开关电源设计相关Word下载.docx
《开关电源设计相关Word下载.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《开关电源设计相关Word下载.docx（23页珍藏版）》请在冰豆网上搜索。
0811********
学生：
章旭
指导教师：
胡楠
完成日期：
2012年3月19日
内容摘要
概述了开关电源的意义以及发展历史和趋势，剖析了开关电源的结构原理，根据原理进行分类讨论。
根据开关电源PWM的工作原理提出了多种设计方案，选择比较有优势的一种方案进行具体设计，对主电源和辅助电源模块以及相关器件参数进行计算，最后对各个部分进行集成。
对设计过程中出现的问题进行了总结。
关键词：
开关电源；
PWM；
DC/AC；
设计；
参数计算
目录
内容摘要I
引言1
1开关电源概述2
1.1开关电源的发展历史及趋势2
1.2开关电源的基本构成及分类3
1.2.1DC/DC变换3
1.2.2AC/DC变换3
1.2.3开关电源的组成及其作用4
2开关电源的PWM5
2.1开关电源PWM基本原理5
2.2开关电源PWM反馈控制模式5
2.3开关电源PWM特点6
2.4选用PWM芯片原则6
3开关电源设计的电磁兼容性8
3.1电磁兼容概述8
3.2开关电源的电磁兼容性8
3.3电磁兼容性的解决方法8
4直流开关电源设计10
4.1工作原理10
4.2特点10
4.3直流开关电源的保护10
4.3.1过电流保护电路10
4.3.2过电压保护电路11
4.3.3软启动保护电路11
4.3.4过热保护电路11
4.4系统功能11
5开关电源设计13
5.1开关电源的方案设计13
5.2单元模块设计14
5.2.1辅助电源部分设计14
5.2.2主要电源部分设计16
5.2.3保护电路部分设计16
5.2.4继电器驱动部分设计17
5.2.5输出电压比较部分设计17
5.3电路参数计算18
5.3.1辅助电源参数计算18
5.3.2主要电源参数计算19
5.3.3元器件的选择19
5.4各单元模块连接22
5.5系统原理图23
6设计总结25
参考文献26
引言
电源，即提供电能的设备，主要分三类：
一次电源（将其它能量转换为电能），二次电源和蓄电池。
其中，二次电源指的是把输入电源（由电网供电）转换为电压、电流、频率、波形及在稳定性、可靠性（含电磁兼容，绝缘散热，不间断电源，智能控制）等方面符合要求的电能供给负载。
电子设备都离不开可靠的电源。
开关电源由于具有效率高、体积小、重量轻的特点，近年来获得了飞速发展。
开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。
另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
1开关电源概述
开关电源[1]是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和功率开关器件（如MOS-FET）等构成。
简单的说：
就是开关型直流稳压电源。
开关电源把直流电源或交流电源通过它可以获得一个稳定的直流电压源。
它具有效率高，输出电压稳定，交流纹波小，体积小和重量轻的许多优点。
1.1开关电源的发展历史及趋势
1955年美国罗耶（GH.Roger）发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛（JenSen）发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。
到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。
开关电源经过五六十年的发展，加上电子集成技术的日益成熟，开关电源技术的发展也趋于成熟，发展方向也逐渐的明朗起来，开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。
其中最重要的就是高频化，高频化使开关电源小型化，并使开关电源更进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高技术产品的小型化、轻便化。
由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各在开关电源制造商都致力同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。
SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小薄。
开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。
对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。
模块化是开关电源发展的总体趋势，可以用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。
针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化，其噪声也必将随着增大，而用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，使得多项技术得以实用化。
电力电子技术的不断创新，开关电源产业有着广阔的发展前景。
要加快我国开关电源产业的发展速度就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。
1.2开关电源的基本构成及分类
开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类[2]，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺国内外均已成熟和标准化，并已到用户认可，但AC/DC模块化，因其自身特性使模块化进程中，遇到较为复杂技术和工艺制造问题。
以下分别对两类开关电源结构和特性作以阐述。
1.2.1DC/DC变换
DC/DC变换是将固定直流电压变换成可变直流电压，也称为直流斩波。
斩波器工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。
其具体电路由以下几类：
Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。
Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。
Buck-Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。
Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo
大于或小于输入电压UI,极性相反，电容传输。
当今软开关技术使DC/DC发生了质飞跃，美国VICOR公司设计制造多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应功率密度为（6、2、10、17）W/cm3，效率为（80-90）%。
日本NemicLambda公司最新推出一种采用软开关技术高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200~300）kHz，功率密度已达到27
W/cm3，采用同步整流器（MOS-FET代替肖特基二极管），是整个电路效率提高到90%。
1.2.2AC/DC变换
AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向，功率流由电源流向负载称为“整流”，功率流由负载返回电源称为“有源逆变”。
AC/DC变换器输入为50/60Hz交流电，因必须经整流、滤波，体积相对较大滤波电容器是必不可少，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准元件，这样就限制AC/DC电源体积小型化，另外，内部高频、高压、大电流开关动作，使解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高要求，同样原因，高电压、大电流开关使电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化进程，必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定满意程度。
AC/DC变换按电路接线方式可分为，半波电路、全波电路。
按电源相数可分为，单项、三相、多相。
按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。
1.2.3开关电源的组成及其作用
开关电源主要包括输入电网滤波器、输入整流滤波器、变换器、输出整流滤波器、控制电路、保护电路。
它们的功能是[3]：
输入电网滤波器：
消除来自电网，如电动机的启动、电器的开关、雷击等产生的干扰，同时也防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。
输入整流滤波器：
将电网输入电压进行整流滤波，为变换器提供直流电压。
变换器：
是开关电源的关键部分。
它把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输出部分与输入电网隔离的作用。
输出整流滤波器：
将变换器输出的高频交流电压整流滤波得到需要的直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。
控制电路：
检测输出直流电压，并将其与基准电压比较，进行放大。
调制振荡器的脉冲宽度，从而控制变换器以保持输出电压的稳定。
保护电路：
当开关电源发生过电压、过电流短路时，保护电路使开关电源停止工作以保护负载和电源本身。
2开关电源的PWM
PWM开关稳压或稳流电源基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。
2.1开关电源PWM基本原理
PWM的开关频率一般为恒定，控制取样信号有：
输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压、开关器件峰值电流。
其中反馈电路由两部分组成：
输出电压U0经采样电路得到反馈电压Uf反馈到误差放大器的反向端，基准电压UR加至误差放大器同向端，构成常规的电压反馈，即电压外环；
由电阻RS上检测得到的电流反馈信号US和误差放大器的输出Ue分别加至PWM比较器同向端和反向端，构成了电流内环。
PWM比较器输出加至触发器的R端，时钟振荡器从S端向锁存器输出一系列恒定频率的时钟信号。
当功率管导通时，随着电流的增大电流检测信号US也同时增大，直到同Ue电压相等时PWM比较器输出高电平,使锁存器输出转为低电平，功率管关断。
时钟振荡器输出的稳定时钟信号通过锁存器控制着三极管的通断。
由此可以看出，由于引入了电流反馈，对输出电压有前馈调节作用，提高了系统的动态响应，由于电感电流直接跟随误差电压的变化，输出电压就可以很容易的得到控制。
电流内环还使开关电源变换器易于实现并联运行，有利于实现变换器的模块设计。
2.2开关电源PWM反馈控制模式
一般来讲，PWM正激型主电路如图2.2.1[4]所示的降压斩波器简化表示,Ug表示控制电路的PWM输出驱动信号。
根据选用不同的PWM反馈控制模式，电路中的输入电压Uin、输出电压Uout、开关器件电流（由b点引出）、电感电流（由c点引出或d点引出）均可作为取样控制信号。
输出电压Uout在作为控制取样信号时，通常经过图2.2.2所示的电路进行处理，得到电压信号Ue，Ue再经处理或直接送入PWM控制器。
图2.2.2中电压运算放大器（e/a）的作用有三：
①将输出电压与给定电压Uref的差值进行放大及反馈，保证稳态时的稳压精度。
该运放的直流放大增益理论上为无穷大，实际上为运放的开环放大增益。
②将开关主电路输出端的附带有较宽频带开关噪声成分的直流电压信号转变为具有一定幅值的比较“干净”的直流反馈控制信号（Ue）即保
升级会员 