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多路输出开关电源的设计及应用原则 摘要：比较了诸多国内外多路输出电源的设计思想，提出并总结了现今多路输出电源的设计原则。 关键词：开关电源；多路输出；设计原则 1引言 对现代电子系统，即便是最简单的由单片机和单一I/O接口电路所组成的电子系统来讲，其电源电压一般也要由＋5V，±15V或±12V等多路组成，而对较复杂的电子系统来讲，实际用到的电源电压就更多了。目前主要由下述诸多电压组合而成：＋3.3V，＋5V，±15V，±12V，－5V，±9V，＋18V，＋24V、＋27V、±60V、＋135V、＋300V、－200V、＋600V、＋1800V、＋3000V、＋5000V（包括一个系统中需求多个上述相同电压供电电源）等。不同的电子系统，不仅对上述各种电压组合有严格的要求，而且对这些电源电压的诸多电特性也有较严格的要求，如电压精度，电压的负载能力（输出电流），电压的纹波和噪声，起动延迟，上升时间，恢复时间，电压过冲，断电延迟时间，跨步负载响应，跨步线性响应，交叉调整率，交叉干扰等。 2多路输出电源 对于电源应用者来讲，一般都希望其所选择的电源产品为“傻瓜型”的，即所选择的电源电压只要负载不超过电源最大值，无论系统的各路负载特性如何变化，而各路电源电压依然精确无误。仅就这一点来讲，目前绝大多数的多路输出电源是不尽人意的。为了更进一步说明多路输出电源的特性，首先从图1所示多路输出开关电源框图讲起。 从图1可以看到，真正形成闭环控制的只有主电路Vp，其它Vaux1、Vaux2等辅电路都处在失控之中。从控制理论可知，只有Vp无论输入、输出如何变动（包括电压变动，负载变动等），在闭环的反馈控制作用下都能保证相当高的精度（一般优于0.5％），也就是说Vp在很大程度上只取决于基准电压和采样比例。对Vaux1，Vaux2而言，其精度主要依赖以下几个方面： 1）T1主变器的匝比，这里主要取决于Np1：Np2或Np1：Np32）辅助电路的负载情况。 3）主电路的负载情况。 注：如果以上3点设定后，输入电压的变动对辅电路的影响已经很有限了。
图1多路输出开关电源框图
图3辅助电路加一个线性稳压调节器 在以上3点中，作为一个具体的开关电源变换器，主变压器匝比已经设定，所以影响辅助电路输出电压精度最大的因素为主电路和辅电路的负载情况。在开关电源产品中，有专门的技术指标说明和规范电源的这一特性，即就是交叉负载调整率。为了更好地讲述这一问题，先将交叉负载调整率的测量和计算方法讲述如下。 2?1电源变换器多路输出交叉负载调整率测量与 计算步骤 1）测试仪表及设备连接如图2所示。 2）调节被测电源变换器的输入电压为标称值，合上开关S1、S2…Sn，调节被测电源变换器各路输出电流为额定值，测量第j路的输出电压Uj，用同样的方法测量其它各路输出电压。 3）调节第j路以外的各路输出负载电流为最小值，测量第j路的输出电压ULj。 4）按式（1）计算第j路的交叉负载调整率SIL。 SIL 式中：ΔUj为当其它各路负载电流为最小值时，Uj与该路输出电压ULj之差的绝对值； Uj为各路输出电流为额定值时，第j路的输出电压。 根据上面的测试及计算方法可以将交叉负载调整率理解为：所有其它输出电路负载跨步变（100％－0％时）对该路输出电压精度影响的百分比。 2?2多路输出开关电源 由图1原理所构成的实际开关电源，主控电路仅反馈主输出电压，其它辅助电路完全放开。此时假设主、辅电路的功率比为1：1。从实际测量得主电路交叉负载调整率优于0.2％，而辅电路的交叉负载调整率大于50％。无论开关电源设计者还是应用者对大于50％的交叉负载调整率都将是不能接受的。如何降低辅电路交叉负载调整率，最直接的想法就是给辅助电路加一个线性稳压调节器（包括三端稳压器，低压差三端稳压器）如图3所示。 从图3可知，由于引入了线性稳压调节器V，所以在辅路上附加了一部分功率损耗，功率损耗为P=(Vaux′－Vaux1)Iaux，而要使辅电路的交叉负载调整率小，就必须有意识地增大线性调整器的电压差（Vaux′－Vaux1），即就是要有意识增大Vaux′，其带来的缺点就是增加了电源的功率损耗，降低了电源的效率。 以图1及图3原理为基础设计和应用电源时，应注意的原则为： 1）主电路实际使用的电流最小应为最大满输出电流的30％； 2）主电路电压精度应优于0.5％； 3）辅电路功率最好小于主电路功率的50％； 4）辅电路交叉负载调整率不大于10％。 2?3改进型多路输出开关电源 在很多应用场合中，要求2路输出的功率基本相当，比如±12V/0?5A，±15V/1A。我们通过多年的实践，设计了如图4所示的电路，能较好地达到提高交叉负载调整率的目的。 图4电路设计思想的核心有以下2点。 1）将正负2路输出滤波电感L1、L2绕制在同一磁芯上，采用双线并绕的方法，从而保证L1、L2电感量完全相同。并注意实际接入线路时的相位（差模方法）关系，这种滤波电感的连接方法使2路输出电流的变化量相互感应，在一定程度上较大地改善了2路输出的交叉负载调整率。 2）从图4可以看到，采样比较器Rs1、Rs2不像图1那样接到主电路Vp上，而是直接跨接到正负电源的输出端上，并且逻辑“地”不是电源的输出地，而是以负电压输出端作为采样比较和基准电压的逻辑“地”电位。这样采样误差将同时反映出正、负2路输出的电压精度变化，对正、负2路同样都存在有反馈作用，能在很大程度上改进2路输出的交叉负载调整率。以±15V/1A电源为例，采用图4的电路设计，实测得的2路交叉负载调整率优于2％。
图2测试仪表及设备连接
图4改进型2路输出电路
图53路电源设计方案 以图4原理为基础设计和应用电源时，应注意的原则为： 1）2路最好为对称输出（功率对称，电压对称），无明显的主、辅电路之分，比如我们常用到的±12V，±15V等都属于此类； 2）2路输出电压精度要求都不是太高，1％左右； 3）2路输出交叉调整率要求相对较高，2％左右。 下面介绍一种通用性极强的3路电源设计方案，如图5所示。 从图5可以看到，主＋5V输出与辅路±Vout(可以是±15V或±12V)输出电路不但反馈相互独立，而且其PWM（脉宽调制器），功率变换和变压器都是相互独立的。可以将此3路电源看成是由相互独立的1个＋5V电源和1个±Vout电源共同组合而成。为了进一步减少二者之间的相互干扰和降低各自输出电压纹波的峰－峰值，应当进一步减小各独立电源的输入反射纹波（一般纹波峰－峰值应小于50mV，纹波有效值应小于10mV）和采用同步工作方式。 2?4高频磁放大器稳压器 在多路输出电源中，输出电路经常采用高频磁放大稳压器，它以低成本、高效率、高稳压精度和高可靠性，而在多路输出的稳压电源中得到了广泛应用。 磁放大器能使开关电源得到精确的控制，从而提高了其稳定性。磁放大器磁芯可以用坡莫合金，铁氧体或非晶，纳米晶（又称超微晶）材料制作。非晶、纳米晶软磁材料因具有高磁导率，高矩形比和理想的高温稳定性，将其应用于磁放大器中，能提供无与伦比的输出调节精确性，并能取得更高的工作效率，因而倍受青睐。非晶、纳米晶磁芯除上述特点外还具备以下优点： 1）饱和磁导率低； 2）矫顽力低； 3）复原电流小； 4）磁芯损耗少； 磁放大输出稳压器没有采用晶闸管或半导体功率开关管等调压器件，而是在整流管输出端串联了一个可饱和扼流圈（如图6所示），所以它的损耗小。 由图6可知，磁放大稳压器的关键是可控饱和电感Lsr和复位电路。可控饱和电感是由具有矩形B?H回线的磁芯及其上的绕组组成，该绕组兼起工作绕组和控制绕组的作用。复位（RESET）是指磁通到达饱和后的去磁过程，使磁通或磁密回到起始的工作点，称为磁通复位。由于磁放大稳压器所用的磁芯材料的特点（良好的矩形B?H回线及高的磁导率），使得磁芯未饱和时的可控饱和电感对输入脉冲呈现高阻抗，相当于开路，磁芯饱和时可控饱和电感的阻抗接近于0，相当于短路。 目前开关电源工作频率已提到几百kHz以上，磁放大器在开关电源中的广泛应用对软磁材料提出了更高的要求。在如此高的频率下，坡莫合金由于电阻率太低（约60μΩ·cm）导致涡流损耗太大，造成温升高，效率降低，采用超薄带和极薄带虽能有所改善，但成本将大幅度上升；铁氧体具有很高的电阻率（大于105μΩ·cm），但其Bs过低，居里点也太低。由于工作环境恶劣，对材料的应力敏感性、热稳定性等都有严格要求，上述材料是很难满足要求的。
图6磁放大输出稳压电路
图7辅路带磁放大器的典型应用电路
图8完全利用磁放大器的稳压电路 非晶合金的出现大大丰富了软磁材料。其中的钴基非晶合金具有中等的饱和磁感应强度，超微合金具有较高的饱和磁感应强度，它们都具有极低的饱和磁致伸缩系数和磁晶各向异性。钴基非晶和超微晶在保持高方形比的同时可以具有很低的高频损耗，用于高频磁放大器中，可大大提高电源效率，大幅度减小重量、体积，是理想的高频磁放大器铁芯材料。 3高频磁放大输出稳压器典型应用电路 图7所示的多路输出电源，其主路为闭环反馈PWM控制方式，辅路为磁放大式稳压电源。由于辅路磁放大输入电压波形受控于变压器主、辅绕组比，以及主路的工作状态（主路输出电压的高低和主路负载的高低等），所以辅路的交叉负载调整率仍然不能够达到理想的状态。 图8所示是一种完全利用磁放大器稳压技术设计的多路输出稳压电源。此电源前级为双变压器自激功率变换电路，后级多路输出均为磁放大器稳压电路。并且各路之间无关，前后级之间无反馈，无脉宽调制器（PWM）。 此电路的优点如下： 1）电路结构简单，使用元器件数量少，除了两只功率管以外，其它元器件均是永久性或半永久性的，可靠性极高，制作也很方便； 2）电路中没有隔离反馈放大器，因此调整极其容易，而且一旦调整好后就无须维护，前级变换功率取决于后级总输出功率； 3）各路的输出特性相互独立，独自调整稳压，无主、辅路之分，所以，各输出电路的负载调整率的交叉负载调整率都非常理想，小于0?5％； 4）磁放大器在功率开通瞬间，处于“开路”状态，功率管在此刻的导通电流趋近于零，因而，损耗减到了最低限度，这有利于变换器的高频化和高效率； 5）由于前级功率变换器为不调宽的纯正方波，以及后级接了磁放大器，这样可以大幅度地降低输出纹波的峰－峰值，普通PWM型电源的输出纹波大约为输出电压标称值的1％左右，而采取带磁放大器的整流电路，纹波的峰－峰值可比较容易地降低到0.1％左右。 上述磁放大型稳压电源的综合电特性都是其它PWM隔离负反馈多路电源所无法比似的。尤其对多路电源实际应用来讲，可以对电源内部特性和电子系统的负载特性不予考虑，拿来就能使用，用上就无问题。但是，现代磁放大型稳压电源还存在如下一些问题，有待解决。 1）电路形式需进一步完善（尤其是电源前级功率变换电路），应加入过、欠压保护，过流、短路保护，电源使能端。 2）进一步提高工作频率，以便减小体积。 3）进一步提高效率，减小磁损。 4结语 综合上述，对多路电源应用者而言，可以根据电子系统用电情况，更切实际地提出所用电源的特性参数。对多路电源设计者而言，可以更多更系统地了解现今多路电源设计方法，减少新产品的开发周期，做到事半功倍。 |
多路输出开关电源的设计及应用原则
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2021-09-27 11:58:0944
44反激式开关电源芯片是什么？如何对反激开关电源mos管选型？
1.反激式开关电源芯片--简介反激式开关电源是指使用反激高频变压器隔离输入输出回路的开关电源。“反激”指的是在开关管接通的情况下，当输入为高电平时输出线路中串联的电感为放电状态；相反，在开关管断开
2021-10-21 15:21:0681
81LM2596开关电源 多路开关电源 DC-DC降压电源 固定/可调输出 原理图和PCB
LM2596开关电源 多路开关电源 DC-DC降压电源 固定/可调输出 原理图和PCB目录LM2596开关电源 多路开关电源 DC-DC降压电源 固定/可调输出 原理图和PCB基本原理芯片选型原理图
2021-10-21 19:51:06152
152解析LDO在开关电源中的作用
1. 简化开关电源设计 开关电源多路输出一般通过增加高频变压器反馈端来实现，这使得开关电源在设计过程中增加了设计者的工作量。应用LDO作为开关电源的输出终端，可以极大地简化开关电源
2021-10-21 21:06:0616
16开关电源的输出端反灌电压产生与防护
本文简述了设备中负载系统或是其他原因产生的倒灌电压对开关电源的危害，分析了输出倒灌电压对开关电源中元器件的应力影响。针对不同原因产生的倒灌电压对开关电源的影响，给出不同的防护方案，使得开关电源产品
2022-10-03 17:30:204677
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改善多路输出电源交叉调整率的解决方案
多路输出的开关电源因其体积小、性价比高广泛应用于小功率的各种复杂电子系统中。然而伴随着现代电子系统发展，其对多路输出电源的要求越来越高，如体积、效率、输出电压精度、负载能力（输出电流）、交叉调整
2023-06-08 10:00:422540
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开关电源如何改变输出电压
开关电源如何改变输出电压 开关电源在现代电子设备中应用十分广泛，它可将交流电转换为直流电并将电压、电流、功率等参数稳定地输出。对于不同的应用场景，需要不同的输出电压，所以了解开关电源如何改变输出
2023-08-17 18:22:016168
6168开关电源芯片的输出滤波电容影响是什么
开关电源芯片的输出滤波电容影响是什么 开关电源技术因其高效率、小体积等优点，已经广泛应用于各种领域。自20世纪六十年代以来，开关电源一直是电子电路中不可或缺的部分。在开关电源中，开关电源芯片是关键
2023-08-18 11:14:48964
964开关电源无输出的解决方法
开关电源无输出的解决方法 开关电源是一种常见的电源设备，其采用了高频开关转换电路来实现直流电的转换。由于其具有效率高、体积小和重量轻等优点，因此在许多电子设备中得到了广泛的应用。但是，开关电源
2023-08-18 11:39:154192
4192开关电源输出如何并联使用？
开关电源输出如何并联使用 开关电源是一种广泛应用于各种电子设备中的电源，其包括直流开关电源和交流开关电源。开关电源能够提供稳定、可靠、高效的电压和电流输出，使得它成为许多电子设备的首选电源。然而
2023-08-18 11:39:297975
7975开关电源输出端如何串联？
开关电源输出端如何串联? 开关电源输出端串联，是指将两个及以上的开关电源的输出端连接在一起。这种连接方式在某些场合下是非常有用的，比如需要提高输出电压或者输出电流等。不过，串联的同时也存在着某些
2023-08-18 11:39:325028
5028开关电源输出端并联电阻作用
开关电源输出端并联电阻作用 开关电源是一种常见的电源，它具有高效率、小体积、低发热等优势，广泛应用于电子设备、机器人、航空航天等领域。在开关电源的设计中，输出端并联电阻是一个常见的电路设计，它具有
2023-08-18 11:39:353307
3307两路输出开关电源能并联使用方法
两路输出开关电源能并联使用方法 在电力系统中，开关电源是一个常用的设备类型，用于提供恒定的电流或电压输出。它们可以在各种应用中使用，如计算机系统、医疗设备、无线电系统等。在一些特殊情况下，需要将两个
2023-08-18 14:06:565317
5317推挽开关电源输出效率
推挽开关电源输出效率 推挽开关电源是一种标准的开关电源拓扑结构。它通过利用开关管的导通和截止两种状态来将电源输入电压变换为稳定的输出电压，因此在电源设计中得到了广泛的应用。然而，推挽开关电源是否
2023-08-27 16:05:341070
1070开关电源输出电容计算
开关电源输出电容计算 开关电源是一种高效率、低成本、小体积的电源系统，被广泛应用于各种消费电子、通讯设备、工业自动化等领域。在开关电源设计中，输出电容是一个非常重要的组成部分，其功能是平滑输出电压
2023-08-27 16:49:362154
2154开关电源输出纹波过大怎么办
开关电源输出纹波过大怎么办 开关电源输出纹波太大是一种常见的问题。当我们测量开关电源输出时，若检测到输出波形有异常的谐波波动，那么它可以被界定为输出纹波过大。这种问题不仅会影响开关电源的稳定性，还会
2023-08-29 10:32:321667
1667开关电源输出电感烧毁的5大原因
开关电源输出电感烧毁的5大原因 开关电源是一类非常常见的电源，它在电子设备、计算机、汽车电子、通讯等领域都有广泛的应用。然而，开关电源也存在着一些问题，其中最常见的问题就是输出电感烧毁。输出电感
2023-09-04 17:30:322190
2190开关电源输出端可以加电容滤波吗？
开关电源输出端可以加电容滤波吗 开关电源是一种常见的电源转换器，其基本原理是将输入电源变成高频的交流信号，经过输出变压器变换得到所需电压，并通过输出端口输出。开关电源具有高效、小型、轻便等优点
2023-09-05 14:41:191548
1548开关电源输出可以加大电容吗
开关电源输出可以加大电容吗 开关电源输出可以加大电容 开关电源是现代电子产品中常见的电源形式，通过高频开关将电源电压转化为稳定输出电压，是一种高效、稳定、可靠性高的电源形式。 在开关电源
2023-09-05 14:41:282720
2720开关电源测试系统如何测试输出电压电流的？
开关电源测试系统如何测试输出电压电流的？ 开关电源测试系统是用来测试开关电源的性能和质量的一种设备。其中，测试输出电压和电流是其中非常重要的一项测试内容。本文将详细介绍开关电源测试系统如何测试输出
2023-11-07 10:01:56782
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开关电源是怎么稳压输出的
开关电源，也被称为交换式电源或开关模式电源供应器（SMPS），是一种高效的电源转换设备。与传统的线性电源相比，它能够在提供稳定输出电压的同时，保持更高的能效。开关电源通过使用电力电子开关
2024-02-16 11:09:00483
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工商网监
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