開關電源設計的一般考慮

在設計開關電源之前，應當仔細研究要設計的電源技術要求。現以一個通信電源模塊的例子來說明設計要考慮的問題。該模塊的技術規范如下：

1 電氣性能

除非另外說明,所有參數是在輸入電壓為220V,交流50Hz以及環境溫度25℃下測試和規定的.

表1.1

1.1 輸入

電壓：單相交流額定電壓有效值220V±20%
頻率：頻率范圍 45-65Hz
電流：在滿載運行時,輸入220V,小于8A。在264V時,沖擊電流不大于18A
效率：負載由50％－100％為表2.1值
功率因數：大于0.90,負載在50％以上,大于0.95
諧波失真：符合IEC 555-2要求
啟動延遲：在接通電源3秒內輸出達到它的額定電平
保持時間：輸入176V有效值,滿載,大于10mS

1.2 輸出

電壓：在滿載時,輸出電壓設定在表1值的±0.2％
電流：負載電流從零到最大值(參看表1)，過流保護開始是恒流,當電壓降低到一定值得時,電流截止.
穩壓特性：負載變化由零變到100％, 輸入電壓由176V變到264V最壞情況下輸出電壓變化不超過200mV.
瞬態響應： 在沒有電池連接到輸出端時,負載由10％變化到100％,或由滿載變化的10％,恢復時間應當在2mS之內.最大輸出電壓偏擺應當小于1V.
靜態漏電流：當模塊關斷時,最大反向泄漏電流小于5mA.
溫度系數：模塊在整個工作溫度范圍內≤±0.015％.
溫升漂移：在起初30秒內,±0.1％
輸出噪音：輸出噪音滿足通信電源標準,衡重雜音＜2mV.

1.3 保護

輸入：輸入端保護保險絲定額為13A.
輸出過壓：按表1.1設置過壓跳閘電壓,輸出電壓超過這個電平時,將使模塊鎖定在跳閘狀態.通過斷開交流輸入電源使模塊復位.
輸出過流：過流特性按表1.1的給定值示于圖1.過流時,恒流到60％電壓,然后電流電壓轉折下降.(最后將殘留與短路相同的狀態)
輸出反接：在輸入反接時,在外電路設置了一個保險絲燒斷(＜32A/ 55V)
過熱：內部檢測器禁止模塊在過熱下工作，一旦溫度減少到正常值以下,自動復位.

1.4 顯示和指示功能

輸入監視：輸入電網正常顯示.
輸出監視：輸出電壓正常顯示.(過壓情況關斷).
限流指示：限流工作狀態顯示.
負載指示： 負載大于低限電流顯示.
繼電器：輸入和輸出和輸入正常同時正常顯示。
輸出電流監視：負載從10％到100％,指示精度為±5％.
遙控降低：提供遙控調節窗口.

1.5 系統功能

電壓微調：為適應電池溫度特性,可對模塊的輸出電壓采取溫度補償.
負載降落：為適應并聯均流要求，應能夠調節外特性。典型電壓降落0.5％,使得負載從零到增加100％,輸出電壓下降250mV.
遙控關機：可實現遙控關機。

1.6 電氣絕緣

下列試驗對完成的產品100％試驗。

1.在L(網)和N(中線)之間及其它端子試驗直流電壓為6kV.

2.在所有輸出端和L,N及地之間試驗直流2.5kV.這檢查輸出和地之間的絕緣.

3.下列各點分別到所有其它端子試驗直流100V：
電壓降低(11和12腳)
繼電器接點(14,15和16腳)
狀態選擇-輸入,輸出和電流限制(3,4,5和6腳)

4.地連續性-以25A,1 分鐘檢查,確認安全接地的阻抗小于0.1Ω.

1.7 電磁兼容

符合郵電部通信電源標準.

2 機械規范

尺寸：略
重量： 略
安裝方向： 模塊設計安裝方向是面板垂直放置,使空氣垂直通過模塊.
通風和冷卻： 模塊的頂部和底部都有通風槽,使空氣流通過模塊,經過散熱器.因此在系統中應當沒有阻礙地對流冷卻模塊,并應強迫冷卻裝置使冷卻空氣經過模塊自由流通.

3 環境條件

環境溫度： 在0～55℃溫度范圍內滿功率工作.在模塊下50mm處模塊的入口測量溫度.
存儲溫度：－40～+85℃
濕度：5％～80％,不結冰.
高度： -60m～2000m工作;-60m～10000m不工作.

4 可靠性

MTBF大于100000小時.
這些要求包括：輸入電源，輸入電壓的類型－交流還是直流。交流電源的頻率和電壓變化范圍，整流濾波方式，是否有功率因數要求？如果是直流電源，是直流發電機，還是蓄電池、抑或其它直流變換器？是電流源還是電壓源？它們的變化范圍和紋波大小。輸出電壓（電流）大小和調節范圍，穩壓（或穩流）精度，輸出有幾路？輸出電流（或輸出功率），輸出紋波電壓要求，是否需要限流？瞬態響應要求。負載特性：蓄電池，還是熒光燈，還是電機？這些電氣性能之外，是軍用還是民用？EMC要求，環境溫度。體積與重量要求。是否需要遙控，遙測或遙調？是否需要提供自檢測，如此等等。設計出的電源必須滿足這些要求。

1.1 主電網電源

如果你購進國外電氣設備，不管青紅皂白就去插上電源，弄不好就可能燒壞設備電源。因此，要安全使用國外設備，要知道國外電網電源的種類和相關標準。如果你設計的產品是提供出口，也必須了解該地區的電網的標準。

首先世界上主電網的交流電源頻率在美國是60Hz，而在中國和歐洲是50Hz。實際上，頻率也有一定的變化范圍，電網負荷重的時候，50Hz可能降低到47Hz；如果負載很輕時，60Hz可能上升到63Hz。這是因為帶動發電機的發動機轉速不可能是沒有調節公差的恒速運行。50Hz供電的直流電源必須使用比60Hz供電更大的濾波元件，供電變壓器鐵芯更大或線圈匝數更多。

其次電源電壓在不同地區也不同：在中國，家用電器和小功率電氣設備由單相交流220V供電，工業用電是三相380V。在美國民用電源為110V（有時是120V），而家用電器，如洗衣機電源是208V，而工業用電是480V，但是照明卻是277V，當然也有用120V的；在歐洲為230V，而在澳大利亞卻是240V，如此等等。

以上的電網電壓僅僅是其額定值，每一種電網都有允許偏差。例如電網隨負荷變化時產生較大波動。在上世紀末我國電網改造前，電網電壓波動范圍高達30%以上。隨著國民經濟發展，大量電廠建立，供電量充足，同時經過電網改造，合理輸配電，目前在我國大多數地區供電質量明顯提高，一般變化在10%以內，即在198V～242V之間。但在鐵道系統和某些邊遠山區變化范圍仍可能達到30%。因此，你設計的開關電源，必須迎合使用地區的供電情況，即使遇到意外情況，也能夠安全運行而不發生故障。有時電網也可能丟失幾個周波，要求有些電源能夠不間斷（保持時間）地工作，這就要求較大的輸出電容或并聯電池滿足這一要求。

電網還存在過壓情況。雷擊和閃電在2Ω阻抗上,引起線與線電壓和共模干擾可高達6000V電壓。閃電有兩種類型，一種是短脈沖，上升時間1.2μs，衰減時間50μs，另一種很高能量，衰減時間1ms。電網還有瞬態電壓，峰值達750V，持續半個電網周期，這主要是大的負載的接入或斷開，或高壓線跌落引起電網的瞬變。

實際上工業電網面臨的問題遠不止這些，交流電網是一個骯臟的環境。你所設計的電源應當能夠在這個環境中工作，同時還要滿足國際和各地區安全標準要求。

1.2 電池

在通信，電站，交通要求不間斷供電的地方，電池作為不可缺少的儲能后備能源。大量移動通訊站和手機，以及電動汽車，助力電瓶車都依靠電池提供能量。風力發電和太陽能發電存儲峰值能量作

為后備能源。但是電池涉及到電化學和冶金學知識，已超出一般電氣工程師的知識范疇。這里介紹一些使用電池基礎知識，使你知道設計充電電源和使用電池供電時應注意的一些問題。

利用電化學可逆原理做成的最基本的單元電池叫單體電池。典型的單體電池是由兩個金屬極板和構成它們之間導電通路工作介質組成，這種通路材料可能是液體或固體，與特定化學機理有關。這種結構關鍵在于是否能夠更有效進行電－化學反應（可再充電，即二次電池，也稱為蓄電池。不能再充電叫一次電池）。根據不同通路材料的安排，一個金屬極板為電池的陽極－正極，另一個則為陰極－負極。如將兩個金屬極板（陰極和陽極）接到電源上，電的作用改變了工作介質的化學狀態，這就是儲能。如將已儲能的電池極板接到負載，材料化學作用放出電荷返回到原始狀態，釋放出電能。

單體電池一般很低，例如鉛酸蓄電池單體電池額定電壓為2V。因此較高電壓的電池一般由許多單體電池串聯組成。應當注意：不要自己將電池連接成你需要的電壓和容量，電池不能直接并聯！你只能按制造廠系列產品選擇你需要的電池容量和電壓。如果在每個電池端串聯一個二極管就可以并聯。

在電池工作范圍內，電池