高频开关电源变压器的设计与应用

杨思琪

（东文高压电源（天津）股份有限公司300162）

摘要：电源是产品的核心单元，电源的稳定性、可靠性直接影响着产品的性能。开关电源是未来产品电源发展的趋势，传统的工频变压器体积大、效率低（35%-55%）、成本高等缺点。在产品设计和市场中渐渐失去竞争优势，开关电源技术根据独特的工作效率高（70%-90%）、体积小、成本低、电压适用范围宽（AC85V-AC264V）等优点，被广泛应用于各种产品中。

关键词：开关电源；高频变压器；设计

1开关电源工作原理

开关电源的基本原理方框图如图1，通过高频开关技术将输入较高的交流电压（AC）如220V，转化成电子或电器设备工作所需要的直流电压（DC）如5V，12V，24V。用提高工作频率等手段提高电源功率密度，进而达到减少变压器的体积和重量的目的。采用开关变化的优势大大提高电能的转化效率。典型开关电源效率为70%—90%，依赖对脉冲宽度的改变来实现输出电压的稳定，称作脉宽调制PWM。

图1开关电源原理图

2.数控开关电源主要原理

2.1双闭环控制

为有效拓展动态响应的速度，需要在对电源开关进行设计的过程中采取双闭环形式的控制结构，从而实现直接对控制面板进行操作，对系统稳流值以及稳压值的显示与控制。在双闭环的控制模式当中，电流主要是内环控制，电压则是受到外环控制，结合PID调节器达到内外环一同控制的效果。双闭环控制一般表现为对PID误差的调控，其中外环控制指的主要是对电压输出值跟额定值之间进行对比，随后经过相应的调控操作，使电压控制形成外环。而内环控制主要是利用PID针对电流进行控制，把经过调制之后的电流进行传输，生成相应的数字脉冲，继而对开关状态实现有效控制，形成限流作用。在工作状态为稳压情况的时候，电流的PID调节将会向PWM调制器输出一定的数字脉冲赋值，这时电压环将会退出，形成以电流环为主导的形式，从而实现对开关状态的控制，同时形成稳流效果。

2.2稳压稳流自动转换电路

稳压稳流的自动转换主要是由电流、电压以及负载这三个因素所共同决定。在电路实际工作状态为稳流情况时，电压环将会处在饱和状态，无法起到任何作用，而内环当中的电流则处在工作状态之中。与之相反的是，电路处在稳压状态的时候，电路环由于饱和而停止工作，电压环处于工作状态。而输出电压会超过给定值，且电流给定，这时运算方法器会处于饱和的状态，电流环和电压环呈现同时工作的情况，该种控制方式也就是双环结构。也正是对双环结构的有效设计，使所输出的电流与电压都可以稳定在一个特定范围之内，自动转换电路不仅能够对电路进行转换，还可以维持电源稳值。

3.变压器的设计

3.1变压器原、副边匝比确定

当输出为低电压、大电流时，变压器的损耗会较大，线路上的损耗也会较大。两级式的结构中，第一级的输出设定为18V左右，是半桥电路输出电压的大小；第二级设定为1.8V，100A左右，是变压器次级绕组对应的输出。半桥电路的输出电压与输入电压的关系为：

V0=VinDmax/K

其中，K=4，选择输出端次级绕组匝数为1，则初级绕组匝数为4。

3.2线圈的绕制与绝缘

常用的变压器绕法有：

（1）将初级、次级绕组合起来的双线绕法。这种方式可以使初级、次级绕组之间的距离达到最小，因此漏感最小，但绕制比较麻烦；（2）将奇数层、偶数层分层绕制。这种方式绕制较（1）容易，但是增大耦合电容；（3）将次级绕组夹在初级绕组之间，称为夹层式绕制。这种绕制方法工艺简单，容易绕制，结构如图2所示。在低压大电流情况下，此方法可以减少导线的铜损。此外，初级线圈离铁芯远，高频干扰较小。

3.3实验结果

变压器采用复合纤维绝缘纸线，提高了变压器的绝缘性能。通过仿真，验证了此设计的合理性，仿真波形如图1所示。

图1仿真波形

4.开关电源在应用中故障检修与方法

（1）开关电源出现间歇震荡，能听到“打嗝”或者“吱吱”声，指示灯时亮时灭，这是因为负载电路异常，导致电源过载，引发过流保护电路动作。负载电流异常上升，引起一次绕组激磁电流大幅度上升，在电流采样电阻R11形成1V以上的电压信号，使芯片内部电流检测电路启控，电路停震，R11上过流信号消失，电路又重新启震，如此循环往复，出现间歇震荡。检测方法；测量供电电路C8，C26两端电阻值，如有短路直通现象，可能为整流二极管D6有短路，观察C8，C26外观有无鼓包，喷液等现象，必要时拆下测量。供电电路无异常，可能为负载电路有短路故障。

（2）负载电路的供电电压过高或者过低，开关电源震荡回路正常，问题出现在稳压回路，输出电压过高，稳压回路元件损坏或者低效，使反馈电压幅度不足。检测方法；在IC3输出端并接10K电阻，输出电压回落，说明IC3输出端稳压电路正常，故障在IC3本身和输入端电路，在R29上并联500Ω电阻，输出端电压有明显回落，说明光耦IC3良好，故障在IC3低效或者外接电阻元件变质，反之，为IC3不良。

5.高频开关电源变压器的应用及改进

通信机房内通信设备都采用-48V直流供电，采用集中供电方式由通信机房内的高频开关电源柜供给。根据通信设计规范。开关电源系统由交流配电盘（含切换装置）、整流器(数量有若干个，根据用电量大小确定)、直流配电盘、蓄电池等组成。切换装置通常用控制电路加交流接触器实现两路电自动切换，当某路交流电断电时，由控制电路驱动自动切换到另一路供电；当两路交流电同时断电时，由蓄电池供电。上述接线示意图是目前通信高频开关电源的设计规范接法，因此目前全路通信机房均采用上述方案。通过对21件电源故障分析，均因为两路电源中主用电源断电后，交流转换装置转换至另一路电源时，由于机械转换装置动作出现机械卡阻，造成交流切换不到位使各整流模块失电；当主用电源恢复后，因触点被卡死不能恢复到原先触点状态。此状态下，蓄电池放电。当一段时间蓄电池放空后，造成机房设备失电，造成大面积通信中断。在这类故障处理中，都是通过对接触器开关反复手动拨动后，接触器又能正常工作。针对交流接触器转换不可靠情况，我们对全局的通信开关电源进行了全面分析，每套开关电源系统至少配有2个30A或50A整流模块，而实际使用的电流均不超过20A。某些较大的机房，实际耗电也没超过设计或配置总容量的30%。因此一组交流电源只需2个模块就能承担全部设备的供电。通过对高频开关电源设备进行技术改造，把整流模块分成两组，其中一组接交流1路，另一组接交流2路。

总而言之，对开关电源更为深入的研究与推广具有十分重要的现实意义，对于我国电子研发和生产行业的发展具有良好的促进作用。相关从业人员应该积极探索，对国外的一些先进技术和理念加以借鉴，继而与我国电子行业的整体情况相结合，创建出一套更为符合我国国情的开关电源设计体系，为国家经济发展注入源源不断的活力。

参考文献

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