开关电源设计.docx

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开关电源设计

本科生毕业设计（论文）

开关电源设计

教学单位_电气信息工程学院___

专业_电气工程及其自动化_

年级2009级________

学生姓名_________

学号______

指导教师______

职称________

2013年5月

摘要

本文主要是设计了一个反激式开关电源，在充分考虑到制作成本以及工艺的基础上，只用了简单的电器元件搭成了一个简单的电路原理图。

虽然这个开关电源没有用到一些很复杂的芯片，输出电压没有非常稳定，但在一定的要求下，在低端产品应用上还是很有市场。

在设计开关电源电路原理图之前，通过查阅文献资料，采用反激式开关电源的设计方案，增加了一些必要的保护电路，在理论上对开关电源各部分进行论证，使开关电源的输出电压在理论上满足了设计要求，不管是在技术上还是在经济实用上都有一定的课实现性。

这个原理图主要包括整流滤波电路，主电路，三极管保护电路，自激震荡正反馈电路，脉宽调整电路，过电压保护电路以及遥控开关电路。

由于这是一个隔离式开关电源，所以在安全上更有保障。

当然，在设计开关电源之前，本文第一章介绍了开关电源的整体情况，主要包括开关电源的特点，分类以及开关电源在国内外的发展状况，第二章介绍了几个典型的DC-DC变换器，同时在第三章介绍了开关电源的工作原理，包括串联和并联式的开关电源的工作原理。

关键词：

开关电源反激式隔离

ABSTRACT

Inthispaper,designafeedbackswitchingpowersupply,productioncostsandprocessonthebasisoffullytakenintoaccount,onlyasimpleelectricalcomponentsbarricadedasimplecircuitdiagram.Althoughthisswitchingpowersupplyisnotusedverycomplexchip,theoutputvoltageisnotverystable,butundercertainrequirements,theapplicationofthelow-endproductsonthemarketplace.

Accesstoliteratureinthedesignofswitchingpowersupplycircuitdiagramfeedbackswitchingpowersupplydesign,someofthenecessaryprotectioncircuit,intheory,todemonstratetheswitchingpowersupply,sothattheoutputvoltageoftheswitchingpowersupplyintheoreticallymeetthedesignrequirements,whetheritistechnicallystillhavesomelessonstoachieveeconomicalandpractical.

Thisschematicdiagrammainlyincludesarectifierandfiltercircuit,themaincircuit,thetransistorprotectioncircuit,theself-oscillationisapositivefeedbackcircuit,apulsewidthadjustingcircuit,overvoltageprotectioncircuit,andaremotecontrolswitchcircuit.Sincethisisanisolatedswitchingpowersupply,securityandmoresecure.Ofcourse,inthedesignoftheswitchingpowersupplybeforeThefirstchapterdescribestheoverallsituationoftheswitchingpowersupply,includingthecharacteristicsoftheswitchingpowersupply,classificationandswitchingpowersupplydevelopmentathomeandabroad,thesecondchapterdescribesseveraltypicalDC-DCtheconverterisexplainedinChapterswitchingpowersupplyworks,includingseriesandparallelswitchingpowersupplyworks.

Keywords:

SwitchingpowersupplyFeedbackIsolation

绪论

可以说，有电器的地方就有电源。

所有的电子设备都离不开可靠的电源为其供电。

现代电子设备中的电路使用了大量的半导体器件，这些半导体需要几伏到几十伏的直流供电，以便得到正常工作所必需的能源。

这些直流电源有的属于化学电源，如采用干电池和蓄电池，但这些不能持久性的供电。

大多数电子设备的直流供电方法都是将交流电源经过变压、整流、滤波、稳压等变换为所需的直流电压。

完成这种变换任务的电源成为直流稳压电源。

随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。

任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。

传统的线性稳压电源具有稳定性能好、输出电压纹波小、使用可靠等优点，但其通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。

由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极之间必须承受较大的电压差，导致调整管的功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。

另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备发展的需要。

开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳压电源，通过控制开关的占空比来调整输出电压。

它以小型、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形式。

主要作为高功率脉冲电源的初级电源和大型军用设备的电源系统,也可以应用于大电流快速充放电系统和电子、通信、航天、医疗等各个领域,其中,几十～几百千瓦的大、高功率开关电源主要应用于现代化工业、国防事业和大型科研项目中,具有非常广泛的应用前景。

中国科学院电工所最近研制成功的“50kW/40kHz高压稳压电源”代表着国内高频大功率开关电源的先进技术水平。

“200kW开关电源”的研究,标志着我国的高功率脉冲电源技术翻开了历史性的一页。

目前,国外的高功率开关电源研制技术较为成熟,并主要应用于工业和军事上。

在粒子加速器、电磁发射、电磁推进、微波武器等脉冲功率技术应用的领域中,电源设备的平均功率通常在几百千瓦甚至几兆瓦以上,体积和重量只有国内的几十分之一,而且自动化程度非常高。

近年来,国内的小功率开关电源技术已日趋成熟,基本能够满足工业生产和军事发展的需要。

新型的高功率开关电源（平均功率200kW）具有体积小、重量轻、效率高、稳压范围宽等优势,而且具有先进的自动控制技术。

近年来，在高压大功率的应用场合，开关电源作为一种高效好型、高性能的电源己广泛用于家用电器、电子计算机、变频器等电子设备中。

采用开关电源后，可以使相关装置体积小、重量轻、功耗低、稳压范围宽，大大地改善了装置的控制可靠性及保护性能。

电力电子学是综合应用电工理论、电子技术及控制理论等，利用电力电子（功率半导体）器件控制或变换电能，以达到合理而高效率地使用能源。

它是电力、电子、控制三大电气工程技术领域之间的交叉学科。

电力电子技术是近年来最活跃的研究领域之一。

作为联系弱电与强电的纽带，电力电子技术提供了控制电功率流动与改变电能形态的有力手段，在小至数瓦，大至数千千瓦乃至数十兆瓦的范围内都得到了广泛应用。

随着功率半导体制造技术、微电子技术、计算机技术，以及控制理论的不断进步，电力电子技术向着大功率、高频化及智能化方向发展，应用的领域将更加广阔。

现代电子设备中使用的直流稳压电源有两大类：

线性稳压电源和开关性稳压电源。

所谓线性稳压电源就是其调整管工作在线性放大区，这种稳压电源的最主要的缺点是变换效率低，一般只有35%~60%左右。

开关稳压电源的开关管工作在开关状态，其主要的优越性就是变换效率高，可高达70%~95%。

第一章开关电源总述

1.1开关电源的分类

开关电源分为，隔离与非隔离两种形式，在这里主要谈一谈隔离式开关电源的拓扑形式，隔离电源按照结构形式不同，可分为两大类：

正激式和反激式。

反激式指在变压器原边导通时副边截止，变压器储能。

原边截止时，副边导通，能量释放到负载的工作状态，一般常规反激式电源单管多，双管的不常见。

图1-1为反激式电路图。

图1-1反激式电路

正激式指在变压器原边导通同时副边感应出对应电压输出到负载，能量通过变压器直接传递。

按规格又可分为常规正激，包括单管正激，双管正激。

半桥、桥式电路都属于正激电路。

图1-2为典型的正激式电路图。

图1-2正激式电路

正激和反激电路各有其特点，在设计电路的过程中为达到最优性价比，可以灵活运用。

一般在小功率场合可选用反激式。

稍微大一些可采用单管正激电路，中等功率可采用双管正激电路或半桥电路，低电压时采用推挽电路，与半桥工作状态相同。

大功率输出，一般采用桥式电路，低压也可采用推挽电路。

反激式电源因其结构简单，省掉了一个和变压器体积大小差不多的电感，而在中小功率电源中得到广泛的应用。

在有些介绍中讲到反激式电源功率只能做到几十瓦，输出功率超过100瓦就没有优势，实现起来有难度。

输出功率大小与输出电压高低有关。

反激电源变压器漏感是一个非常关键的参数，由于反激电源需要变压器储存能量，要使变压器铁芯得到充分利用，一般都要在磁路中开气隙，其目的是改变铁芯磁滞回线的斜率，使变压器能够承受大的脉冲电流冲击，而不至于铁芯进入饱和非线形状态，磁路中气隙处于高磁阻状态，在磁路中产生漏磁远大于完全闭合磁路。

变压器初次极间的偶合，也是确定漏感的关键因素，要尽量使初次极线圈靠近，可采用三明治绕法，但这样会使变压器分布电容增大。

选用铁芯尽量用窗口比较长的磁芯，可减小漏感，如用EE、EF、EER、PQ型磁芯效果要比EI型的好。

关于反激电源的占空比，原则上反激电源的最大占空比应该小于0.5，否则环路不容易补偿，有可能不稳定，但有一些例外，如美国PI公司推出的TOP系列芯片是可以工作在占空比大于0.5的条件下。

占空比由变压器原副边匝数比确定，做反激式的，先确定反射电压（输出电压通过变压器耦合反映到原边的电压值），在一定电压范围内反射电压提高则工作占空比增大，开关管损耗降低。

反射电压降低则工作占空比减小，开关管损耗增大。

当然这也是有前提条件，当占空比增大，则意味着输出二极管导通时间缩短，为保持输出稳定，更多的时候将由输出电容放电电流来保证，输出电容将承受更大的高频纹波电流冲刷，而使其发热加剧，这在许多条件下是不允许的。

占空比增大，改变变压器匝数比，会使变压器漏感加大，使其整体性能变，当漏感能量大到一定程度，可充分抵消掉开关管大占空带来的低损耗时就没有再增占空比的意义了，甚至可能会因为漏感反峰值电压过高而击穿开关管。

由于漏感大，可能使输出纹波，及其他一些电磁指标变差。

当占空比小时，开关管通过电流有效值高，变压器初级电流有效值大，降低变换器效率，但可改善输出电容的工作条件，降低发热。

如何确定变压器反射电压（即占空比）

反激电源的占空比还与选择开关管的耐压有关，有一些早期的反激电源使用比较低耐压开关管，如600V或650V作为交流220V输入电源的开关管，也许与当时生产工艺有关，高耐压管子，不易制造，或者低耐压管子有更合理的导通损耗及开关特性，像这种线路反射电压不能太高，否则为使开关管工作在安全范围内，吸收电路损耗的功率也是相当可观的。

1.2国内外电源技术发展概况

1.2.1国内开关电源的发展概况

电源技术的发展21世纪我国通信、信息、家电、和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐淘汰。

国内开关电源技术的发展，基本起源于20世纪70年代末和80年代初。

当时引进的开关电源技术在高等院校和一些科研院所停留在实验开发和教学阶段。

20世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用。

20世纪80年代开关电源的特点是采用20kHz，脉宽调制（PWM）技术，效率可达65%～70%。

经过20多年的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。

新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MUSEFT和IGBT可使中小型开关电源工作频率达到400kHz，（AC/DC）或1MHz（DC/DC）；软开关技术使高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高电源的效率，国产6kW通信开关电源，采用软开关技术，效率可达93%；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术（APFC）的开发，提高了AC/DC开关电源的功率因数，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率[3]。

1、在开关电源的所有应用领域内，通信电源是增长速度最快的一部分。

新型磁材料和新型变压器的开发，新型电容器和EMI滤波器技术的进步，以及专用集成控制芯片的研制成功，使开关电源实现了小型化，并提高了EMC性能。

微处理器监控技术的应用，提高了电源的可靠性，也适应了市场对其智能化的要求。

2、新型半导体器件的发展是开关电源技术进步的龙头。

目前正在研究高性能的碳化硅半导体器件，一旦开发成功，对电源技术的影响将是革命性。

此外，平面变压器、压电变压器及新型电容等元器件的发展，也将对电源技术的发展起到重要作用。

总之，高效、小型化、集成化、智能化以及提高可靠性是大势所趋，也是今后的主要发展方向。

3、电源生产的发展在开关电源领域，民族产业一直占有举足轻重的地位。

在开关电源应用的起步阶段，很多生产厂家采取的都是小作坊的生产模式。

经过20多年的不懈努力，逐渐向大规模生产转化，产品也从单一品种走向系列化。

现在，我国已经形成一批上亿元、甚至10亿元以上产值的电源企业，有产品已进入国际市场。

4、电源市场的发展我国信息产业、国防工业、家电行业，特别是电信业的迅猛发展，是电源市场发展的强大推动力。

据国家统计局最新资料显示，当前我国电子信息产业的产区、产出、销售总规模以及对国家经济增长得贡献，均居全国工业行业之首，成为我国工业第一支柱产业。

5、电源标准的制定20世纪90年代初，高频开关电源的应用刚刚在电子、电信行业起步，适时颁布的《通信用高频开关整流器》和《通信局（站）电源系统总技术要求》等标准对指导生产、服务用户起到了重要作用，对高频开关电源在电信行业的迅速推广也起到了积极作用。

随着市场的扩大，用户对电源智能化程度的要求越来越高，有关电源集中监控的标准相继被推出。

随着技术不断进步，经验逐渐积累，行业标准急需修订，技术指标需要改进，测试方法需要完善，内容需要增加，为把好的产品质量关提供更可靠依据。

1.2.2国外开关电源的发展概况

自20世纪90年代以来，许多领域和新的要求对开关电源提出了更新更高的挑战。

如果从一个开关电源的输入和输出窗口观察可以发现，输入的要求变得更严，不符合IEC1000-3-2标准的产品将陆续被淘汰；输出则派生出了许多特殊的应用领域，研制和开发的难度变得更大了。

正是由于外界的这些要求推动力两个开关电源的分支技术一直成为当今电力电子的研究课题[4,9]，即有源功率因数校正技术和低压大电流高功率DC/DC变换技术。

另外由于技术性能和要求的提高，使得许多相关技术课题的研究，例如EMI技术、PCBLayout问题、热理论的分析、集成磁技术、新型电容技术、新型功率器件技术、新型控制以及结构和工艺等正在迅速增加。

开关电源电路器件的发展动态

1、半导体器件的发展功率半导体器件仍是电力电子技术发展的龙头，电力电技术的进步必须依靠不断推出的新型电力电子器件。

2、功率场效应管（MOS-FET）由于采用单极性多子导电，是开关时间显著的减小，又因其很容易达到1MHz的开关工作频率而受到世人瞩目。

但是MOS-FET提高器件阻断电压必须加宽器件的漂移区，结果使器件内阻迅速增大，通态压降增高，通态损耗增大，所以只能应用于中小功率产品。

为了降低通态电阻，美国IR公司采用提高单位面积内的原胞个数的方法。

如IR公司开发一种HEXFET场效应管，其沟槽原胞密度已达每平方英寸1012亿个的世界最高水平，通态电阻可达3m

.自1996年以来，HEXFET通态电阻每年50%的速度下降。

IR公司还开发了一种低栅极电荷（QG）的HEXFET，使开关速度更快，同时兼顾通态电阻和栅极电荷两者同时降低，则

的下降率为每年30%。

对于肖特基二极管的开发，最近利用沟槽结构，有望出压降更小的肖特基二极管，它被称作TMBS沟槽MOS势垒肖特基二极管，有可能在极低电源电压应用中与同步整流的MOS-FET竞争。

3、新型变压器的发展新型变压器是电力电子产品或开关电源中必不可少的部件。

平面变压器是近两年才面世的一种全新产品，与常规变压器不同，平面变压器没有铜导线，代之以单层或多层印刷电路板，因而厚度远低于常规变压器，能够直接制作在印刷电路板上，其突出优点是能量密度高因而体积大大缩小，相当于常规变压器的20%；效率高，通常为97%～99%；工作频率高，从50kHz到2MHz;漏感低；电感干扰小（EMI）小等。

4、超容电容器的发展。

超容电容器是电容器件近年来的最新产品。

美国的麦克韦尔公司一直保持着超容电容器技术的世界领先地位。

超容电容器采用了独特的金属/碳电极技术和先进的非水电解质，具有极大的电极表面和极小的相对距离。

现在已开发、生产出多种具有广泛适用范围的超容电容器单元和组件，单元容量小到10F，大到2700F。

超容电容器可方便地串联组合成高压组件或并联组合成高能量存储组件。

超容电容器组件现已可提供650V的高压。

5、电路集成和系统集成及封装工艺的发展动态开关电源的发展方向是模块化、集成化和智能化。

近几年来具有各种控制功能的专用芯片发展迅速，如功率因数校正（PFC）、电路用的控制芯片，软开关控制用ZVS、ZCS芯片，移相全桥的控制芯片，ZVT、ZCT、PWM专用控制芯片，并联均流控制芯片以及电流反馈控制芯片等。

功率半导体器件则有功率集成电路（PowerIC）和IMP。

IPM以IGBT作为功率开关，将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。

由于外部界限、焊点减少，可靠性显著提高。

集成化模块化使电源产品体积更小、可靠性更高，给应用带来极大方便。

6、功率因数校正技术的发展动态功率因数校正的概念起源于20世纪80年代，但被重视和推广在80年代末期和90年代。

欧洲和日本相续对开关电源装置的输入谐波要求制定了标准。

目前有两个标准，即IE555-2和IEC1000-3-2.这使得研究PFC技术已成为电源界的热点。

通常有两大类PFC技术，一类是无源PFC技术，另一类是有源PFC技术。

前者采用无源元件来改善输入功率因数，减小电流谐波，以满足标准要求。

其特点是简单，但体积庞大，笨重，有些场合则无法满足要求；后者是用一个变换器传入整流滤波与DC/DC变换器之间，通过特殊的控制，第一强迫输入电流跟随输入电压，从而实现单位功率因数，第二反馈输出电压便随之稳定，从而使DC/DC变换器的输入实现预稳。

这种方法上的特点是控制复杂，但体积大大减小。

另外，第二级设计也易优化进一步提高性能。

7、低压大电流DC/DC变换技术的发展动态低压打电流高功率DC/DC变换技术，已从前些年的3.3V降至现在的1.0V左右，电流目前已可达到几十安至几百安。

同时，电源的输出指标，如纹波、精度、效率、欠冲、过冲等技术指标也得到进一步提高。

所有这些使得这一分支技术的研究在当今乃至今后一段时间内，都将成为电力电子界的热点。

它的研究内容非常广泛，包括电路拓扑结构动态问题（尤其是负载的大信号动态问题）、同步整流技术、控制技术以及其他相关技术的研究，诸如布线、集成磁技术、包装技术、高频功率器件技术等

最后随着开关电源性能的不断提高，对开关电源的要求也愈来愈高。

但是21世纪开关电源技术最终发展趋势是小型化、薄型化、轻量化、高频化；高可靠性；低噪声、节能型等方向发展的。

1.3开关电源的特点

开关电源具有如下特点：

1、效率高。

开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在80%～90%，高的可达90%以上。

2、重量轻。

由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，从而使其重量只有同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小了。

3、稳压范围宽。

开关电源的交流输入电压在90~270V内变化时，输出电压的变化在±2%以下。

合理设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。

4、安全可靠。

在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠。

5、功耗小。

由于开关电源的工作频率高，一般在20kHz以上，因此滤波元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。

1.4开关电源实物图

开关电源在现实生活中得到了广泛的运用，给人们的生活带来了极大的方便。

早在20世纪80年代核算机电源具体完成了开关电源化，领先完成核算机电源代换，进入90年代，开关电源已普遍使用在各类电子、电器设备，程控交流机、通信、电力检测设备电源和节制设备电源中。

家电智能化，作为当今家电财产绿色、节能的另一大开展趋向。

跟着上游元器件技能成都的进步和本身要害技能的不时开展，开关电源得到了飞速的发展。

开关电源产物型号十分多，以下就是常见的液晶电视和电脑开关电源的实物图。

图1-3液晶电视开关电源实物图

下图是温控双风扇设计开关电源。

超散热效果设计，配备SATA输出端口100%ATE测试，100%高温测试。

过压，过流，过功率，短路等全功能保护电路。

输出功率：

200W-450W品牌Tt产品类型PC类型号ATX

图1-4电脑开关电源实物图

第二章典型直流-直流变换电路

直流电源变换器按其输入与输出是否进行电气上隔离，可分非隔离式变换器电路和隔离式变换器电路。

两者除了均有变压功能外，后者还有输入电量与输出电量在电气上的隔离，以满足某些场合的需要。

在非隔离式变换器中。

而这章主要是介绍降压型变换器、升压型变换器、电压极性反转型变换器的电路结构、工作原理及相关参数的关系式。

在隔离式变换器中，应用双极型晶体管作为开关且开关管自身起着振荡元器件作为的