的绕组也不可能完全对称, 使L1、L2 的电感量不相等, 于是L1、L2 之间存在电感量差值, 称之为差模电感。 共模线圈和Cx 组成L- N 独立端口间的一只低通滤波器, 用来抑制电源上存在的差模信号。 如果在相线和中线的共模干扰电平不相等, 在Cx 电容器上就会出现共模电流, 在Cx 电容上引起共模压降, 进一步降低共模干扰电平。
（2）采用有源滤波器
采用有源滤波器能使用较小容量的滤波电容来达到较好的滤波效果。 图2 所示电路是一种有源滤波器电路。 它是利用晶体管的电流放大作用, 通过把发射极的电流折合到基极, 在基极回路来滤波。 R1、C2 组成的滤波器使基极纹波很小, 这样射极纹波也很小。 由于C2 的容量小于C3, 减少了电容的体积。 这种方式仅适合低压小功率电源的情况。
（3）采用双变换器方式
在开关电源中采用双变换器方式进行高次谐波抑制是目前常用的方法。 所谓双变换器方式, 利用前级的升( 降) 压斩波器, 在输入电流波形正弦波化后, 由PFC 电路对其功率因素进行改善控制, 同时利用后级的DC- DC 变换器进行输出稳定化控制。 实质上, 变换器起到有源滤波器的作用。 这种方式尤其适合高压大功率电源的情况。
（4）采用零电压开关、零电流开关电路
采用零电压、零电流开关技术可以使高次谐波抑制和EMI 信号抑制能力得到很大的提高。开关电源在开关工作时, 由于储能元件的储存及释放电能是造成电磁干扰的关键原因, 因此, 如果能实现开关电源在零电压、零电流时进行转换, 就可以有效地抑制干扰。 零电压、零电流开关技术是目前抑制开关电源干扰的一种最新技术。 它分为软开关启动技术和串联谐振变换技术。
软开关启动技术: 开关电源的输入通常是由交流电网供电, 经整流滤波产生输出。 由于电压高、电容量较大, 在电源合闸瞬间将产生很大的充电电流, 其最大峰值电流可达稳定值的几十倍。 这种冲击电流后果会给输入电网造成很高幅度的尖峰干扰。 软启动技术是在输入回路中接入限流电阻, 待启动完成后再将串接电阻短路。
串联谐振变换技术: 由于开关电源通常采用PWM( 脉冲宽度调制) 方式, 这种方式的主要问题是元件进行接通和断开时, 会产生电磁干扰、浪涌电压及开关损耗。 所谓谐振方式是指在开关电路中设置由电感和电容构成的谐振电路, 使电路的电压或者电流谐振, 并当其电压或电流变为零时, 使主电路开关接通或者断开。 即当开关元件之间的电压为零时, 施加接通信号, 并使断开时的电压为零伏, 即实现零电压开关, 使开关的电流上升缓缓变化, 实现零电流开关。 采用集成电路UC1864 或UC1865 便可实现零电压开关或零电流开关。
（5）其他技术
在开关电源中, 抑制EMI 信号和高次谐波的方式还有许多, 如元件在电路板上的布放方法、尺寸、位置, 采用简化电路程式; 在变换器上设置第三绕组; 简化PFC 电路、减少开关器件数量; 采用保护电路, 当浪涌电压进入时, 禁止大电流流过开关器件等。
结束语
随着现代电力电子技术的发展及半导体功率变换器件性能的不断提高，开关电源技术越来越成熟，价格也逐步接近传统的线性电源，其应用范围也日益广泛。
参考文献
[1] 王敬斌。开关电源的电磁干扰及抑制技术[J]. 广东输电与变电技术. 2009(03)
引言
饱和电感是一种磁滞回线矩形比高，起始磁导率高，矫顽力小，具有明显磁饱和点的电感，在电子电路中常被当作可控延时开关元件来使用。由于其独特的物理特性，使之在高频开关电源的开关噪声抑制，大电流输出辅路稳压，移相全桥变换器，谐振变换器及逆变电源等方面得到了日益广泛的应用。
图1 饱和电感的B-H特性
1 饱和电感的分类及其物理特性
1.1 饱和电感的分类
饱和电感可分为自饱和和可控饱和二类。
1.1.1 自饱和电感（Saturable inductor）
其电感量随通过的电流大小可变。若铁心磁特性是理想的（例如呈矩形），如图1（a）所示，则饱和电感工作时，类似于一个“开关”，即绕组中的电流小时，铁心不饱和，绕组电感很大，相当于“开路”；绕组中电流大时，铁心饱和，绕组电感小，相当于开关“短路”。
1.1.2可控饱和电感（controlled saturable inductor）
又称可控饱和电抗器（controlled saturable reactor），其基本原理是，带铁心的交流线圈在直流激磁作用下，由于交直流同时激磁，使铁心状态一周期内按局部磁回线变化，因此，改变了铁心等效磁导率和线圈电感。若铁心磁特性是理想的（B－H特性呈矩形），则可控饱和电感类似于一个“可控开关”。在开关电源中，应用可控饱和电感可以吸收浪涌，抑制尖峰，消除振荡，与快速恢复整流管串联时可使整流管损耗减小。如图1（b）所示，可控饱和电感具有高磁滞回线矩形比（Br/Bs），高起始磁导率μi，低矫顽力Hc，明显的磁饱和点（A，B）及由于其磁滞回线所包围的面积狭小而使其高频磁滞损耗较小等特征。为此，可控饱和电感在应用方面的两个显著特点为
1）由于饱和磁场强度很小，所以，可饱和电感的储能能力很弱，不能被当作储能电感使用。可饱和电感的最大储能Em的理论值可用式（1）表示。
Em=μVH2/2 （1）
式中：μ为临界饱和点磁导率；
H为临界饱和点磁场强度；
V为磁性材料的有效体积。
2）由于可饱和电感的起始磁导率高，磁阻小，电感系数和电感量都很大，在施加外部电压时，电感内部起始电流增长缓慢，只有经过Δt的延时后，当电感线圈中的电流达到一定数值时，可饱和电感才会立即饱和，因而在电路中常被当作可控延时开关元件使用。
1.2 可饱和电感随电流变化的关系
因为，有气隙和无气隙的dB/di磁路的计算方法不同，所以，分别对两种情况进行讨论。
1.2.1 无气隙可饱和电感与电流的关系
无气隙可饱和电感L随电流变化的关系可用式（2）表示。
L=(W2S/l)f(WI/l) （2）
式中：W为电感绕组匝数；
I为激磁电流；
f为电感用磁性材料B～H曲线的对应函数；
S为磁性材料的截面积；
l磁性材料的为平均长度。
1.2.2 有气隙可饱和电感与电流的关系
任意给定一个导磁体磁路中磁感应强度B1，可由B=f(H)曲线求出导磁体磁路中的磁场强度H1。气隙中的H0值可用式（3）表示。
H0=B1/μ0==ab/[μ0(a+I0)(b+l0)]B1 （3）
式中：B0为空气隙磁感应强度；
a和b为磁路矩形截面积边长；
l0为气隙长度；
μ0为空气磁导率。
由磁路定律得I=(H1l+H9l0)/W。改变B值并重复上述步骤，可求出相应的I，得到一组B和I的关系数据。设这个B与I对应的函数为B=f1(I)。
在不考虑漏感时，电感的计算式可用式（4）表示。
L=（Wdφ）/dI=WS（dβ/dI) （4）
式中：为磁路磁通量。
则有气隙可饱和电感与电流的关系为
L=WSf1(I) （5）
2饱和电感在开关电源中的应用
2.1 尖峰抑制器
开关电源中尖峰干扰主要来自功率开关管和二次侧整流二极管的开通和关断瞬间。具有容易饱和，储能能力弱等特点的饱和电感能有效抑制这种尖峰干扰。将饱和电感与整流二极管串联，在电流升高的瞬间，它呈现高阻抗，抑制尖峰电流，而饱和后其饱和电感量很小，损耗小。通常将这种饱和电抗器作为尖峰抑制器。
在图2所示电路中，当S1导通时，D1导通，D2截至，由于可饱和电感Ls的限流作用，D2中流过的反向恢复电流的幅值和变化率都会显著减小，从而有效地抑制了高频导通噪声的产生。当S1关断时，D1截至，D2导通，由于Ls存在着导通延时时间Δt，这将影响D2的续流作用，并会在D2的负极产生负值尖峰电压。为此，在电路中增加了辅助二极管D3和电阻R1。
2.2 磁放大器
磁放大器是利用可控饱和电感导通延时的物理特性，控制开关电源的占空比和输出功率。该开关特性受输出电路反馈信号的控制，即利用磁芯的开关功能，通过弱信号来实现电压脉冲脉宽控制以达到输出电压的稳定。在可控饱和电感上加上适当的采样和控制器件，调节其导通延时的时间，就可以构成最常见的磁放大器稳压电路。
磁放大器稳压电路有电压型控制和电流型控制两种。图3所示为电压型复位电路，它包括电压检测及误差放大电路，复位电路和控制输出二极管D3，它是单闭环电压调节系统。
图4所示为移相全桥ZVSPWM开关电源磁放大器稳压器[2]。全桥开关电路变压器二次双半波整流各接一个磁放大器SR，其铁心绕有工作绕组和控制绕组。在正半周，当某输出整流管正偏（另一输出整流管反偏），变压器副边输出的方波脉冲加在相应的工作绕组上，使SR铁心正向磁化（增磁）；在负半周，该输出整流管反偏，和控制绕组串联的二极管D3正偏导通，在直流控制电流Ic的作用下，使该SR的铁心去磁（复位）。
控制电路的工作原理是：开关电源输出电压与基准比较后，经误差放大控制MOS管的栅极，MOS管提供与输出电压有关的磁放大器SR的控制电流Ic。
2.3 移相全桥ZVSPWM变换器
移相全桥ZVSPWM变换器结合了零电压开关准谐振技术和传统PWM技术两者的优点，工作频率固定，在换相过程中利用LC谐振使器件零电压开关，在换相完毕后仍然采用PWM技术传送能量，控制简单，开关损耗小，可靠性高，是一种适合于大中功率开关电源的软开关电路。但当负载很轻时，尤其是滞后桥臂开关管的ZVS条件难以满足。
将饱和电感作为移相全桥ZVSPWM变换器的谐振电感[3]，能扩大轻载下开关电源满足ZVS条件的范围。将其应用于弧焊逆变电源中[4]，可减少附加环路能量和有效占空比的损失，在保证效率的基础上，扩展了零电压切换的负载范围，提高了软开关弧焊逆变电源的可靠性。
将饱和电感与开关电源的隔离变压器二次输出整流管串联，可消除二次寄生振荡，减小循环能量，并使移相全桥ZVSPWM开关电源的占空比损失最小。
除此以外，将饱和电感与电容串接在移相全桥ZVSPWM开关电源变压器一次[5]，超前臂开关管按ZVS工作；当负载电流趋近于零时，电感量增大，阻止电流反向变化，创造了滞后臂开关管ZCS条件，实现移相全桥ZVZCSPWM变换器。
2.4 谐振变换器
采用串联电感或饱和电感的串联谐振变换器[6]如图5所示。当谐振电感电流工作在连续状态时，开关管为零电压/零电流关断，但开通是硬开通，存在开通损耗。反并联二极管为自然开通，但关断时有反向恢复电流，因此，反并联二极管必须采用快恢复二极管。为了减小开关管的开通损耗，实现零电流开通，可以使开关管串联电感或饱和电感。开关管开通之前，饱和电感电流为零。当开关管
开通时，饱和电感限制开关管的电流上升率，使开关管电流从零慢慢上升，从而实现开关管的零电流开通，同时改善了二极管的关断条件，消除了反向恢复问题。
2.5 逆变电源[7]逆变电源以其控制性能好，效率高，体积小等诸多优点，被广泛用于自动控制，电力电子及精密仪器等各个方面。它的性能与整个系统的品质息息相关，尤其是电源的动态性能。由于逆变电源自身的特点，其动态特性一直不够理想。
采用PWM和PFM控制的逆变电源，其工作原理决定了要得到平滑的电流电压波形，必须在其输出电路上加续流电感，而该电感正是影响逆变电源动态性能的主要因素。对于恒压源，电感电流与负载完全成反比关系；对于可控恒流源，要使电感电流由小变大，必然要以小的负载值作为前提，尽管不是完全的对应关系，但可以说电流的变化在某种程度上反映了负载的变化。
因此，采用随电流增大而减小的电感作为逆变电源的输出电感，可有效地改变电源输出电路的时间常数T，使其完全与R成反比（T=L/R），进而在负载变化范围内维持在一个相对较小的数值上，这样自然会提高动态性能。
