开关电源变压器范文

[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CMOS8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。

2.3D/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.

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关键词：5V／60A电源模块工作原理维修

中图分类号：TM1文献标识码：A文章编号：1007-3973(2011)003-011－02

1、概述

5V／60A开关模块产生的电压是用于录取器VERA计算机电路的。它是一个交流／直流静态变换器，采用半桥式变换电路，将220V交流电交换成稳定的5V／60A的直流电。该模块对输出短路和过压情况具有自动保护能力。

5V／60A开关模块的输出范围为：Vout(max)=6V，Vout(mm)=-4.8V。通过测试点可以直接测量+5V开关模块的输出电压。

2、工作原理

2.1方框图

2.2工作原理

输入5V／60A开关模块的220V交流电首先通过一个5A的保险丝，当保险丝熔断时并接的氖光灯发光。

220V交流电分两路：一路送入变压器，变压器的输出经过CS217模块的整流、滤波、稳压后形成15V的工作电压，该电压通过CS237的一个继电器控制为整个5V／60A开关模块内部供电。

另一路送入静态整流电路后经慢充电控制电路加到滤波电容C1。慢充电控制电路可在启动阶段限制电压跳变，并为大电流开关电路提供一个缓变的电压，只有当开关变压器输出控制信号时，慢充电控制电路才被旁路。经过整流滤波后得到的直流电压300Vdc加到半桥式变换器的大电流开关管，在开关模块CS179的控制下形成高频脉冲加到变压器T1的初级。在变压器的次级就可得到正负相间的准方波，再经过高频整流就得到5V的直流电压。这个电压通过电流传感器后，再由LC滤波器滤除其剩余纹波，获得的直流电压作为+5V开关模块输出的电压。

开关模块CS179由可变脉宽调制器、双驱动器、反馈网络、保护电路(输出监视器)等组成。

2.3半桥式变换器

本开关电源采用的是半桥式变换电路，当半桥变换器加上300Vdc，而Q1、Q2的基极无控制脉冲时，它们都处于截止状态，由于电容C5、C6的分压作用，Q1、02的集一射间电压均为1／2U，变压器T1输入端没电压。

在t1期间，开关模块CS179的控制脉冲加到Ql的基极时，O1导通，电源电流Icl从正极经Q1、变压器和电容C4、C5流向负极，此时，Q1饱和导通，Q2集电极电压升为u，变压器T1输入端电压为1／2U。

在t2期间，无控制脉冲送入Q1、Q2的基极，它们都处于截止状态，变压器T1输入端电压为0。

在t3期间，控制脉冲加到Q2的基极时，Q2导通，电流Ic2从正极经电容C6、C4、变压器和02流向负极，此时，02饱和导通，01集电极电压升为u，变压器两端电压为-1／2U。

由此类推，当Q1、Q2按照一定控制脉冲方波交替导通和截止，变压器两端得到交变的准方波，见上图。

2.4高频整流电路

高频变压器T1次级感应出一连串正负相间，频率为27KHz的准方波，经过二极管全波整流后得到一组单向正脉冲，再经过LC滤波，就得到所需的直流稳压输出。当输出脉冲幅值一旦固定之后，输出电压的大小就由占空系数来决定。

3、脉宽控制电路

开关模块的核心是可变脉宽调制器，它包括：基准电压、误差放大器、振动器、脉宽调制器。每当有反馈网络检测出的输出电压升高时，就会延长脉冲的歇止期，也就是缩短脉冲的持续期。

脉宽控制电路主要功能是将输出电压微小的变化转换成为脉冲宽度的变化，从而实现调整输出电压的目的。本电源的可变脉宽调制器采用集成电路SG3524。

3.1SG3524脉宽调制器

下图是SG3524原理方框图及封装。

3.2脉宽控制电路

I端输入从电源输出端的采样电压，2端输入基准电压v=Vref*R6／(R6+R4)，两个输入经过比较放大，产生控制脉冲，控制12、13两端输出的脉冲宽度变化。因此，只要调节可调电阻R1就能实现电源电压的变化。6接入定时电阻R7。7端接入定时电容C4。

9端可以通过对地接阻容网络，补偿系统的幅频和相频响应特性。

10端若有过压、过流信号电压(由SG3543产生)时将关断12、13两端的输出。

16端输出5V的基准电压。

通过+5V电压传感器可以在如何负载(O-60A)情况下获得稳定的+5V电压。+5V电压传感器接在电源的+5V输出端。实际上，与可变脉宽调制器相连的反馈网络可以控制输出在任何工作情况下保持稳定。+5V电压的精密调整是由安装在+5V开关模块上的调整电阻R1完成的。

4、驱动电路

双驱动器通过一个小型的隔离变压器为大电流开关中的功率晶体管提供电流，并调整这些晶体管的存储时间。

5、保护电路

5.1过压保护与过流保护

输出监视器电路完成+5V开关模块的自检功能。来自+5V电流传感器和来自+5V电压传感器的信息与门限进行比较。

门限如下：最大输出电流：60A；最大输出电压：6V；最小输出电压：4.8V。

任何偏离这些门限的情况都会点亮+5V开关模块内的故障灯，并禁止可变脉宽调制器工作。这些门限可通过调节可变电阻R1、R22、R28来调整(R1调电压上限、R22调下限、R28调电流上限)。

5.2软启动电路

为了避免通电瞬间出现很大的浪涌电流，损坏功率器件，电路要加软启动保护电路，即在主回路中接入限流电阻R2、可控硅SCR1，SCR1的控制极由高频变压器T1次级耦合经R、二极管CR1来控制。当加电时，由于R2的作用，对主回路中C1充电缓慢，不会出现很大浪涌电流，只有当。软启动后，输出电压上升到指定值，通过变换器耦合，SCR1导通，将R2短路，以免降低电源效率。R1的功率要足够大，以免SCR1失灵而烧坏。

6、5W60A电源模块的维修

6.1故障现象及处理

二次雷达完全下电重新启动时CHB无法启动，CHB5V电源模块告警灯亮，CHALCP显示0301告警。查阅手册可知，0301告警表示各机电源故障或备机关，故障器件可能是备机的电源与MIS-1，主机的MIS-1。由于CHB5V电源模块告警灯亮，所以确定问题出在CHB5V电源模块上。更换CHB5V电源模块，CHB正常启动。

6.25V／60A电源模块的故障排除

(1)由于5V电源模块的工作电压是通过CS217模块将220V整流、滤波、稳压，然后通过外部模块CS237的一个继电器控制

供电的，所以为了让5V电源模块能够独立工作，必须要将CS217中4脚的+15V电压输出加到CSl79的20脚，另外还需在5V电源模块的交流电输入端(FLl的输入端)加上220Vae。

(2)给5V电源模块上电后，由于此时5V电源的输出并没有反馈到脉宽调制器SG3524，1脚电压为0V，其12、13脚输出信号的占空比为最大值，若电源电路正常，则在5V电源模块的输出端(P7口的1、2脚间)可测得一直流电压，说明该模块的硬件并无损坏，只是由于电源输出值超过保护电路的门限值而使电路处于保护状态。此时，调节可变电阻R1、R22、R28来调整校正基准(R1调电压上限、R22调下限、R28调电流上限)，消除有电位漂移及器件性能变化而引起的报警。

按照上述步骤，我们在5V电源模块的输出端没能测到输出电压，所以我们怀疑电源电路内部器件出现故障。

(3)我们首先按照信号流程的反过程，测试开关变压器Tl的输入端没有电压，测试大电流开关管Q1、Q2发现两个开关管都已被击穿，更换Q1、Q2后仍无输出，所以我们觉得故障应该出在开关模块CS179。

(4)于是我们开始检查开关模块CSl79，在测试脉宽调制器SG3524的输出时发现其12脚没有电压输出。更换SG3524后用示波器测试其12、13脚可看到Vpp约为2.3v，f为27kHz的两个相位相反的方波信号，根据分析SG3524已输出正常电压信号。

(5)测试双驱动器。用示波器测试U2SG3627的9、14脚输出波形输出Vpp为1V，f为27kHz的两个相位相反的方波信号，证明SG3627工作正常。测试三极管Q1、Q2的集电极输出信号，测得Vpp为1.2V，f为27kHz的两个相位相反的方波信号，但是该方波波形不是规则的方波。我们把CSl79中的Q1、Q2焊出来用万用表测试各管脚正常，说明Q1、Q2是好的。此时，我们暂且认为双驱动器是正常的。

(6)更换SG3524以后我们尝试测开关变压器T1的输入端仍无电压输入，通过上面的测试我们可以肯定大电流开关管Q1、Q2是好的、双驱动器及前面电路也是好的，所以我们只能怀疑CS179中匹配变压器T1或是SG3629出问题，而变压器出问题的可能性较少，于是我们将SG3629也更换了。

至此，基本上可以确定开关模块CS179工作正常，但是上电后我们用万用表测试CS179的两个输出16和17脚、18和19脚间的输出发现其输出并不稳定，结合之前测试CS179三极管Q1、Q2的集电极输出信号时其波形不是很好，我们认为这两个问题可能是同一故障点引起的。

开关电源变压器范文篇3

关键词直通占空比；Z源逆变器；SVPWM

中图分类号TM46文献标识码A文章编号1674-6708（2013）87-0075-02

0引言

由于煤矿井下局部通风机的电压等级为交流660V，而现在市场上大部分的应急电源输出电压多为220V/380V，无法直接给局部通风机提供应急电源。而基于煤矿井下较为恶略的生产环境，井下UPS蓄电池的电压等级过高存在安全隐患，所以蓄电池的电压应低于300V。所以需要设计一个应急电源，直流侧蓄电池的电压等级不能高于300V，且要得到输出为660V的交流电，在煤矿突然停电时为局部通风机提供应急电源，保证其正常工作。而这个设计的核心就是应急电源逆变器的设计，解决了它其他的问题也就迎刃而解。

将直流电压/电流变换成三相交流电压/电流的三相逆变器是最为常见的功率变换器之一。而当今的功率逆变技术主要是基于两种传统的逆变器拓扑结构：即电压源型逆变器和电流源型逆变器。但是由于传统的电压源型和电流源型逆变器都有其固有的局限性，因此限制了它们在很多场合的应用。所以一种新型的逆变器-Z源逆变器就应运而生了。Z源逆变器的出现，克服传统逆变器的诸多不足，提出了一种新的功率变换拓扑和理论。

1Z源逆变器的结构及原理

新型的Z源逆变器主要由3部分组成，分别是：直流电源、Z源网络、逆变模块。在直通时间里开关管Q7处于关断状态，在非直通时间Q7处于开通状态，从而保证逆变器始终运行再正常工作状态。

我们根据Z源逆变器的上下桥臂是否同时导通，将其分为两种基本工作状态。

1.1直通工作状态

此时逆变器上下桥臂同时导通。这种状态在传统的逆变器中是不允许出现的，会导致开关管损坏。但是Z源逆变器由于其电容上的电压不能突变、电感中的电流不能突变，从而能够确保开关管不会损毁。假设逆变器一个开关周期为T，其直通时间TD=DT（D为直通占空比），由等效电路得：

从上面的分析我们可以得到以下结论：Z源逆变器的输出电压可以随意升高或降低，不需要添加额外的中间升压电路，提高电路的效率同时也节省了成本；同时逆变器也可以承受瞬时短路，提高了系统的可靠性。

2Z源逆变器的SVPWM原理及仿真

SVPWM技术是指利用逆变器的6个开关管开通/关断，从而形成了8种电压空间矢量，然后我们用这8种空间电压矢量来逼近所需要的电压。空间电压矢量分区及合成如图2。

在SVPWM控制技术中用直通零矢量全部替代或者部分替代V0和V7矢量，即为Z源逆变器的SVPWM技术，图3所示就是Z源逆变器SVPWM在一个开关周期内的控制信号，t0为直通零矢量的作用时间，大小可以由逆变器的升压因子B得到。在逆变器的一个开关周期里，我们把直通零矢量平分为6份，每份为t0/6。通过控制插入直通状态的时间长短，就可以调整Z源逆变器升压因子B的大小，从而得到符合需要的交流侧输出电压。

图5为SVPWM及控制信号S7的仿真模型。产生的SVPWM信号及S7的控制信号如图4。

3三相Z源逆变器仿真及结果

我们利用matlab中的simulink工具箱构建了局部通风机应急电源的Z源逆变器的SVPWM仿真模型，如图5所示。仿真参数见表1。根据参数计算出直通零矢量时间和有效矢量的作用时间，利用matlab生成如图4所示的SVPWM和Q7的控制信号，把这一控制信号加在Z源逆变器上，得到了图6所示的仿真结果。

图6所示为线电压Uac的输出波形，输出频率为50HZ，线电压有效值为655V的三相交流电，符合局部通风机的额定电压要求。为输入直流电压的2.18倍，因此此Z源逆变器可以满足本设计的需要。

4结论

Z源逆变器于有着效率高，结构简单，允许输入电压有较大的变化等优点，适应煤矿井下较为特殊的环境。利用matlab仿真软件构建了局部通风机Z源逆变器的仿真模型，并进行了仿真，得到了预期结果。当然，对于其中存在的一些不足之处，还有待日后生产实践中发现问题，进行改进。

参考文献

[1]蔡交明，江明，张永.基于simulink的三相Z源逆变器SVPWM仿真研究[J].安徽工程科技学院学报，2010，12（15）：35.

[2]李庭远，郑建勇，张先飞.Z源逆变器中SVPWM技术实现的研究[J].通信电源技术，2009（9）：28.

[3]黄俊，王兆安.电力电子变流技术[M].北京：机械工业出版社，1999.

[4]张超华.新型Z源逆变器的研究[D].南京：南京航空航天大学，2009（1）.

[5]刘红钊，黄义定，吕晓东.基于Matlab的SVPWM变频器的仿真研究[J]，2009（8）.