PWM开关电源.docx
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PWM开关电源
1.1.2我国开关电源历程
从我国开关电源的发展过程可以了解国际开关电源发展的一个侧面，虽然一般说来，我国技术发展水平与国际先进水平平均有5～10年差距。
70年代起，我同在黑白电视机，中小型计算机中开始应用5V，20-200A，20kHZAC－DC开关电源。
80年代进入大规模生产和广泛应用阶段，并开发研究0.5～5MHz准谐振型软开关电源。
80年代中，我国通信（如程注交换机）电源在AC－DC及DC－DC开关电源应用领域中所占比重还比较低。
80年代末我国通信电源大规模更新换代，传统的铁磁稳压-整流电源和晶闸管被相控稳压电源为大功率（48V，6kw）AC－DC开关电源（通信系统中常称为开关型整流器SMR）所取代；并开始在办公室自动化设备中得到应用。
工业应用方面，在锅炉火焰控制，继电保护，激光，彩色TV，离子管灯丝发射电流调节，离子注射机，卤钨灯控制等系统中均有应用。
90年代我国又研制开发了一批新型专用开关电源，典型例子如下：
1.卫星开关电源。
东方红三号通信卫星、风云一号、二号气象卫星均应用了开关电源。
特点是：
多路输出，不可维修性，要求长期不改变性能，设置冗余模块，可靠性高，EMC满足空间环境条件，高效，轻小。
2.远程火箭控制系统的DC－DC开关电源，要求发射过程中高度可靠。
3.1000kW牵引变流器4500V／1200AGTO门控250W开关电源。
4.40kW固体脉冲激光器的软开关电源。
用4台10kw全桥多谐振ZVS变换器并联。
5.焊机用双IGBT管正激车电压转换—脉定调制（ZVT－PWM）软开关电源。
输出20kW，500A，开关频率40kHZ，效率92％。
特点是负载大范围变化频繁，工作环境恶劣。
要求电源冲击电流小，动态特性好，负载不影响软开关性质。
6.变电所在流操作系统开关电源。
供继电保护和自动装置及蓄电池充电用。
代替晶闸管调压系统，输出10A，180～286V。
主开关管用IGBT或功率MOSFET。
7.单相和三相高功率因数整流器（有源功率同数校正器）。
可以看出20～30年中，我国开关电源的应用领域和技术性能有很大进展，这与国家基础工业和国力增强有密切关系，也和国际先进开关电源技术影响有关。
充分显示了中国电源技术人员的聪明才智和艰苦奋斗的创业精神。
90年代，中小型（500W以下）AC－DC和DC-DC开关电源的特点是：
高频化（开关频率达300－400kHZ）以达到高功率密度，体小量轻；力求高效和高可靠；低成本；低输出电压（≤3V）；AC输入端高功率同数等。
在今后5年内仍然将沿这些方向发展。
主要技术标志从技术上看，几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的主要标志是：
1.新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可能。
如功率MOSFET和IGBT已完全可代替功率晶体管和晶闸管，从而使中小型开关电源下作频率可达到400kHZ（AC－DC）和1MHZ（DC-DC）的水平。
超快恢复功率二极管，MOSFE同步整流技术的开发也为高效低电压输出（例如3V）开关电源的研制有了可能。
现正在探索研制耐高温的高性能碳化砖功率来导体器件。
2.软开关技术使高效率高频开关变换器的实现有了可能。
PWM开关电源按硬开关模式工作（开／关过程中电压卜降／上升和电流上升／下降波形有交叠），因而开关损耗大。
开关电源高频化可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了（功耗与频率成正比）。
为此必须研究开关电比／电流波形个交更的技术，即所谓零电压（ZVS）／本电流（ZCS）开关技术，或称软开关技术（相对于PWM硬开关技术而言），小功率软开关电源效率可提高到80～85％。
70年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础。
以后新的软开关技术不断涌现，如准谐振（80年代中）全桥移相ZVS－PWM，恒频ZVS－PWM／ZCS－PWM（80年代末）ZVS－PWM有源钳位；ZVT－PWM／ZCT-PWM（90年代初）全桥移相ZV－ZCS－PWM（90年代中）等。
我国已将最新软开关技术应用于6KW通信电源中，效率达93%。
3.控制技术研究的进展。
如电流型控制及多环控制，电荷控制，一周期控制，功率因数控制，DSP控制；及相应专用集成控制芯片的研制成功等，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。
4.有源功率因校正技术（APFC）的开发，提高了AC－DC开关电源功率因数。
由于输入端有整流——电容元件，AC－DC开关电源及一大类整流电源供电的电子设备（如逆变器，UPS）等的电网测功率因数仅为0.65，80年代用APFC技术后可提高到0.95～0.99，既治理了电网的谐波“污染”，又提高了开关电源的整体效率。
单相APFC是DC－DC开关变换器拓扑和功率因数控制技术的具体应用，而三相APFC则是三相PWM整流开关拓扑和控制技术的结合。
5.磁性元件新型磁材料和新型变压器的开发。
如集成磁路，平面型磁芯，超薄型（Lowprofile）变压器；以及新型变压器如压电式，无磁芯印制电路（PCB）变压器等，使开关电源的尺寸重量都可减少许多。
6.新型电容器和EMI滤波器技术的进步，使开关电源小型化并提高了EMC性能。
7.微处理器监控和开关电源系统内部通信技术的应用，提高了电源系统的可靠性。
90年代末又提出了新型开关电源的研制开发，这也是新世纪开关电源的发展远景。
如：
用一级AC－DC开关变换器实现稳压或稳流，并具有功率因数校正功能，称为单管单级或4S高功率因数AC－DC开关变换器；输出1V，50A的低电压大电流DC－DC变换器，又称电压调节模块VRM，以适应下一代超快速微处理器供电的需求；多通道（Multi－Channel或Multi－Phase）DC－DC开关变换器；网络服务器（Server）的开关电源可携带式电子设备的高频开关电源等。
1.1.3开关电源技术发展动向
1.小型、薄型、轻量化
由于电源轻、小、薄的关键使高频化，因此，国外目前都在致力于同步开发新型元器件，特别使改善二次整流管的损耗、变压器及电容小型化，并同时采用表面安装（SMT）技术在电路板两面布置元器件以确保开关电源的轻、小、薄。
2.高效率
开关电源高频化使传统的PWM开关（硬开关）功耗加大，效率降低，噪声也增大了，达不到高频、高效的预期效益，因此，实现零电压导通、零电流关断的软开关技术将成为开关电源未来的主流。
采用软开关技术可以使效率达到85％～88％。
3.高可靠性
可用模块电源使用的元器件比线性工作电源多数十倍，因此，降低了可靠性。
追求寿命的延长要从设计方面着手，而不是从使用方面着想。
4.模块化
可用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成N+1余电源系统，从而提高可靠性；可以做成插入式，实现热交换，从而在运行中出现故障时能快速更换模块插件；多台模块并联可实现大功率电源系统。
此外，还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩大容量。
5.低噪声
开关电源又一缺点时噪声大，单纯追求电源高频化，噪声也随之增大。
采用部分谐振变换技术，在原理上说明可以高频化，又可以低噪声。
但谐振变换技术也有其难点，如果难准确地控制开关频率、谐振时增大了元器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗元器件热应力转向开关管等问题难以解决。
6.抗电磁干扰（EMI）
当开关电源在高频下工作时，其噪声通过电源线产生对其他电子设备干扰，世界各国已有抗EMI的规范或标准。
7.电源系统的管理和控制
应用微处理器或微机集中控制和管理，可以及时反映开关电源环境的各种变化。
中央处理单元实现智能控制，可自动诊断故障，减少维护工作量，确保正常运行。
8.计算机辅助设计（CAD）
利用计算机对开关电源进行CAD设计和模拟试验，十分有效，是最为快速经济的设计方法。
9.产品更新加快
目前开关电源产品要求输入电压通用（使用世界各国电网电压规模），输出电压范围扩大（入计算机和工作站需要增加3.3V这一挡电压，程控需要增加直流150V电压），输入端公里因数进一步提高，具有安全、过压保护等功能。
第2章PWM开关电源的基本原理
2.1PWM开关电源的基本原理
开关电源的工作过程相当容易理解。
在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态。
在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏安乘积总是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）。
功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。
与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。
脉冲的占空比是开关电源的控制器来调节。
一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来生高或降低。
通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。
最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。
控制器的主要目的式保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。
也就是说控制器的功能模块电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。
它们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压脉冲转换单元。
开关电源有两种主要的工作方式：
正激式变换和升压式变换。
尽管它们各部分的布置差别很少，但是工作过程相差很大，在特定的场合下个有优点。
正激式变换器的优点式：
输出电压的纹波峰峰值比升压式变换器低，同时可以输出比较高的功率，正激式变换器可以提供数千瓦的功率。
升压式变换器中峰值电流较高，因此只适合功率不大于150W的应用场合，在所有拓扑中，这类变换器所用的元器件最小，因而在中小功率的应用场合中和流行。
开关电源的工作原理是:
1.交流电源输入经整流滤波成直流;
2.通过高频PWM（脉冲宽度调制）信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上;
3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载;
4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的.
2.2PWM开关电源的组成模块
第3章设计思想与方案论证
3.1设计思想
PWM开关电源在使用时比线性电源具有更高的效率和灵活性。
我们可以在航空和自动化产品、仪器仪表、离线式产品中发现它们的踪影，它们通常应用于要求效率和多组电源电压输出的场合。
开关电源的重要要比线性电源轻的多。
因为对于相同的输出功率，开关电源的散热器要小的多。
但是开关电源的成本较高，而且需要较长的时间开发。
所以PWM开关电源的的成本和效率是本设计的主要问题。
基于这些问题，所以在本设计中，我们要注重成本的问题和设计电源的时间。
3.2方案论证
在开始设计开关电源时，主要考虑的是采用何种基本拓扑。
开关电源设计中，拓扑类型与电源各个组成部分的布置有关。
这种布置与电源可以在何种环境下安全工作以及可以给负载提供的最大功率密切相关。
这也是设计中性能价格折中的关键点。
3.2.1方案选择
1.方案一
正激式电路构成一大开关电源拓扑，其电路结构特点式功率管之后或变压器二次侧输出整流器之后紧跟LC滤波器。
图3-1是一种简单正激式变换器电路，即所谓的Buck变换器。
包括PWM开关电源的拓扑、主要波形和一些估计的参数。
图3-1Buck电路
电路的工作可以看作一个机械飞轮和单活塞发动机，电路的LC滤波器就是飞轮，存储从驱动器输出的脉冲功率。
LC滤波器（扼流输入滤波器）的输入就是经过斩波以后的电压。
LC滤波器平均了占空比调制的脉冲电压。
LC滤波器的作用可用下式表示：
式中D—占空比
通过控制电路改变占空比，即可保持输出电压恒定。
Buck变换器之所以被称作降压式变换器，是因为它的输出电压必须低于输入电压。
我们可以把Buck电路的工作过程分成两个阶段。
当开关导通时，输入电压加到LC滤波器的输入端，电感上的电流以固定斜率线性上升。
在这个阶段，电感存储能量。
输入的能量就存储在电感铁心材料的磁通中。
当开关断开时，由于电感上的电流不能突变，电感电流就通过二极管D续流，该二极管称为续流二极管，这样就实现了对原先流过开关管电流的续流，同时电感中存储的一部分能量向负载释放。
续流电流环包括：
二极管电感负载。
在这个阶段，电流波形时一条斜率为负的斜线。
当开关再次导通时，二极管迅速关断，电流从输入电源和开关管流过。
在开关导通前瞬间，电感上的电流就是开关管通过的初始电流。
直流输出的负载电流在最大值和最小值之间波动。
在典型应用中，电感电流的最大值为负载电流的150％，最小值为负载电流的50％。
2.方案二
反激式变压器。
反激式则指当功率MOSFET导通时，就将电能储存在高频变压器的初级绕组上，仅当MOSFET关断时，才向次级输送电能。
其拓扑、主要波形和一些估计参数，如图3-2。
图3-2反激式电路
3.方案三
半桥电路。
其拓扑、主要波形和一些估计参数，如图3-3。
图3-3半桥电路
3.1.2方案论证
1.方案一
在正激式电路拓扑中，即本方案一中的Buck变换器中。
输出电压的纹波峰峰值比升压式变换器低，同时可以输出比较高的功率，正激式变换器可以提供数千瓦的功率。
另外Buck变换器的输出电压必须低于输如电压。
2.方案二
反激式电路拓扑，由于具有使用原器件少、本身固有效率比较高的特点，在功率低于100～150W的场合非常受欢迎。
但是，反激式电路的电流峰值比正激式电路高很多，因此在相当底的输出电压下，也可能超出开关管的SOA。
3.方案三
在150～500W范围内，半桥电路比较常用。
它使用的元器件比较多，但还是可以接受的。
半桥电路输入电压只有一半加在变压器一次恻，这导致电流峰值增加。
因此半桥电路只在500W或更低输出功率场合下使用。
每种拓扑都有自己的优缺点，有的拓扑可能成本比较底，但输出的功率受到限制；而有的可以输出足够的功率，但成本比较高等。
在一种应用场合下，有好几种拓扑可以工作，但只有一种是在要求的成本范围内性能最好的。
表3-1是各种各样拓扑及其相应的优点。
表3-1PWM开关电源拓扑的比较
拓扑
功率范围/W
Vin（de）范围/V
输入输出隔离
典型效率（%）
相对成本
Buck电路
0～1000
5～40
无
70
1.0
Boost电路
0～150
5～40
无
80
1.0
Buck-Boost电路
0～150
5～40
无
80
1.0
正激式电路
0～150
5～500
有
78
1.4
反激式电路
0～150
5～500
有
80
1.2
推挽式电路
100～1000
50～1000
有
75
2.0
半桥电路
100～500
50～1000
有
75
2.2
全桥电路
400～2000+
50～1000
有
73
2.5
总结上面各个电路的拓扑的比较，如果设计一个65W的开关电源，选择反激式电路拓扑即方案二是比较好的。
第4章系统设计
在本文中，是设计一个65W通用交流输入多路输出反激式变压器的PWM开关电源。
这种开关电源可用于AV85～240V输入的电子产品中。
这种特殊的开关电源可以提供25～150W的输出功率，可以用在办公室小型分组交换机（PBX）等产品中。
4.1技术指标
输入电压范围：
AC90～240V，50/60Hz。
输出：
DC+5V，额定电流1A，最小电流750mA
DC+12V，额定电流1A，最小电流100mA
DC－12V，额定电流1A，最小电流100mA
DC+24V，额定电流1A，最小电流0.25A
输出电压纹波：
+5V，+12V：
最大100mV（峰峰值）
+24V：
最大250mV（峰峰值）
输出精度：
+5V，±12V：
最大±5%
+24V：
最大±10%
低电压输入限制：
该电源产品允许最低输入电压为AC85（1±5%）V
微处理器掉电信号：
该电源系统在+5V输出端电压低于4.6（1±5%）V时，提供一个集电极输出开路的信号。
4.2输入整流器/滤波器部分的设计
输入整流器/滤波器电路在开关电源中不被人重视。
典型的输入整流器/滤波器电流由三到四个部分组成：
EMI滤波器、浪涌抑制器、整流级（离线应用场合）和输入滤波电容。
许多交流输入离线式电源要求有功率因数校正（PFC）。
其电路图如图4－2。
图4－2输入整流滤波电路
4.2.1EMI滤波器
随着电子设计、 计算机与家用电器的大量涌现和广泛普及，电网噪声干扰日益严重并形成一种公害。
特别是瞬态噪声干扰，其上升速度快、持续时间短、电压振幅度高（几百伏至几千伏）、随机性强，对微机和数字电路易产生严重干扰，常使人防不胜防，这已引起国内外电子界的高度重视。
电磁干扰滤波器（EMI Filter）是近年来被推广应用的一种新型组合器件。
它能有效地抑制电网噪声，提高电子设备的抗干扰能力及系统的可靠性，可广泛用于电子测量仪器、计算机机房设备、开关电源、测控系统等领域。
输入滤波的前级是EMI滤波器。
这个电感流过的是相对较大的直流电流，并且要防止高频开关噪声进入输入电源端。
在交流离线应用场合，经常用共模扼流圈，在本设计中，EMI滤波器选用二阶共模滤波器。
EMI滤波器的主要作用是滤除开关噪声和由输入线引起的谐波。
1基本电路及其典型应用
该五端器件有两个输入端、两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地。
电路中包括共模扼流圈（亦称共模电感）L、滤波电容C1～C4。
L对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。
它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上，当有电流通过时，两个线圈上的磁场就会互相加强。
L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关。
需要指出，当额定电流较大时，共模扼流圈的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流。
此外，适当增加电感量， 可改善低频衰减特性。
C1和C2采用薄膜电容器，容量范围大致是0.01μF～0.47μF,主要用来滤除串模干扰。
C3和C4跨接在输出端，并将电容器的中点接地，能有效地抑制共模干扰。
C3和C4亦可并联在输入端，仍选用陶瓷电容，容量范围是2200pF～0.1μF。
为减小漏电流，电容量不得超过0.1μF，并且电容器中点应与大地接通。
C1～C4的耐压值均为630VDC或250VAC。
还有EMI滤波器要尽可能靠近电源里的供电线输入端。
如果滤波器前的线太长，从外面引入的传导EMI会干扰开关电源的工作。
相反，开关电源里面的长导线也会产生RFI（射频干扰），并向外发射，这样无法通过电源EMI检测。
4.2.2浪涌抑制部分
浪涌抑制部分要放在EMI滤波电感后，但在整流（离线式）和输入滤波电容（直流输入）前。
所有浪涌抑制器都要用EMI滤波电感和串连阻抗来防止超过它们额定的瞬时能量。
EMI电感极大地减少了瞬时电压峰值，并在时间上把它延长，这样提高了抑制器的工作寿命。
但是，不同的浪涌抑制器技术所串连的内部电阻特性也不一样。
浪涌电压抑制器件基本上可以分为两大类。
第一种类为橇棒（Crowbar）器件，另一类为箝位保护器，即保护器件在击穿后，其两端电压维持在击穿电压上不再上升，以箝位的方式起到保护作用。
常用的箝位保护器是氧化锌压敏电阻ＭＯＶ，瞬态电压抑制器（ＴＶＳ）等。
在本文中，选择的是金属氧化物变阻器（MOV），发生浪涌时，抑制器的电阻会影响到加在它上面的额外电压。
4.2.3单相桥式整流电路和电容滤波电路
1.单相桥式整流电路
单相桥式式整流电路适用与1KW以下的整流电路中。
完成这一电路主要是靠二极管的单向导电作用，因此二极管是构成整流电路的关键元件。
（a）工作原理
单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路，因为是由四只整流二极管D1～D4接成电桥的形式，所以称为桥式整流电路。
如图1（a）所示。
为了更清楚的解释其工作原理，我将桥式整流电路的输出直接接一个负载。
在分析整流电路工作原理时，整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。
根据图1（a）的电路图可知：
（a）桥式整流电路（b）波形图
图1单相桥式整流电路
当正半周时，二极管D1、D3导通，在负载电阻上得到正弦波的正半周。
电流由TR次级上端经D1→ RL →D3回到TR 次级下端，在负载RL上得到一半波整流电压。
如图4
当负半周时，二极管D2、D4导通，在负载电阻上得到正弦波的负半周。
电流由Tr次级的下端经D2→ RL →D4
在负载电阻上正、负半周经过合成，得到的是同一个方向的单向脉动电压。
单相桥式整流电路的波形图见图1（b）。
参数计算
根据图1（b）可知，输出电压是单相脉动电压，通常用它的平均值与直流电压等效。
输出平均电压为:
流过负载的平均电流为:
流过二极管的平均电流为:
二极管所承受的最大反向电压
二级管的选择应主要考虑以上两个因素。
在这次设计中，我选用的是二级管IN4004。
2电容滤波电路
滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。
电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。
经过滤波电路后，既可保留直流分量，又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。
（a）电容滤波电路结构
现结合单相桥式整流和电容滤波电路为例来说明。
电容滤波电路如图2所示，在负载电阻上并联了一个滤波电容C。
图2电容滤波电路
（b）滤波原理
若V2处于正半周，二极管D1、D3导通，变压器次端电压V2给电容器C充电。
此时C相当于并联在v2上，所以输出波形同v2，是正弦波。
当v2到达t=/2时，开始下降。
先假设二极管关断，电容C就要以指数规律向负载ＲL放电。
指数放电起始点的放电速率很大。
在刚过t=/2时，正弦曲线下降的速率很慢。
所以刚过t=/2时二极管仍然导通。
在超过t=/2后的某个点，正弦曲线下降的速率越来越快，当刚超过指数曲线起始放电速率时，二极管关断。
所以在t2到t3时刻，二极管导电，Ｃ充电，Vi=Vo按正弦规律变化；t1到t2时刻二极管关断，Vi=Vo按指数曲线下降，放电时间常数为RLC。
电容滤波过程见图3。
图3电容滤波电路波形
（c）外特性
整流滤波电路中，输出直流电压VO随负载电流IO的变化关系曲线如图4所示。
图4电容滤波外特性曲线
（d）电容滤波电路参数的计算
负载平均电压VL升高，纹波减少，且RLC越大，电容放电速率越慢，则负载电压中的纹波成分越小，负载平均电压越高。
为了得到平滑的负载电压，一般取：
在本设计中，我采用AD250V的100µF电容。
电容滤波电路的计算比较麻烦，因为决定输出电压的因素较多。
一般常采用以下近似估算法：
RLC=（35）
的条件下，近似认为VO=1.2V2。
4.3变压器
变压器不论工作频率高低，都是通过电磁感应来传输能量的。
传输能量的大小，与变压器所用的材料、结构、尺寸和工作频率有关。
如果传输的能量为定值，工作频率高，在一定时间内传输能量的次数多，每一次传输的能量可以少，则变压器用的材料少，结构尺寸小。
用脉宽调制（PWM）方式改变变压器传输能量和电压大小，是一种外加控制方法。
使用条件包括两方面内容：
可靠性和电磁兼容性。
可靠性是指在具体的使用条件下，高频电源变压器能正常工作到使用寿命为止。
一般使用条件对高频电源变压器影响最大的是环境温度。
其磁通密度，磁导率和损耗都随温度发生变化，故除正常温度25℃外，还要给出60℃，80℃，100℃时的各种参考数据。
电磁兼
升级会员 