DSP的大功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案 - 全文

　　以TMs320LF2407A為控制核心，介紹了一種基于DSP的大功率開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案。該電源采用半橋式逆變電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，應(yīng)用脈寬調(diào)制和軟件PID調(diào)節(jié)技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電壓的穩(wěn)定輸出。最后，給出了試驗(yàn)結(jié)果。試驗(yàn)表明，該電源具有良好的性能，完全滿足技術(shù)規(guī)定要求。

　　引 言:

　　信息時(shí)代離不開電子設(shè)備，隨著電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子設(shè)備的種類與日俱增，與人們的工作、生活的關(guān)系也日益密切。任何電子設(shè)備又都離不開可靠的供電電源，它們對電源供電質(zhì)量的要求也越來越高。

　　目前，開關(guān)電源以具有小型、輕量和高效的特點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備中，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源。與之相應(yīng)，在微電子技術(shù)發(fā)展的帶動(dòng)下，DSP芯片的發(fā)展日新月異，因此基于DSP芯片的開關(guān)電源擁有著廣闊的前景，也是開關(guān)電源今后的發(fā)展趨勢。

　　1 .電源的總體方案

　　本文所設(shè)計(jì)的開關(guān)電源的基本組成原理框圖如圖1所示，主要由功率主電路、DSP控制回路以及其它輔助電路組成。

　　開關(guān)電源的主要優(yōu)點(diǎn)在“高頻”上。通常濾波電感、電容和變壓器在電源裝置的體積和重量中占很大比例。從“電路”和“電機(jī)學(xué)”的有關(guān)知識(shí)可知，提高開關(guān)頻率可以減小濾波器的參數(shù)，并使變壓器小型化，從而有效地降低電源裝置的體積和重量。以帶有鐵芯的變壓器為例，分析如下：

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　　??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 圖1 系統(tǒng)組成框圖

　　設(shè)鐵芯中的磁通按正弦規(guī)律變化，即φ= φMsinωt，則：

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　　式中，EM= ωWφ M=2πfWφM，在正弦情況下，EM=√2E，φM=BMS，故：

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　　式中，f為鐵芯電路的電源頻率;W 為鐵芯電路線圈匝數(shù);BM為鐵芯的磁感應(yīng)強(qiáng)度;S為鐵芯線圈截面積。

　　從公式可以看出電源頻率越高，鐵芯截面積可以設(shè)計(jì)得越小，如果能把頻率從50 Hz提高到50 kHz，即提高了一千倍，則變壓器所需截面積可以縮小一千倍，這樣可以大大減小電源的體積。

　　綜合電源的體積、開關(guān)損耗以及系統(tǒng)抗干擾能力等多方面因素的考慮，本開關(guān)電源的開關(guān)頻率設(shè)定為30 kHZ。

　　2 系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

　　2.1 功率主電路

　　本電源功率主回路采用“AC-DC-AC—DC”變換的結(jié)構(gòu)，主要由輸入電網(wǎng)EMI濾波器、輸人整流濾波電路、高頻逆變電路、高頻變壓器、輸出整流濾波電路等幾部分組成，如圖2所示。

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　　圖2 功率主電路原理圖

　　其基本工作原理是：交流輸入電壓經(jīng)EMI濾波、整流濾波后得到直流電壓，通過高頻逆變器將直流電壓變換成高頻交流電壓，再經(jīng)高頻變壓器隔離變換，輸出所需的高頻交流電壓，最后經(jīng)過輸出整流濾波電路，將高頻變壓器輸出的高頻交流電壓整流濾波后得到所需要的高質(zhì)量、高品質(zhì)的直流電壓。如圖3所示為交流輸入電壓到最后輸出所需直流電壓的各環(huán)節(jié)電壓波形變換流程。

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　　圖3 功軍主回路的電壓波形變化

　　本開關(guān)電源采用半橋式功率逆變電路。如圖2所示，輸入市電經(jīng)EMI濾波器濾波，大大減少了交流電源輸入的電磁干擾，并同時(shí)防止開關(guān)電源產(chǎn)生的諧波串?dāng)_到輸入電源端。再經(jīng)過橋式整流電路、濾波電路變成直流電壓加在P、N兩點(diǎn)問。P、N之間接人一個(gè)小容量、高耐壓的無感電容，起到高頻濾波的作用。半橋式功率變換電路與全橋式功率變換電路類似，只是其中兩個(gè)功率開關(guān)器件改由兩個(gè)容量相等的電容CA1和CA2代替。在實(shí)際應(yīng)用中為了提高電容的容量以及耐壓程度，CA1和CA2往往采用的是由多個(gè)等值電容并聯(lián)組成的電容組。C A1、CA2 的容量選值應(yīng)在電源體積和重量允許的條件下盡可能的大，以減小輸出電壓的紋波系數(shù)和低頻振蕩。CA1 和CA2 在這里同時(shí)起到了靜態(tài)時(shí)分壓的作用，使Ua =Uin/2。

　　在本電源的設(shè)計(jì)中，采用IGBT來作為功率開關(guān)器件。它既具有MOSFET的通斷速度快、輸入阻抗高、驅(qū)動(dòng)電路簡單及驅(qū)動(dòng)功率小等優(yōu)點(diǎn)，又具有GTR的容量大和阻斷電壓高的優(yōu)點(diǎn)。

　　在IGBT的集射極間并接RC吸收網(wǎng)絡(luò)，降低開關(guān)應(yīng)力，減小IGBT關(guān)斷產(chǎn)生的尖峰電壓;并聯(lián)二極管DQ實(shí)現(xiàn)續(xù)流的作用。二次整流采用全波整流電路，通過后續(xù)的LC濾波電路，消除高頻紋波，減小輸出直流電壓的低頻振蕩。LC濾波電路中的電容由多個(gè)高耐壓、大容量的電容并聯(lián)組成，以提高電源的可靠性，使輸出直流電壓更加平穩(wěn)。

　　2.2 控制電路

　　控制電路部分實(shí)際上是一個(gè)實(shí)時(shí)檢測和控制系統(tǒng)，包括對開關(guān)電源輸出端電壓、電流和IGBT溫度的檢測，對收集信息的分析和運(yùn)算處理，對電源工作參數(shù)的設(shè)置和顯示等。其控制過程主要是通過采集開關(guān)電源的相關(guān)參數(shù)，送入DSP芯片進(jìn)行預(yù)定的分析和計(jì)算，得出相應(yīng)的控制數(shù)據(jù)，通過改變輸出PWM波的占空比，送到逆變橋開關(guān)器件的控制端，從而控制輸出電壓和電流。

　　控制電路主要包括DSP控制器最小系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)電路、輔助電源電路、采樣電路和保護(hù)電路。

　　(1)DSP控制器最小系統(tǒng)

　　DSP控制器是其中控制電路的核心采用TMS32OLF2407A DSP芯片，它是美國TEXAS INSTU—MENTS(TI)公司的最新成員。TMS30LF2407A基于C2xLP內(nèi)核，和以前C2xx系列成員相比，該芯片具有處理性能更好(30MIPS)、外設(shè)集成度更高、程序存儲(chǔ)器更大、A/D轉(zhuǎn)換速度更快等特點(diǎn)，是電機(jī)數(shù)字化控制的升級產(chǎn)品，特別適用于電機(jī)以及逆變器的控制。DSP控制器最小系統(tǒng)包括時(shí)鐘電路、復(fù)位電路以及鍵盤顯示電路。時(shí)鐘電路通過15 MHz的外接晶振提供;復(fù)位電路直接通過開關(guān)按鍵復(fù)位;由4×4的矩陣式鍵盤和SPRT12864M LCD構(gòu)成了電源系統(tǒng)的人機(jī)交換界面。

　　(2)驅(qū)動(dòng)放大電路

　　IGBT的驅(qū)動(dòng)電路采用脈沖變壓器和TC4422組成，其電路原理圖如圖4所示：

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　　圖4 IGBT驅(qū)動(dòng)電路原理圖

　　由于TMS320LF2407A的驅(qū)動(dòng)功率較小，不能勝任驅(qū)動(dòng)開關(guān)管穩(wěn)定工作的要求，因此需要加上驅(qū)動(dòng)放大電路，以增大驅(qū)動(dòng)電流功率，提高電源系統(tǒng)的可靠性。如圖4所示，采用兩片TCA422組成驅(qū)動(dòng)放大電路。

　　TC4421/4422是Microchip公司生產(chǎn)的9A高速M(fèi)OsFET/IGBT驅(qū)動(dòng)器，其中TC4421是反向輸出，TC4422是同向輸出，輸出級均為圖騰柱結(jié)構(gòu)。

　　TC4421/4422具有以下特點(diǎn)：

　?、佥敵龇逯惦娏鞔螅? A;

　?、?電源范圍寬：4.5 V～18 V;

　?、圻B續(xù)輸出電流大：最大2 A;

　?、芸焖俚纳仙龝r(shí)間和下降時(shí)間：30 ns(負(fù)載4700pF)，180 ns(負(fù)載47000 pF);

　　⑤傳輸延遲時(shí)間短：30 ns(典型);

　?、薰╇婋娏餍。哼壿嫛?”輸入～200μA(典型)，邏輯“0”輸入～55 μA(典型);

　?、咻敵鲎杩沟停?.4 Ω(典型);

　?、嚅]鎖保護(hù)：可承受1.5 A的輸出反向電流;

　　⑨輸入端可承受高達(dá)5 V的反向電壓;

　?、饽軌蛴蒚TL或CMOS電平(3 V～18 V)直接驅(qū)動(dòng)，并且輸人端采用有300 mV滯回的施密特觸發(fā)電路。

　　當(dāng)TMS320LF2407A輸出的PWM1為高電平，PWM2為低電平時(shí)，經(jīng)過TCA422驅(qū)動(dòng)放大后輸出，在脈沖變壓器一次側(cè)所流過的電流從PWMA流向PWMB，如圖4中箭頭所示，電壓方向?yàn)樯险仑?fù)。

　　根據(jù)變壓器的同名端和接線方式，則開關(guān)管Q1的柵極電壓為正，Q2的柵極電壓為負(fù)。因此，此時(shí)是驅(qū)動(dòng)QM1導(dǎo)通。反之若是PWM1為高電平，PWM2為低電平時(shí)，則是驅(qū)動(dòng)Q2導(dǎo)通。四只二極管DQ1 ～DQ2的作用是消除反電動(dòng)勢對TCA422的影響。

　　(3)輔助電源電路

　　本開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)過程中所需要的幾路工作電源如下：

　?、?TMS320LF2407 DSP所需電源：I/O 電源(3.3 V)，PLL(PHSAELOCKED LOOP)電源(3.3 V)，F(xiàn)IASH編程電壓(5 V)，模擬電路電源電壓(3.3 V);②TCA422芯片所需電源：電源端電壓范圍4.5～18 V(選擇15 V);③采樣電路中所用運(yùn)算放大器的工作電源為15 V。

　　因此，整個(gè)控制電路需要提供15 V、5 V和3.3 V三種制式的電壓。設(shè)計(jì)中選用深圳安時(shí)捷公司的HAw 5-220524 AC/DC模塊將220 V、50 Hz的交流電轉(zhuǎn)換成24 V直流電，然后采用三端穩(wěn)壓器7815和7805獲得15 V和5 V的電壓。TMS320LF2407A所需的3.3 V由5 V通過TPS7333QD電壓芯片得到。

　　4)采樣電路

　　電壓采樣電路由三端穩(wěn)壓器TL431和光電耦合器PC817之問的配合來構(gòu)成。電路設(shè)計(jì)如圖5所示，TL431與PC817一次側(cè)的LED串聯(lián)，TL431陰極流過的電流就是LED的電流。輸出電壓Ud經(jīng)分壓網(wǎng)絡(luò)后到參考電壓UR與TL431中的2.5 V基準(zhǔn)電壓Uref進(jìn)行比較，在陰極上形成誤差電壓，使LED的工作電流 If發(fā)生變化，再通過光耦將變化的電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)送人LF2407A的ADCIN00引腳。

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　　圖5 電壓采樣電路原理圖

　　由于TMS320LF2407A的工作電壓為3.3 V，因此輸入DSP的模擬信號(hào)也不能超過3.3 V。為防止輸入信號(hào)電壓過高造成A/D輸入通道的硬件損壞，我們對每一路A/D通道設(shè)計(jì)了保護(hù)電路，如圖5所示，Cu2，CU3 起濾波作用，可以將系統(tǒng)不需要的高頻和低頻噪聲濾除掉，提高系統(tǒng)信號(hào)處理的精度和穩(wěn)定性。

　　另外，采用穩(wěn)壓管限制輸入電壓幅值，同時(shí)輸入電壓通過二極管與3.3 V電源相連，以吸收瞬間的電壓尖峰。

　　當(dāng)電壓超過3.3 V時(shí)，二極管導(dǎo)通，電壓尖峰的能量被與電源并聯(lián)的眾多濾波電容和去耦電容吸收。并聯(lián)電阻Ru4的目的是給TL431提供偏置電流，保證TL431至少有1 mA的電流流過。Cu1 和RU3作為反饋網(wǎng)絡(luò)的補(bǔ)償元件，用以優(yōu)化系統(tǒng)的頻率特性。

　　電流采樣的原理與電壓采樣類似，只是在電路中要通過電流傳感器將電流信號(hào)轉(zhuǎn)換為電壓信號(hào)，然后再進(jìn)行采集。

　　(5)保護(hù)電路

　　為保證系統(tǒng)中功率轉(zhuǎn)換電路及逆變電路能安全可靠工作，TMs320LF2407A提供了

輸入信號(hào)，利用它可以方便的實(shí)現(xiàn)逆變系統(tǒng)的各種保護(hù)功能，具體實(shí)現(xiàn)框圖如圖6所示：

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　　圖6 保護(hù)電路結(jié)構(gòu)框圖

　　各種故障信號(hào)經(jīng)或門CD4075B綜合后，經(jīng)光電隔離、反相及電平轉(zhuǎn)換后輸入到

引腳，有任何故障時(shí)，CD4075B輸出高電平，

引腳相應(yīng)被拉為低電平，此時(shí)DSP所有PWM輸出管腳全部呈現(xiàn)高阻狀態(tài)，即封鎖PWM輸出。整個(gè)過程不需要程序干預(yù)，由硬件實(shí)現(xiàn)。這對實(shí)現(xiàn)各種故障信號(hào)的快速處理非常有用。在故障發(fā)生后，只有在人為干預(yù)消除故障，重啟系統(tǒng)后才能繼續(xù)工作。

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　　3 系統(tǒng)的軟件實(shí)現(xiàn)

　　為了構(gòu)建DSP控制器軟件框架，使程序易于編寫、查錯(cuò)、測試、維護(hù)、修改、更新和擴(kuò)充，在軟件設(shè)計(jì)中采用了模塊化設(shè)計(jì)，將整個(gè)軟件劃分為初始化模塊、ADC信號(hào)采集模塊、PID運(yùn)算處理模塊、PWM波生成模塊、液晶顯示模塊以及按鍵掃描模塊。各模塊問的流程如圖7所示。

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　　圖7 軟件模塊流程圖

　　3.1 初始化模塊

　　系統(tǒng)初始化子程序是系統(tǒng)上電后首先執(zhí)行的一段代碼，其功能是保證主程序能夠按照預(yù)定的方式正確執(zhí)行。系統(tǒng)的初始化包括所有DSP的基本輸入輸出單元的初始設(shè)置、LCD初始化和外擴(kuò)單元的檢測等。

　　3.2 ADC采樣模塊

　　TMS320LF2407A芯片內(nèi)部集成了10位精度的帶內(nèi)置采樣/保持的模數(shù)轉(zhuǎn)換模塊(ADC)。根據(jù)系統(tǒng)的技術(shù)要求，10位ADC的精度可以滿足電壓的分辨率、電流的分辨率的控制要求，因此本設(shè)計(jì)直接利用DSP芯片內(nèi)部集成的ADC就可滿足控制精度。另外，該10位ADC是高速ADC，最小轉(zhuǎn)換時(shí)間可達(dá)到500 ns，也滿足控制對采樣周期要求。

　　ADC采樣模塊首先對ADC進(jìn)行初始化，確定ADC通道的級聯(lián)方式，采樣時(shí)間窗口預(yù)定標(biāo)，轉(zhuǎn)換時(shí)鐘預(yù)定標(biāo)等。然后啟動(dòng)ADC采樣，定義三個(gè)數(shù)組依次存放電壓、電流和溫度的采樣結(jié)果，對每一個(gè)信號(hào)采樣8次，經(jīng)過移位還原后存儲(chǔ)到相應(yīng)的數(shù)組中，共得到3組數(shù)據(jù)。如果預(yù)定的ADC中斷發(fā)生，則轉(zhuǎn)人中斷服務(wù)程序，對采樣的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析、處理和傳輸。以電壓采樣為例，其具體的流程圖如圖8所示。

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　　圖8 電壓采樣程序流程圖

　　3.3 PID運(yùn)算模塊

　　本系統(tǒng)借助DSP強(qiáng)大的運(yùn)算功能，通過編程實(shí)現(xiàn)了軟件PID調(diào)節(jié)。由于本系統(tǒng)軟件中采用的是增量式PID算法，因此需要得到控制量的增量△un ，式(3)為增量式PID算法的離散化形式：

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　　開關(guān)電源在進(jìn)入穩(wěn)態(tài)后，偏差是很小的。如果偏差e在一個(gè)很小的范圍內(nèi)波動(dòng)，控制器對這樣微小的偏差計(jì)算后，將會(huì)輸出一個(gè)微小的控制量，使輸出的控制值在一個(gè)很小的范圍內(nèi)，不斷改變自己的方向，頻繁動(dòng)作，發(fā)生振蕩，這既影響輸出控制器，也對負(fù)載不利。

　　為了避免控制動(dòng)作過于頻繁，消除由于頻繁動(dòng)作所引起的系統(tǒng)振蕩，在PID算法的設(shè)計(jì)中設(shè)定了一個(gè)輸出允許帶eo。當(dāng)采集到的偏差|en|≤eo時(shí)，不改變控制量，使充電過程能夠穩(wěn)定地進(jìn)行;只有當(dāng)|en| >eo 時(shí)才對輸出控制量進(jìn)行調(diào)節(jié)。PID控制模塊的程序流程如圖9所示：

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　　圖9 PID運(yùn)算程序流程圖

　　3.4 PWM 生成模塊

　　TMS320LF2407A內(nèi)部包括兩個(gè)事件管理器模塊EVA和EVB，每個(gè)事件管理器模塊包括通用定時(shí)器GP、比較單元、捕獲單元以及正交編碼脈沖電路。通過TMS320LF2407A事件管理模塊中的比較單元可以產(chǎn)生帶死區(qū)的PWM波，與PWM 波產(chǎn)生相關(guān)的寄存器有：比較寄存器CMPRx、定時(shí)器周期寄存器Tx—PR、定時(shí)器控制寄存器TxCON、定時(shí)器增/減計(jì)數(shù)器TxCNT、比較控制寄存器COMCONA/B、死區(qū)控制寄存器DBTCONA/B。

　　PWM波的生成需對TMS320LF2407A的事件管理模塊中的寄存器進(jìn)行配置。由于選用的是PWM1/2，因此配置事件管理寄存器組A，根據(jù)需要生成帶死區(qū)PWM波的設(shè)置步驟為：

　　(1)設(shè)置并裝載比較方式寄存器ACTRA，即設(shè)置PWM波的輸出方式;

　　(2)設(shè)置T1CON寄存器，設(shè)定定時(shí)器1工作模式，使能比較操作;

　　(3)設(shè)置并裝載定時(shí)器1周期寄存器T1PR，即規(guī)定PWM 波形的周期;

　　(4)定義CMPR1寄存器，它決定了輸出PWM 波的占空比，CMPR1中的值是通過計(jì)算采樣值而得到的;

　　(5)設(shè)置比較控制寄存器COMCONA，使能PD—PINTA 中斷;

　　(6)設(shè)置并裝載死區(qū)寄存器DBTCONA，即設(shè)置死區(qū)時(shí)間。

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　　圖10所示為帶死區(qū)PWM波的生成原理

　　3.5 鍵盤掃描及LCD顯示模塊

　　按鍵掃描執(zhí)行模塊的作用是判斷用戶的輸入，對不同的輸入做出相應(yīng)的響應(yīng)。本開關(guān)電源設(shè)計(jì)采用16個(gè)壓電式按鍵組成的矩陣式鍵盤構(gòu)成系統(tǒng)的輸入界面。16個(gè)按鍵的矩陣式鍵盤需要DSP的8個(gè)I/O口，這里選用IOPA0～I(xiàn)OPA3作為行線，IOPF0～I(xiàn)OPF3作為列線。由于TMS320LF2407A都是復(fù)用的I/O口，因此需要對MCRA和MCRC寄存器進(jìn)行設(shè)置使上述8個(gè)I/O口作為一般I/O端口使用。按鍵掃描執(zhí)行模塊采用的是中斷掃描的方式，只有在鍵盤有鍵按下時(shí)才會(huì)通過外部引腳產(chǎn)生中斷申請，DSP相應(yīng)中斷，進(jìn)人中斷服務(wù)程序進(jìn)行鍵盤掃描并作相應(yīng)的處理。

　　LCD顯示模塊需要DSP提供11個(gè)I/O口進(jìn)行控制，包括8位數(shù)據(jù)線和3位控制線，數(shù)據(jù)線選用IOPB0～I(xiàn)OPB7，控制線選用IOPFO IOPF2，通過對PBDATDIR和PFDATDIR寄存器的設(shè)置實(shí)現(xiàn)DSP與LCD的數(shù)據(jù)傳輸，實(shí)時(shí)顯示開關(guān)電源的運(yùn)行狀態(tài)。

　　4 樣機(jī)研制

　　主要技術(shù)指標(biāo)如下：輸入電壓：三相AC380 V±5% ;輸出電壓：DC220V±2% ;輸出電流：50 A;額定功率：11 kW。

　　所得試驗(yàn)樣機(jī)額定負(fù)載時(shí)的輸出波形如圖11(a)所示。由圖11(a)實(shí)際讀數(shù)可知，輸出電壓從0上升到220 V的響應(yīng)時(shí)間為1s左右，電源系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度。同時(shí)，由圖11(b)中的電壓波形局部放大圖可見，輸出電壓為220 V時(shí)，電壓波動(dòng)在2 V左右，其最大電壓波動(dòng)小于1%。

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　　??????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????? 圖11 樣機(jī)額定負(fù)載時(shí)的輸出波形

　　5 結(jié)論：

　　本文介紹的基于DSP的大功率高頻開關(guān)電源，充分發(fā)揮了DSP強(qiáng)大功能，可以對開關(guān)電源進(jìn)行多方面控制，并且能夠簡化器件，降低成本，減少功耗，提高設(shè)備的可靠性。試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明指標(biāo)滿足設(shè)計(jì)要求，本電源均能夠保持良好的輸出性能。