李子軒

（長江大學電子信息學院 434000）

淺談單片開關電源的設計

李子軒

（長江大學電子信息學院 434000）

電源對于任何電子設備的工作運行來說，都是至關重要的，單片開關電源的研發(fā)設計，是在保證電子設備安全高效運行的基礎上，對電源穩(wěn)定性、節(jié)能性和智能性的技術探索。本文重點討論了單片開關電源的發(fā)展歷程、工作原理和性能優(yōu)勢，同時也對目前單片開關電源存在的一些問題和發(fā)展趨勢作了一定程度的分析。

單片；開關電源；設計

前言

可靠的電源是一切電力電子設備實現(xiàn)運行的前提，單片開關電源從20世紀70年代以來，經(jīng)過電路的簡化、運行頻率的提高、功能的集成控制等一系列技術層面上的革新，得到了包括辦公設備領域、計算機與通信領域、機電自動化領域、家用電器領域和醫(yī)學設備領域的廣泛應用。

1 單片開關電源的系統(tǒng)理論綜述

單片開關電源是電子電力技術高速發(fā)展的產(chǎn)物，在深入了解單片機控制的開關電源前，對傳統(tǒng)電源優(yōu)缺點的了解很有必要。傳統(tǒng)的電源主要以線性電源為主，線性電源是將交流電經(jīng)過變壓器降低電壓幅值，再經(jīng)過整流電路整流后，得到脈沖直流電，后經(jīng)濾波得到帶有微小波紋電壓的直流電壓，它的主要部件是功率管，因為其在工作過程中由于長期處于線性放大狀態(tài)，所以其輸出電流隨著功率管里的電流增大而增大，隨之耗費的功率也就越大，有效使用功率就降低，嚴重影響了電源的效率，另外，線性電源很難在一個固定的電壓范圍內工作，從而導致輸入精度較低，即使安裝輸入調整器控制輸入精度，隨著而來的只會是更大的功耗和更低的效率，加上線性電源硬件設備體積和重量較大，讓基于單片機和集成電路控制的開關電源成為發(fā)展的必然。

我們今天電子科技領域所普遍應用的開關電源，是經(jīng)過了長達幾十年的發(fā)展才逐步成型的，總結起來，它的發(fā)展方向主要有兩個：①電源控制電路集成化的發(fā)展，包括脈寬調制控制器集成電路的成功研發(fā)和高速脈沖頻率調制芯片的成型這兩個發(fā)展階段；②基于單片控制的中小功率開關電源的發(fā)展，解決了低壓輸出，400W以下大中功率產(chǎn)品的電源配置問題，芯片技術讓開關電源的體積更小、成本更低、節(jié)能性更高，而單片機控制電路讓穩(wěn)壓電源更為高效。

2 單片開關電源的工作原理和設計流程

單片開關電源的核心是脈沖寬度調制、微控制器和金屬-氧化層-半導體-場效晶體管（MOSFET），通過控制控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓。具體流程是輸入一個基準電壓，假設為6V，通過整流濾波電路后，電壓在電網(wǎng)波動作用下減小，導致采樣的電壓值也減小，假設減小為5.9V，誤差為0.1V，那么系統(tǒng)會經(jīng)過比較和放大，脈沖寬度調制會使脈沖調制電路根據(jù)誤差大小，提高占空比使得輸出電壓增大，同樣的道理，輸出電壓假設為6V，電網(wǎng)波動下輸出電壓升高至6.1V，脈沖調制電路也會相應降低占空比使得輸出電壓減小到穩(wěn)定的6V，控制整個系統(tǒng)電壓的動態(tài)穩(wěn)定。

在具體的單片開關電源的系統(tǒng)設計上，一般包括系統(tǒng)方案驗證、重難點分析、硬件設計、軟件設計和系統(tǒng)調試這幾個階段。在系統(tǒng)方案論證時，需要清楚地規(guī)劃好系統(tǒng)各個模塊的工作形式和連接方法，比如整流濾波電路、采樣電路、放大電路、控制電路、電子開關電路等，還要對產(chǎn)品實際可能引發(fā)的問題進行對策分析，比如如果輸出電壓與輸入電壓不隔離，容易引起觸電事故等。重難點分析是結合產(chǎn)品的功能定位和功能實現(xiàn)之間的思考，比如怎樣提高電源的工作效率，怎樣處理高頻干擾問題，以及怎樣處理實際應用中的成本、接口連接方式等。而硬件設計主要在于硬件型號和參數(shù)的選擇，比如輸出整流管的選取、輸出濾波電容的選擇，反饋電路中整流管的選擇等，最后的軟件設計和系統(tǒng)調試，主要應用的是計算機編程思想，以C語言程序設計為工具，發(fā)送指令，這主要是根據(jù)系統(tǒng)論證方案的工作流程來的，比如對單片機，主要根據(jù)鍵盤輸入值和取樣值之間的差值，修改脈沖占空比，并輸出控制功率開關管，以便得到期望的輸出電壓值，并根據(jù)模/數(shù)轉換器所采樣的電壓和鍵盤輸入比較，根據(jù)差值調用PID算法再次修改脈寬使輸出電壓穩(wěn)定。

基于單片機控制的開關電源具有良好的設計彈性，因為借助了計算機編程技術，可以完美融合設計團隊靈活的設計思想，進行程序化運作，單片機的電路結構也非常簡單，易于維修，成本相對低廉。除此之外，單片機和芯片技術可以在改善開關電源體積重量、提升產(chǎn)品性能的同時，對其進行適當?shù)墓δ軘U展，比如在可視化人機交互方面，完全可以實現(xiàn)更智能的實時監(jiān)控功能。

3 單片開關電源的高頻干擾問題以及未來的發(fā)展趨勢

盡管單片開關電源在性能、體積和重量上相對傳統(tǒng)電源具備明顯的優(yōu)勢，但其大致的工作流程還是需要按照從交流整流為直流，然后逆變?yōu)楦哳l，最后經(jīng)過濾波電路得到穩(wěn)定的輸入電壓這個順序進行的，這個過程中存在一定的諧波干擾，同時由于變壓器的漏感和輸出二極管的反向恢復電流造成的尖峰，都形成了潛在的電磁干擾源。針對這個問題，我們一般可采取共模干擾電路來達到對電磁感染的抑制作用，因為大多數(shù)電磁干擾現(xiàn)象都是由電磁干擾源、耦合途徑、干擾接收機三個主要因素構成，所以我們處理的方式一般有三種：①減小電磁干擾源的干擾能量，比如設置吸收回路；②破壞電磁干擾路徑，如通過濾波；③采用屏蔽手段，達到抑制電磁感染的目的。

隨著半導體技術和微電子技術的高速發(fā)展，集成度高、功能強大的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn)，使得電子設備的體積和重量不斷下降，這就要求有效率更高、體積更小、重量更輕的開關電源，使之能滿足電子設備的日益小型化的需要，這是未來開關電源設計所應考慮的最直接的問題。

4 結語

單片開關電源的研發(fā)設計和發(fā)展過程，除了科學技術的創(chuàng)新，更反映了科技發(fā)展的一般規(guī)律，即節(jié)能環(huán)保、高效智能的可持續(xù)科學發(fā)展觀，未來的電子科技，將與互聯(lián)網(wǎng)信息技術和計算機編程技術有機融合，創(chuàng)造出更具實用性的多元科技產(chǎn)品。

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1004-7344（2016）07-0330-01

2016-2-1