高频开关电源毕业设计论文.doc

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摘要

通信电源是电信网的能源，其供电质量的好坏直接关系到整个电信网的畅通，本设计分析了国内外高频开关电源的发展和现状，研究了高频开关电源的基本原理以及高频开关电源在电力直流操作电源系统中的应用，设计出一种实用于电力系统的高频开关电源，以替代传统的相控电源。

该系统以MOSFET作为功率开关器件，构成带隔离变压器的推挽式直流斩波开关变换器，采用脉宽调制PWM技术，从输出实时采样电压反馈信号，以控制输出电压的变化，控制电路和主电路之间通过变压器或光电耦合器进行隔离，并设计了软启动和过流保护电路。

关键词高频开关电源推挽式变换器MOSFET

Abstract

Thecorrespondencepowerswitchisthetelecommunicationnetworkenergy,itspowersupplyqualityqualityrelatesdirectlytotheentiretelecommunicationnetworkunimpededness,ThePaperanalyzethePresentsituationanddevelopmentofh1gh_frequencySwitchingpowersupply（HFSPS）domesticallyandoverseas，studyandresearchthebasalprincipleofHFSPSanditsapplicationinelectricpowersystem，thendesignHFSPSappliedine1eetricpowersysteminordertoreplacetheoldsupplycontrolledbyphaseangle.Thefeedbackvoltageachievedfromoutputisusedtocontrolthechangeoftheoutput.Theprimarycircuitandthecontrolcircuitareinsulatedbytransformerorphotocoupler.TheSoft_StartandtheOverCurrentSelf_protectionarealsodesigned.

KeywordsHFSwitchpowerSupplyPush-pullConverterMOSFET

目录

摘要 I

Abstract II

第1章绪论 1

1.1本设计研究的意义 1

1.2国内外的研究现状 2

1.3通信高频开关电源的发展 4

1.4设计内容 8

第2章主电路的设计 9

2.1高频开关电源的基本原理 9

2.2滤波电路的设计 11

2.3整流电路的设计 14

2.4变换电路的设计 15

2.4.1变换器中的开关元件 20

2.4.2功率开关管的选择 25

2.4.3变压器的设计 27

第3章控制电路设计 34

3.1控制芯片 34

3.2触发脉冲生成电路 38

第4章驱动电路的设计 42

第5章保护电路的设计 47

5.1谐振软开关电路 47

5.2MOSFET管保护电路 50

5.2.1门极过电压保护 50

5.2.2漏源过电压保护 51

5.2.3负载过压保护 52

第6章辅助电源 54

经济与社会效益分析 56

结论 57

致谢 58

参考文献 59

附录1 61

CONTENTS

Abstract I

Chapter1Introduction 1

1.1Thesignificanceofthisresearch 1

1.2Thecurrentresearchathomeandabroad 2

1.3Thedevelopmentofthecommunicationfrequencyswitchingpower

supply 4

1.4Designcontent 8

Chapter2Thedesignofthemaincircuit 9

2.1Thebasicprinciplesofhigh-frequencyswitchingpowersupply 9

2.2Thedesignofthefiltercircuit 11

2.3Thedesignoftherectifiercircuit 14

2.4Inputdevicestoprotect 15

2.4.1Surgecurrentsuppression 20

2.4.2Thermistortechnicalanalysis 25

2.4.3Thedesignofthetransformer 27

Chapter3Thecontrolcircuitdesign 34

3.1Controlchip 34

3.2Triggerpulsegeneratingcircuit 38

Chapter4Thedesignofthedrivecircuit 42

Chapter5Thedesignoftheprotectioncircuit 47

5.1Resonantsoft-switchingcircuit 47

5.2MOSFETprotectioncircuit 50

5.2.1Gateover-voltageprotection 50

5.2.2Drain-sourcevoltageprotection 51

5.2.3Loadover-voltageprotection 52

Chapter6Auxiliarypowersupply 54

Theeconomicandsocialbencfitandanalysis 56

Conclusion 57

Acknowledgements 58

Reference 59

Appendix1 61

V

第1章绪论

通信用高频开关电源，英文译为Communicationwiththehigh-frequencyswitchingpowersupply）是指用通过电路控制开关管进行高速的道通与截止。

将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压转华为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50Hz高很多。

所以开关变压器可以做的很小，而且工作时也不会很热。

1.1本设计研究的意义

通信业的迅速发展极大地推动了通信电源的发展，开关电源在通信系统中处于核心地位，并已成为现代通信供电系统的主流[1]。

在通信领域中，通常将高频整流器称为一次电源，而将直流/直流（DC／DC）变换器称为二次电源。

随着大规模集成电路的发展，要求电源模块实现小型化，因而需要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构，这就对高频开关电源技术提出了更高的要求。

通信高频开关电源模块的应用上面，有以下几个方面的要求：

一．体积小，重量轻

高频变压器取代了传统电源中的大而粗笨的工频变压器，使得电源越来越小型化、轻量化。

二．工作频率高

工作频率高，使输出滤波电路可以实现小型化。

三．功率因数高

高频开关电源模块利用有源功率因数校正电路，功率因数可达0.98以上，而传统电源波形畸变，对电网上的弱电设备有严重的干扰。

四．效率高，节省能源

高频开关电源模块的效率一般在88～95%，传统电源一般在70%以下。

五.动态响应好

高频开关电源模块的工作频率高，对负载和电网的动态响应远远优于传统电源。

六．纹波小

高频开关电源模块的输出纹波一般都比传统电源小。

七．噪音低

高频开关电源模块的工作频率在人的听觉范围之外，可闻噪音要比传统电源低很多。

八．扩容方便

高频开关电源模块一般采用模块式结构，维护、扩容比较方便。

九.便于采用公道而又灵活的配置

在现代通讯系统中，采用高频开关电源模块模块时，一般采用N+1供电方式。

即在满足设计负荷所需的整流模块基础上，增加一个模块。

平时N+1个模块同时供电，电流均分。

当其中一个模块出现障碍时，总负荷由其他模块均分，故这种供电方式具有很高的可靠性。

1.2国内外的研究现状

80年代，大功率AC／DC开关电源（400VAC输入、输出48VDC、500W-6kW）成为通信系统一次电源的主流产品，称为开关整流器SMR（Switching-modeRectifier）。

配置48/±5，±12VDC／DC开关变换器模块和铃流模块，称为二次电源。

开关整流器与相控整流器比较，在体积、重量和效率几方面更为优越。

随着微处理器ULSI尺寸不断减小，供电电源的尺寸与微处理器相比更大得多，需要发展小型轻型电源；电源的小型化、轻量化，对便携式通信设备（如移动电话等）更为重要。

为达到高功率密度，必须提高开关电源工作频率。

下代微处理机还要求更低输出电压（≤1V）的开关电源。

对通信开关电源的要求是：

高功率密度、外形尺寸小、高效率、高性能、高可靠性、高功率因数（AC输入端），以及智能化、低成本、EMI小、可制造性（Manufacturability）、分布电源结构（DistributedPowerArchitecture）等。

20世纪推动开关电源性能和质量不断提高的主要技术是：

1．新型高频功率半导体器件

2．软开关技术

3．控制技术

4．有源功率因数校正技术

5．Magamp（磁性放大器）后置调节器技术

6．饱和电感技术

7．分布电源技术、并联均流技术

8．电源智能化技术和系统的集成化技术

上述各项技术的应用，尤其是开发高功率密度、高效率、高性能、高可靠性以及智能化电源系统，仍然是今后通信开关电源技术的发展方向。

进入21世纪，我国工业界、学术界、电力电子、电子电源、通信、材料等行业，还应协同开发下述和通信开关电源相关的产品和技术。

1．探索研制耐高温的高性能碳化硅（SiC）功率半导体器件

2．平面磁心及平面变压器技术

3．集成高频磁元件技术及阵列式（Matrix）磁元件技术

4．磁电混合集成技术

5．新型电容器

6．S4功率因数校正（PFCorrected）AC／DC开关变换技术

7．输出1V/50A的低电压大电流DC／DC变换器

8．通信开关电源的设计、测试技术

1.3通信高频开关电源的发展

通信用高频开关电源技术的发展基本上可以体现在几个方面[2]：

一．变换器拓扑

  软开关技术、功率因数校正技术及多电平技术是近年来变换器拓扑方面的热点。

采用软开关技术可以有效地降低开关损耗和开关应力，有助于变换器效率的提高；采用PFC技术可以提高AC／DC变换器的输入功率因数，减少对电网的谐波污染；而多电平技术主要应用在通信电源三相输入变换器中，可以有效降低开关管的电压应力。

同时由于输入电压高，采用适当的软开关技术以降低开关损耗，是多电平技术将来的重要研究方向。

  为了降低变换器的体积，需要提高开关频率而实现高的功