通信高频开关电系统构成分析

通信高频开关电系统构成分析

郭德孺

广东电网有限责任公司惠州供电局516000

摘要：随着电子科学的快速发展，人们对电子产品的需求量与日俱增。而电源作为电子产品的能源供应中心，自然受到人们的高度关注。早期使用的线性稳压电源，由于其效率较低，已不能满足许多设备的需求。而随着脉宽调制技术的发展，PWM开关电源问世，它的电源效率远远高于线性稳压电源，并且开关频率越高，电源内部的变压器、电感器等的体积越小，这又使得开关稳压电源有了小型、轻量的优势。故研究并设计开关稳压电源有重要的现实意义。

顾名思义开关稳压电源是通过控制开关管的通断时间，从而控制输出电压的大小。本文在介绍了开关电源的各种工作方式、其优劣势、设计方法及未来发展方向等的基础上，对开关稳压电源进行设计。设计分为三个模块进行，分别为辅助电源模块、PWM控制模块、升压电路部分，其中PWM控制电路为电源设计的核心。确定电路设计方案后，使用Multisim10对电路进行仿真，并对电路的参数进行配比，尽量使电路的参数达到最佳、使输出电压趋于稳定，从而达到设计要求。

关键词：开关；稳压；脉宽调制；斩波

引言

线性电源在工业应用中的应用很长一段时间，传统的线性稳压电源电路结构简单，易于调整，输出电压纹波小。然而，这种电压调节器电路的主要缺点是效率低，而且由于调节管的功耗，有时需要安装在调节管上的散热器，从而在体积和重量的功率增加，比较笨重。开关稳压电源（以下简称开关电源）问世后，在许多领域逐步取代了用晶闸管相控电源供电的线性稳压电源。在早期阶段，该系列开关电源是类似的线性电源的主电路拓扑结构，但功率晶体管在开关状态工作。随着脉冲宽度调制（PWM）技术的发展，PWM开关电源出来，它的特点是载波脉冲宽度调制，电源效率高达70%～65%，而线性电源的效率只有30%～40%。因此，采用脉宽调制开关电源代替线性电源，可以大大节约能源，这引起了人们的广泛关注，在电源技术的发展史上是一场革命。随着超大规模集成电路芯片尺寸的不断减小，与体积和微处理器的功率相比要大得多；而航天、潜艇、保护开关电源和电池等便携式电子设备如便携式电脑、手机等需要更多的小型化和重量轻的电源供应器。因此，对高频开关电源的设计和研究具有重要的理论和现实意义。

1功率半导体器件性能

1998年，Infineon公司推出冷MOS管，它采用“超级结”（Super-Junction）结构，故又称超结功率MOSFET。工作电压600～800V，通态电阻几乎降低了一个数量级，仍保持开关速度快的特点，是一个有前途的高频功率半导体器件。

当IGBT刚出现时，其额定电压和电流仅为600V，25A。时间一长，电压等级的限制在1200到1700，长时间的学习和改进后，现在的IGBT电压和额定电流值达到3300V/1200A，4500V／1800A，高压IGBT单片电压已达到6500v，IGBT工作频率一般上限是20~40kHz。基于穿通（PT）的IGBT制造新技术结构的应用，可以工作于150kHz（硬开关）和300kHz（软开关）。

IGBT技术的进步实际上是一种压力状态，快速开关和高压容量三妥协。随着技术和在20年的发展进程中不同的IGBT的结构形式，有以下几种类型：穿通（PT），非穿通（NPT）型、软穿通（SPT）式、通道式CaO和视场光阑（FS）。

碳化硅（SiC）是一种理想的功率半导体器件晶片材料，本实用新型的优点是禁带宽度、高温度（600℃），热稳定性，通过状态电阻小、导热性能好，漏电流小，PN结电压较高，有利于产生抗高高温、高频、大功率半导体器件。预计碳化硅将是最有可能的应用在第二十一世纪的新的功率半导体器件。

2高频开关电源系统

2.1高频开关电源系统构成

高频开关电源的开关为功率半导体管，开关装置的占空比由功率管定期控制，调节控制开关装置的输出电压。开关电源的基本结构如图2-1所示，其核心是直流/直流转换器，功率转换，除了启动电路，过流、过压保护电路、滤波电路。对输出电阻R1和R2的样品，主要任务是检测输出电压的变化，并与基准电压Ur相比误差电压UE放大和脉冲宽度调制（PWM）电路后，通过驱动电路控制功率晶体管，开关器件的占空调节输出电压调节大小。图2-2是一种形式的电路实现。

直流/直流变换器有多种形式，使用最多的是脉宽调制变换器和谐振式变换器，其中的工作波形为变换器的工作波形，谐振变换器的工作波形为准正弦波。

开关型稳压电源的输入有大量的瞬态变化，显示在输出端。当开关频率增加时，反馈放大器的频率特性可以得到改善，并且开关电源的瞬态响应也可以解决。输出端的液晶滤波器电路的特性决定了负载的瞬态响应特性，从而提高了开关电源的瞬态响应特性，通过增加开关频率和降低输出滤波器的产物。

2.2隔离型DC/DC变换器

DC/DC转换器在大多数情况下需要隔离输入和输出端，一般采用变压器隔离，这种类型的开关电源称为隔离式转换器。变频器与直流电压或高频方波电压或电流转换器，通过升压或降压变压器，通过整流和平滑的直流电压或电流滤波器的变，所以转换器也被称为整流和逆变型变换器。推拉式全桥和两种常见的隔离式转换器。在本文中使用的非隔离转换器是不多，本文省略。

3控制电路设计

3.1控制芯片

单片微型计算机简称单片机，又称微控制器，是微型计算机的一个重要分支。单片机是70年代中期开发的一种大规模集成电路芯片，它是在同一芯片上的中央处理器、内存、存储器、I／O接口和中断系统的一种集成电路芯片。自20世纪80年代以来，单片机的快速发展，各种新产品不断涌现，许多高性能的新型模型，它已逐渐成为工厂自动化和控制领域的支柱产业之一。51系列单片机是英特尔MCS-51系列及其核心芯片。MCS-51系列单片机是最早、最基本的单片机，功能是最简单的。51系列单片机具有性能高、速度快、体积小、价格低、可重复编程和方便功能扩展等优点。

3.2触发脉冲生成电路

DC／DC可分为PWM式、谐振式和它们的结合式。为了保证输出电压不随输入电压和负载的变化而变化，谐振型主要取决于调节开关频率，属于调频系统。型开关电源具有控制简单、直流增益稳定、负载独立等优点。缺点是，开关损耗随着开关频率的增加而增加。变频调速系统不易控制，作为脉宽调制开关，加上谐振电压，电流峰值高，开关应力大。

总结

本文介绍了一种实用的高频开关电源电路的设计，它是基于对城市电网的电压的输入，最后，升压斩波电路后，已成为一个稳定的直流电源。辅助电源部分采用集成稳压器LM317，使得主电路有一个稳定的输入。555定时器作为脉宽调制控制器的应用，不仅可以稳定的输出脉宽的脉宽调制波形，而且使占空比易于控制，降低了外部电路的复杂度，减少了元件引起的非线性扰动，同时也提高了动态响应速度。在电路设计中加入过电流保护电路，提高了电路的可靠性。总之，该电源具有体积小、重量轻、纹波小、效率高、输出电压稳定度高、源效应和负载效应小、电路保护比较完善、适用于功率小、体积小、效率高的场合。

电路设计过程中遇到的一些问题。例如变压器部分磁现象、变压器铁心材料的选择和线圈匝数、电感与电容参数的比值等问题。所有这些都会影响开关稳压电源的性能，使其不能保持良好的稳定性，因此问题有待解决。

此外，稳压电源和开关的开关效率的变换速度是成正比的，和开关稳压电源由于开关变压器的应用，为了使极性，每个不相同的输出的大小是通过一组输入。为了进一步提高开关电源的效率，有必要提高电源的工作频率。然而，由于集成电路芯片的频率限制和各部件在电路中的限制，开关频率可以达到更高的值，当频率增加时，对电路元件和新的要求。例如，高频电容、开关管、开关变压器、储能电感等都会出现新的问题。因此，我们需要进一步开发相关的电路组件，以适应高频工作。

参考文献

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[2]华兴经济技术情报研究所编.现代电源设计大全.哈尔滨：哈尔滨工程学院，1991

[3]曲学基等.稳定电源基本原理与工艺设计.电子工业出版社，2004

[4]陈国呈.PWM变频调速变换技术[M].机械工业出版社，2001

[5]刘胜利编.现代高频开关电源实用技术.北京：电子工业出版社，2001.9