开关电源的设计与制作范例(3篇)
开关电源的设计与制作范文
关键词：开关电源；井下电机；PWM；UC1525A
中图分类号：F407.61文献标识码：A
井下智能钻井工具一般采用涡轮发电机作为电源，驱动井下电机控制执行机构工作，实现井下闭环控制。涡轮发电机输出的直流电压受泥浆脉冲影响，波动大，未经过开关稳压，导致电动机供电电压不稳定，在低速运行时不平稳，限制了电动机的低速性能，影响井下智能钻井工具正常工作。为此，设计了一种井下DC-DC开关电源，为井下电机提供稳定直流电压，确保电机在低速状态下平稳运行，进而提高井下智能钻井工具工作的可靠性及稳定性。
1总体设计方案
1.1总体电路设计
DC-DC电源工作在井下高温高压环境中，且靠近发电机及力矩电机震动源。在这种环境温度下，常规半导体电子器件及其组成的电路将难以可靠工作。本设计中输入电压高于输出电压，为尽可能减少所用器件以降低高温情况下因单个器件不稳定导致平均工作寿命减少的情况发生，对比其他电路结构及功率输出情况后，采用BUCK结构电路。开关频率定为3kHz，输入直流电压范围：90-220V，输出电压：48V±2V，输出电流：10A±2A，最大功；500W，最大外径：100mm，工作温度：125℃。
1.2主电路设计
主电路中，输出滤波电感采用铁硅吕磁环，以适应井下振动环境，电感按临界模式计算，为：
式中Vo为输出电压，Dmin为占空比最小值，Iomin为输出电流最小值，T为周期。
单个电感采用五个77191A7铁硅铝磁环叠加共绕，采用了多个磁环叠加绕制后并联使用。
输出端滤波电容最小值满足：
PWM控制电路核心部分采用了TI公司的UC1525A控制器，该控制器工作温度可到125℃，满足井下工作环境对器件的要求，输出级为两路图腾柱式输出，最大驱动电流200mA。
开关MOS管的源极是悬浮的，为形成相对的驱动电压Ugs，采用变压器隔离驱动，开关管采用MOSEFT，驱动功率相对较小，为加速MOSEFT快速导通和截止，减少开关损耗，输出端加入耦合电容和PNP型三极管。为防止由于变压器漏感带来的尖峰电压击穿MOSFET，采用钳位二极管。
考虑到井下高温强振的工作环境，高频变压器采用德国VAC公司超微晶磁材料VITROPERM500F（居里温度为600℃），VAC公司的超微晶材料VITROPERM500F用作开关电源功率变压器，铁损低，饱和磁通密度、磁导率高，可以抵抗强振动应力。
通过以上设计与计算，得到主电路电路设计图如图1所示。
1.3单端正激式辅助电源设计
为保证主电路PWM控制器稳定工作，引入辅助电源，为开关管驱动电路及两个PWM控制器UC1525A供电。设计参数12V/400mA，即该电路可实现输入60～200VDC，输出12V/400mA。由于主电路采用的是BUCK非隔离结构，辅助电源设计时为简化电路采用非隔离式，如图2所示。
辅助电源中，考虑涡轮发电机整流后的电压容易超出三极管极限参数，为保证稳定，自启动电路设计采用两个三极管串联使用，Rb1，Rb2，Rc1为限流电阻。C13上的电压给辅助电源上的PWM控制器提供启动时间，随后当变压器输出端有稳定电压时，将由输出端提供能量。为防止输出端负载对充电回路的影响，加入二极管D14。采用该种方法设计可以减少限流电阻上的损耗，保证辅助电源稳定启动，为主电路PWM控制器提供相对稳定的电源做好铺垫。
单端正激式变压器磁芯材料采用德国VAC公司的超微晶材料磁环W373，由于辅助电源功率较小，故开关频率可以取得稍大，开关电源频率为50KHz。
整流滤波电路设计同BUCK结构设计类似。控制器同样采用TI公司的UC1525A，与BUCK结构设计方法相同。
1.4开关电源热设计
本文所设计的开关电源在井下高温强振环境中工作，必须将发热器件产生的热量尽快发散出去，使温升控制在允许的范围之内，以保证可靠性。考虑工作环境特点，本设计采用散热片为开关电源散热。
MOS管采用IRFP460A，为尽可能好的散热，将功率管固定于散热片上，功率管和散热片之间加入导热系数好的散热硅脂。
2开关电源性能测试
为确保所设计的开关电源能够满足系统性能需求，在实验室对样机进行性能测试。
2.1开关电源基本功能测试
由于前端电压波动较大，为更好地看到效率与输出功率及输入电压波动情况，采用取样分别测量整流后电压70V、100V、145V、195V时效率随输出功率变化情况。测量输出功率时用直流档，测量整流前端输入功率时用有效值档，结果如表1所示。
2.2开关电源可靠性测试
满额功率输出时，温度达到动态平衡时开关管最大温升约为15℃（采用点温仪测试）。电压及纹波参数均未出现异常现象，常温特性比较好。电源性能良好，输出电压误差小于1V。经过近800次开关通断电，电路工作状况未发生问题，电路输出电压不受影响。
长时间工作于150℃时，电路板及开关器件均正常，随着负载功率上升，输出电压有下降趋势。
3结论
3.1应用于钻井井下的开关电源，其主电路拓扑形式选用BUCK电路，所用电子器件少，结构形式简单，能够满足井下狭小空间对于工具尺寸的要求。
3.2开关电源控制环路设计过程中需建立开关电源完整的小信号数学模型，并对其进行开环小信号分析，确保其稳定性。
3.3主电路与辅助电路设计中对输出滤波参数的计算一方面采用理论计算，一方面采用经验值并考虑温度等特性，器件选型上有一定余量，保证其稳定工作。
3.4在高温条件下，需要考察开关电源功率器件散热量和环境温度的平衡温度点以及功率器件在电源舱不同位置时的温升平衡点，确定功率器件最佳散热位置布局，实现开关电源温升最小化。
参考文献
[1]PRESSMANAL.开关电源设计[M].王志强，译.北京：电子工业出版社.2005.
[2]周习祥，杨赛良.BUCKDC/DC变换器最优化设计[J].电子设计工程，2010.
[3]赵负图.电源集成电路手册[M].化学工业出版社，2003.
开关电源的设计与制作范文
关键词：变配电站；自动化系统；电气设计
中图分类号：F406文献标识码：A文章编号：
前言
随着科学技术的发展，数字化变电站正在逐渐兴起。变配电站综合自动化系统在电力系统已经得到广泛应用,在工业与民用变配电站也开始推广应用。变配电站综合自动化系统是电力系统继电保护中最先进的技术,它与常规继电保护在电气设计上有着较大的区别。在其推广与应用过程中,变配电站二次电路设计也出现了许多新问题。
一、变配电站综合自动化系统的概述
利用计算机技术,将微机保护、自动控制与站内监控等功能集中在一起的计算机系统称为变配电站综合自动化系统。变配电站的自动控制主要有备用电源自动投切与母线电压自动切换。站内监控能将变配电站的电流、电压、功率、电能、频率与谐波等参数以及各种事故报警及时传输到计算机,使值班人员随时观察到变配电站的运行情况,及时发现与处理事故,减少事故停电时间。在小型变配电站可以不设置计算机,变配电站综合自动化装置有事故与预告报警输出干接点,可将其分别引到值班室中央信号屏,发生事故可以及时报警。值班人员可以随时到配电室,在变配电站综合自动化装置液晶显示屏上对变配电站的各种参数以及事故记录进行观察。在继电保护方面它有自诊断功能,保护整定简单方便,精度高。能随时观察到各种保护整定值,并可在线整定。随着产品质量不断提高,价格不断下降,其应用会越来越广泛。
二、电气设计内容
变配电站综合自动化系统的电气设计为二次电路设计。主要内容包括保护功能选择、操作电源设计、测量回路设计、控制回路设计、信号回路设计以及外部电缆设计。控制回路还包括备用电源自动投切与母线测量电压自动切换。变配电站一次供电方案确定后,便可进行一次单线系统图设计,选择开关柜与操动机构型号。然后即可进行变配电站综合自动化系统的二次电路设计。它首先要满足一次供电方案以及所选的开关柜与操动机构技术要求。变配电站综合自动化系统不会影响到一次供电方案以及开关柜与操动机构选择。
三、电气设计原则
在一次系统设计里面，变配电站采用计算机监测与控制后对一次系统接线没有影响，一次系统接线方式及供电方案仍按有关要求与规定进行设计。变配电站采用计算机监测与控制后，应发挥计算机的图形显示功能，模拟盘可以简化或取消；可以实现无人或少人值班，值班室面积可以减小，分散值班可以集中于一处值班。
四、变配电站自动化系统的电气设计要点
操作电源设计
操作电源是变配电站二次电路设计的内容之一。直流操作选用直流屏,采用蓄电池作为操作电源的后备,因而直流操作电源的可靠性是非常高的。由于直流屏的价格比较高,直流操作一般用于进出线回路比较多、供电可靠性要求比较高的变配电站。交流操作的价格比较低,用于出线回路比较少、重要性不高的中小型变配电站,操作电源直接取自电压互感器,事故跳闸由电流脱扣器来完成,其可靠性也比较高,但电流脱扣器整定比较困难。当进出线回路比较多,特别是采用变配电站综合自动化装置以后,操作电源为交流操作时,应选用逆变电源供电,其可靠性比较高,但逆变电源价格也比较高。
2、测量回路、控制回路、信号回路设计
测量回路设计分为电流测量回路与电压测量回路设计。电流测量回路设计的主要问题为三电流互感器与两电流互感器以及零序电流互感器选择。电压测量回路设计的主要问题为V/V型与Y0/Y0/(开口三角形)电压互感器选择。变配电站综合自动化装置液晶显示屏上可以观察到电流等参数,开关柜上就可以不再设计各种测量仪表。高压电动机出线柜与高压电动机机旁以及DCS（集散控制系统)操纵台应设计单相过载型指针式电流表,以便于观察到电动机的启动电流与启动时间。有计算机系统时可统计电能报表,开关柜上应安装普通型自带电源隔离输出的脉冲电能表。常规设计开关柜合分闸操作开关采用不对应接线。合分闸操作开关有预合—合闸—合后与预分—分闸—分后六个位置。采用变配电站综合自动化系统后,变配电站综合自动化装置本身已有事故跳闸与事故预告报警干接点输出,不再需要设计不对应接线。采用变配电站综合自动化系统后,变配电站综合自动化装置本身已有事故跳闸与事故预告报警干接点输出,不再需要设计不对应接线。
控制回路设计主要包括电源进线与母联断路器合分闸连锁、合分闸操作、不对应接线、防跳、备用电源自动投切与母线测量电压自动切换。变配电站综合自动化装置具有备自投功能。有些产品为专用备自投装置,有些产品电源进线保护装置带备自投功能。设计时应优先选用电源进线保护装置带备自投功能的产品,以减少投资,简化控制回路设计。
信号回路主要有断路器合分闸位置、手车柜手车运行位置、固定柜隔离刀闸位置、接地刀闸位置等位置信号,另外还有变压器瓦斯与温度、高压电动机运行与事故跳闸信号。控制电源在变配电站综合自动化装置内部有故障监视,需要将开关柜内合分闸电源开关选为带报警辅助接点的低压断路器,再将其报警辅助接点接到信号回路上。变压器瓦斯与温度、高压电动机运行与事故跳闸信号,接到变配电站综合自动化装置的信号输入端子后,经过软件处理可实现跳闸与报警,这样也简化了信号回路的设计。
3、外部电缆设计
变配电站外部电缆设计包括操作电源回路电缆设计、测量回路、控制回路、信号回路与通信电缆设计。外部电缆设计电缆表后,可以不再设计外部
电缆平面图。电缆表中要详细标明电缆编号、用途、起始端、终到端、型号与规格、长度,以及电缆备用芯数。变配电站综合自动化系统的外电缆设计非常简单，只有一根通信电缆与一根交流220V电源线。通信电缆一般选用计算用屏蔽电缆，线芯为两对两芯0.5m铜芯线，使用一对，备用一对。也可以选用双芯屏蔽双绞线。大型变配电站也可以考虑使用光缆。电力监控器应由专用电源集中供电，以保证供电可靠性，增加抗干扰能力。有些电力监控器可以用220V直流电源供电，此时可以由直流屏集中供电。变配电站数量少时，可以不设现场控制站，电力监控器的通信电缆可以直接引到中央控制站。供电电源可由变配电站内单独提供，距离中央控制站近时，也可以由中央控制站供电。通信距离可达3km。变配电站内开关柜数量少时，可以几个变配电站合用一个现场控制站，每个现场控制站可带几个电力监控器。电力监控器到现场控制站及现场控制站之间的最远距离均为5km。
4、变配电站综合自动化系统的二次接线图设计
按所选用的电力监控器种类，变配电站综合自动化系统的二次接线图设计有监控功能与带保护功能两种。10kV及以下电压等级的供电系统一般应选用只有监控功能的电力监控器。
结束语
变配电站设计中普遍采用了综合自动化系统，在二次电路设计中与常规保护容易出现误差。由于各厂家生产的变配电站综合自动化装置在保护功能与端子定义上差别比较大，在二次电路设计中的操作电源、保护功能设置以及信号回路等方面出现了不少问题。这就要求在实际设计工作中合理进行变配电自动化系统的电气设计。
参考文献
开关电源的设计与制作范文篇3
【关键词】机电设备；开关电源；设计
1.机电设备中开关电源的工作原理
1.1原理简介
在节电设备的开关电源中，开关元件主要是利用电子技术通过半导体等相关的元器件对开关的打开以及关闭进行控制，从而有效的保证电压能够稳定的输出。通过开关电源能够使得晶体管能够实现接通与关闭，晶体管导通的情况下，电压比较低，电流比较大；晶体管关闭时，电压比较高，电流比较小。半导体元件中电压与电流的成绩就是该元件的损耗量，所以说此类开关电源能够在损耗比较低的情况下能够提供多种直流电源。
在PWM工作的时候其首先是将输入电流的电压进行斩波，从而将其转换为与输入电压幅值相同的脉冲电压。对于机电设备开关电源的调节主要是通过脉冲的占空比进行控制的，通过PWM将其斩波为交流方波之后，就可以通过变压器等设备对幅值进行控制。想增加电压的组数，只需对变压器的绕组数目的增加就可以实现。通过整流滤波的作用，就能够获得我们所需要的直流电压。
在对机电设备开关电源的设计中，输入能够从母线出获取，这是对于变频器的特点进行分析得出的结论。在开关电源的设计中主要包括以下几个方面：输入电路、功率因数的校正以及转换、输出电路和频率振荡器等部分。
若想实现电能的转换主要是靠高频的电子开关实现的，根据数据分析可知若接通占空比的高地决定着负载电压的高地。
1.2UC3842的反激式原理简介
对开关电源的分类通常有反激式变换器以及正激式变换器两种，在本文中笔者将对反激式变压器进行着重讨论。反激式变换器主要指的是变压器的初级性与次级性时不同的，而正激式变换器则与之相反。
对于反激式变换器的工作原理介绍：在打开的时候，Q1为导通的状态，在LP的两侧对其加以电压U0，此时的电流就会呈线性增加的方式进行升高，反激式变换器则进行储能作用；反激式变换器的此时的电压为N0/N2与Vm以及D的乘积，在这个时候位于L5两侧的电压上方的为负电压，下方的为正电压，但是D0由于反偏的作用就会停止。在其关闭的时候，Q1处于关闭状态，此时其中的电流为0，但是在原边中的电压的极性则呈反向，相应的副边电压也会发生调换，这时候之前所储存在变压器中的磁能就会转变为电能进行释放。
对于单端的反激式变换器来说，在其开关导通的时候能够进行电能的储存，在将开关关闭的时候能够将之前所储存的电能进行释放，所以说高频变压器不仅具有变压、隔离的作用，同时还是一种能够进行能力储存的元件。
2.关于开关电源的设计细节
2.1所选用的器件介绍
通过UC3842能够产生PWM波形，能够对电流方式进行很好的控制。在这种电路中不但具有振荡器，而且具有能够为温度补偿提供参考等作用，若想有效的驱动MOSFET，就必须选用大电流图腾柱输出。
在UC3842中，首先要在其引脚的电路的1脚要求与定时电阻和电容之间进行连接，其作用是控制震荡频率；2脚与阻容元件之间进行连接，其主要作用就是对误差放大器的频率进行补偿；其3脚要与反馈电压的输入端之间进行连接，这样才能够实现其电压转向反响输入端的功能；与4脚进行连接的则是电流的检测输入端；；7脚的作用为基准的电压输出。
在TL431电路中的电压基准与齐纳管的运行为同种原理，利用外部电阻能够实现对其电压编程为40V，通常将其坎作为能够维持电压稳定的二极管，在其两端的输出电压主要是由它外部所连接的电阻所决定的。当TL431的输出电压提高的时候，就会使得其中的晶体管VT能够导通，其输出电压相应的就会降低。
由于在开关电源的输入端的电源大多都是从直流的母线中所取得的，在反激变换功率关断的时候就会使得电压出现顶峰，为了对电路进行保护就必须对其采取相应的措施以抑制。通过RCD能够有效的缓解存在于元器件两侧的过电压。通过RCD电路的设计，根据楞次定律的相关知识可以知道，当关断MOS的时候，能够在变压器的原边中形成一个非常高的瞬时电压，由此可见在设计选择MOS的时候要保证其能够承受的电压在实际电路输入电压的1.5倍以上。
2.2关于电路
在机电设备的开关电源的设计主要是为了实现对于功率开关管的控制以及IC的控制，其电源的供给主要是通过直流母线，之后再设计各种电压的开关电源。在本文中笔者将对10V的开关电源的设计过程进行阐述，向大家讲解机械设备的开关电源设计中的关键。
UC3842这种芯片能够很好的实现对电流控制的功能，这种芯片主要是通过对频率的调节从而实现对输出电压的有效控制。在其工作的状态中在滤波器的作用下，能够对开关的噪音以及谐波等进行滤除。交流电压之间形成一个能够抗串膜的干扰电路，主要就是为了能够对噪声实现其抑制的作用。
电路中的交流电源能够在经其处理之后进去到整流器之中，从而获得我们所需要的电压。也就是说通过滤波电容的输入将输入电压中所存在的一些干扰因素进行去除，从而得到一个稳定的输出电压。
对于启动电路中主要包括电阻以及电容，若想保证其在启动之后能够正常工作，首先要保证其功率能够达到2W，在电容中所存储的能量要保证能够满足开关电源启动时的需求，不能够低于150uF。
由于此电源开关中有很多电路输出，不能够单纯的对其中的某一路进行反馈，所以说要在电路中设计一个反馈线圈来进行对电压的反馈，由此实现对没路输出进行很好的控制。通过整流滤波的作用能够为人们提供一个相对较为稳定的电压反馈。
在通过UC3842对电路进行保护的时候，如果输入端出现短路的情况，就会导致过流的现象，从而导致漏极电流明显的提高，其中的电压也会有明显的提高。
如果引脚中的电压超过2V的时候，比较器中就会输出比高电平，这样就会使锁存器复位，输出也就会随之而关闭。在这种情况下芯片的引脚中是没有输出电压的，从而达到了保护电路的目的。如果电路中的电压太高，不能够很好的实现对占空比的调整，就会导致变压器中的电压升高，从而输出也会关闭。
在电路短路的情况下，电流的突然增大所产生的热量就会使电阻值增大，实现断路的作用，经过技术解决之后，自恢复开关便能够恢复其阻抗值。
根据示波器的显示我们可以发现，在直流母线的上电过程中电压不够稳定，但是在芯片的调解下，能够有效地保证电压输出，由此可见其抗干扰的能力是非常强的，所以在一些比较复杂的环境中也能够正常的工作。
在机电设备开关电源的设计中要实现电源通道之间的相互隔离，只需在原基础之上加入一些新的元器件就能够达到我们的目的，投资不高，能够更好的对变频器进行利用。根据机电设备中开关电源的使用调查情况可以发现，此电路系统是非常安全的。
3.变压器的设计细节
3.1变压器参数
变压器的工作频率为50kHz，变压器的工作周期为30us，其工作效率η为0.87；变压器的电压为220v±50%，所以其范围为110v—330v，该变压器的输出功率为120w。
3.2变压器设计过程
在变压器的设计过程中首先要按照整流管的损耗选择合理的刺心，变压器的输入功率通过计算式计算为率P输入=P输出/η=120/0.87=138W。变压器的磁芯一般都是选用铁氧体的磁芯，主要原因是由于这种磁芯的电阻率比较高，而且价格比较便宜。
UC3842能够有效的对电流的峰值进行控制，在其正常运转的情况下，该芯片的占空比要小于0.6，在变压器的设计过程中占空比按照0.5进行计算，所以说在变压器的工作过程中开关管的导通时间为12.5微秒，变压器的输入电压为180v。
变压器工作过程中的磁通密度也非常重要，在其温度处于100摄氏度的时候其磁感应强度为400mT，将此时变压器的振幅折中计算，此时交变电流的磁通密度为0.238T。
对于边缘线的匝数的计算时，首先要掌握变压器中磁芯的有效面积，不同的变压器的型号可以找出其中的固定数值等方面进行计算。变压器的电源输出端与负载之间连接的时候通常都会使得电压降低，在变压器的设计中就要在设计基础之上对每个输出电路多设计出一匝，这样能够得到一个要高一些的电压，自后再由稳压器的转换得到我们所需要的电压。
4.结语
对于机电设备开关电源的设计具有非常高的要求，在对于开关电源的设计中只有很好的把握好其中的技术关键才能够保证设计成功。
由于机电设备经常性的开启和关闭，所以在设计开关电源的时候要保证能够在电磁干扰比较低的情况下为其提供稳定的电源，通过选取合理的电容值，避免波纹的出现对机电设备的供电产生影响。由于机电设备开关电源在性能方面比较优越，在未来的机电设备中的应用会变得越来越广泛，所以对于此类问题的研究还要不断的深入。
参考文献
[1]张帅，李俊刚，王兴.开关电源设计[J].科技资讯，2011，34.