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1.1引言-1-

1.2开关电源的发展历史和状况-1-

1.3本文的任务和主要工作-3-

1.4结论与展望-3-

参考文献-5-

致谢-6-

一种小功率开关电源的设计

摘要

本文全面分析了开关电源的基本原理。

以Buck电路为例，采用状态空间平均法对该电路连续工作模式（CCM）的控制原理进行了深入地剖析。

叙述了开关电源主要控制技术阐述了电感的伏秒平衡原理、电容的安秒平衡原理以及小纹波近似的条件。

推导了开关电源的输入输出的传递函数。

本文详细分析了开关电源中使用的各种控制方法，并指出了电流模式控制和电压模式控制的优缺点。

对开关电源变压器的制作方法、反激式开关电源工作原理和控制过程进行了详细的分析，推导了气隙计算的准确公式。

本文除了详细的给出开关电源的设计步骤外，还分析了各种开关电源控制的基本原理都相似，开关电源中的控制目标仍然是“快、稳、准”，由于开电源为惯性系统，“快、稳、准”是即矛盾又统一的，只能折中运用。

结合本文描述的理论，设计ACE-BIP开关电源样机。

在样机中采用了电压前馈控制和电流内环、电压外环反馈的控制方式，从测试的结果看，性能基本满足用户的要求。

关键词:

开关电源，反馈控制，高频变压器

1.1引言

信息时代离不开电子设备，而开关电源（SwitchingPowerSupply）在效率、重量、体积等方面相对于传统晶体管线性电源具有显著优势，所以如今高频开关电源成为最为广泛使用的电源。

目前所有开关电源都由功率级和控制级组成，功率级主要的任务是，根据不同的应用选择不同的拓扑结构，同时兼顾半导体元件、成本、参数要求等现状进行适当的调整。

控制级采用的控制方式大部分为经典的PID控制，主要根据要求的电参数，选择相应的控制方法。

1.2开关电源的发展历史和状况

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。

目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

市场上DC-DC开关电源中，用MOSFET制成的300-500kHz电源，早己实用化，但其频率有待进一步提高。

要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。

然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。

这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。

其中，为防止随开关启闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。

不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。

这种开关方式称为谐振式开关。

目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。

当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。

开关电源向集成化方向发展将是未来的主要趋势，功率密度将越来越大，对工艺的要也会越来越高.在半导体器件和磁性材料没有新的突破之前，重大的技术进展可能很难实现技术创新的重点将集中在如何提高效率和减小重量。

因此，工艺水平将会在电源制造中占的地位越来越高。

另外，数字控制集成电路的应用也是将来开关电源发展的一个方向。

这依赖于DSP运行速度和抗干扰技术的不断提高。

至于先进的控制方法，目前已经有模糊控制、嵌入式MCU等只能控制方式移植到开关电源的控制，相信随着数字控制的普及，今后还会有一些新的控制理论运用到开关电源中来。

为了以更低的功耗获得更高的速度和更佳的性能，半导体器件正在向IV工作电压发展，这也对DC/DC变换器提出了更高的要求。

由于便携产品将率先采用IV工作电压，因而对电源效率和功率密度的挑战显得更为严峻。

除了需要增添更多的功能外，还需要延长电池的使用寿命，并缩小系统体积。

随着便携系统内部功能的增多，如更高的内存，更快的处理速度，因特网访问带宽更高，对电源的要求也相应提高。

电源效率的改善则意味着新一代便携系统需要承受指数级增长的电流，系统体积小，散热能力差，更容易产生过热。

因此系统散热成为令人关注的问题。

在UOUT=1V的电压下维持较高的效率是非常困难的。

如果输入和输出电压之间的差值增加，更难获得高性能。

为此，必须找到适合高性能、小体积、长时间运行便携系统的方案。

模块化，集成化，标准化始终是开关电源的发展趋势，小功率上面，电源架构影响了电源的发展。

最早是集中式，后面发展成分布式，后来Vicor提出了中间母线（IBA）架构。

分布式架构与集中式电源不同在于，前者在系统的电源分配中处理的电流较少，因而可以减少功耗、减低导电体的成本，同时热处理比较简单。

现在很多公司都在做这种中间母线（IBA）BusConverter的电源架构，就是将48V直接转化成12VDC，或者9VDC（隔离），然后再采用非隔离的do/dc转化成各单扳所需的电压。

即所谓的12V、9V母线架构。

这种架构可为设备商节约大量资金，以前每个模块电源都是隔离的，现在只要BusConverter是隔离的，其他都是非隔离的，如果采用芯片厂家的高集成芯片，外加几个电感电容，各子系统的供电可节约不少成本。

当前，DC/DC转换器散热性能的改善、多路输出以及高性价比等成为众厂商追求的热点，涌现出零电压零电流开关、平板变压器及同步整流等新技术的发展。

其次，在尺寸的小型化上，各公司推出和计划推出1/16砖。

就应用来说，开关电源的体积没有更小的必要了。

在1/16砖上能输出75-100W,就够了。

在性能上，会有越来越多人，达到较高的水平，设计出好的产品。

开关电源的发展也面临诸多的专利保护，设计一个好的开关电源，要想绕过这些专利，非常困难，除非新的控制理论和电路拓扑的出现。

对于成本的控制是一个非常复杂，综合许多领域的问题。

在经营的方式上，当开关电源产品足够成熟，大家做的都彼此差不了太大的时候，电源产业将更倾向于服务业。

随着开关电源类的数字电路的普及和发展，电子设备辐射和泄漏的电磁波不仅严重干扰其他电子设备正常工作，导致设备功能紊乱、传输错误、控制失灵，而且威胁着人类的健康与安全，已成为一种无形污染，并不逊色于水、空气、噪声等有形污染的危害。

因此降低电子设备的电磁干扰（EMI）己成为世界电子行业关注的问题。

1.3本文的任务和主要工作

本文的主要任务是完成用户的要求，尽快生产出合格的样品，以便批量供货。

用户的要求为:

AEC-BIP电源整机设计方案

关于AEC-BIP远供电源的设计，要求如下:

1.输入为DC48V和AC220V两种，DC48V输入无极性。

2.电源输出部分必须考虑防雷，参见防雷标准:

抗电压冲击能力:

2000V10/700us

抗电流冲击能力:

1000A8/20us

3.交流220V输入端防雷要求:

5000A8/20us

4.相关技术参数，见表1.1

输入电压以及输入电压范围

48VDC（36-72VDC）

输出路数

1路

输出电压精度要求

122V±

12%

额定功率

10W

负载特性

空载输出（输出功率0.5W以下时）与满载输出（输出功率7.5W以上时）电压变化≤2V

最大输出电流

任何情况下都不大于150mA

输出纹波及噪声要求

<

100mv低噪声

转换效率

≥80%

短路保护

长期短路自恢复

实际使用时环境温度

-10-70℃

表1.1AEC-BIP-DC48V技术参数

1.4结论与展望

从以上各章所进行的研究开发工作可以看出，本文全面的阐述了开关电源的工作原理和控制理论在开关电源中的应用。

本文的主要作用在于:

1.从BUCK电源模型开始研究，从理论上分别开关电源的输出电压和电流传递函数。

分别研究了BUCK电源在CCM工作模式下的工作状态，输出纹波。

并从物理意义上解释了伏秒平衡原理、电容充放电平衡原理，以及小纹波近似的条件。

2.着重分析了控制理论在开关电源中的运用、控制信号的生成以及隔离情况下控制信号的传输，由于开关电源是小信号模拟大信号，增益非常大，所以其增益自动满足幅值平衡条件，开关电源的稳定性主要取决于其相位的裕度。

即使是小于360度的相位增益，开关电源因为温度的变化，集总元件的分布参数等原因仍然可能发生振荡，造成环路的不稳定。

3.详细介绍了控制芯片UC3842的使用方法、各引脚的功能，并从电路原理上讲述了电压基准源和光耦如何在控制过程中进行控制量的生成和传输。

4.最后根据客户的要求，参考本文提及的设计方法，设计了开关电源样机.通过实际测试，完全符合用户的要求。

参考文献

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电子工业出版社，2006 

.4

[2]周志敏，周纪海，纪爱华.现代开关电源控制电路设计及应用.北京：

人民邮电出报社，2005.5

[3]余明杨,蒋新华,王莉等.开关电源的建模与优化设计研究[J].中国电机工程学报,2006.2

[4]皇金锋,董锋斌.一种新型BUCK直流变换器的研究[J].工矿自动化,2008,（3）

[5]BROWNM 

徐德鸿 

沈旭 

杨成林.开关电源设计指南.北京:

机械工业出版社,2005.7

[6]赵同贺.开关电源设计技术与应用实例[M].北京:

人民邮电出版社,2007.3

[7]周志敏,周纪海,纪爱华.开关电源实用电路[M].北京:

中国电力出版社,2006.1

[8]黄兆安，黄俊.电力电子技术（第４版）.北京:

机械工业出版社，2005.8

[9]胡寿松.自动控制原理（第４版）.北京:

科学出版社,2001.2

[10]张肃文.高频电子线路.北京:

高等教育出版社,2009.6

[11]童诗白，华成英.模拟电子技术.北京:

高等教育出版社,1980.4

[12]李龙文.现代电源设计与应用丛书.北京:

中国电力出版社,2008.1

[13]王增福，李昶，魏永明.软开关电源原理与应用.北京：

电子工业出版社，2006.5

致谢

在本次课程设计过程中，得到了指导老师的指导、答疑老师的热情辅导和鼓励，还有同学的帮助。

在设计阶段各位老师认真负责、兢兢业业、不辞劳苦，同学也是积极讨论问题总结经验教训，在此设计即将结束时，特对老师、同学表示感谢。