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毕业设计开关电源

本科毕业论文（设计）

题目：

多路输出开关电源的设计

学院：

自动化工程学院

专业：

电气工程及其自动化

姓名：

刘明锋

指导教师：

王忻

2006年5月30日

Multi-outputSwitchingPowerSupply

摘要

本文比较全面地阐明了开关电源的基本原理。

首先介绍了开关电源的发展趋势，然后介绍了电路拓扑结构，并分析它们的优缺点。

再后介绍了开关电源的控制原理，并简单介绍了隔离技术。

当然也介绍了有关软开关的技术。

在此基础上，设计了一个计算机用多路数出开关电源。

这个开关电源为220V交流输入，±5V，±12V输出，频率为50kHz。

首先对主电路进行了设计，即设计了一个半桥型电路。

其次，对开关电源的控制电路、驱动电路、保护电路进行设计，控制电路以SG3525为核心。

关键词开关电源多路输出SG3525电压型控制

Abstract

Thefundamentaloftheswitchingpowersupplyisillustratedinthispaper.Firstly,thedevelopmenttendencyisintroduced.Andthenthemaincircuitofthepowersupplyisintroduced,andthecomparisonbetweenthemisgiven.Last,introducethecontroltheoryandalsointroducetheisolationtechnology.Ofcoursethesoftswitchingtechniqueisalsointroduced.AndthentheMulti-outputSwitchingPowerSupplywasdesigned.TheswitchingpowersupplyisAC220Vinputand±5V,±12Voutput,thefrequencyis50kHz.Firstly,themaincircuitofthepowersupplyisdesigned,thehalf-bridgecircuit.Secondly,thecontrolcircuit,thedrivercircuit,theprotectcircuitofthepowersupplyareanalyzedanddesigned,controlcircuitiscenteredonSG3525.

KeywordsswitchingpowerMulti-outputSG3525voltagecontrol

第1章引言

随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而任何电子设备都离不开可靠的电源。

进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。

进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都己广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

开关电源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）或者脉冲频率调制方式（PFM）控制IC和外部电路构成。

1.1电源技术的发展及方向

1.1.1线性电源

在开关电源出现之前，线性稳压电源已经应用了很长一段时间。

而后开关电源是作为线性稳压电源的一种替代物出现的，开关电源这一称谓也是相对于线性稳压电源而产生的。

图1.1是线性稳压电源的结构简图。

图1.1线性稳压电源

图1.1所示的线性稳压电源虽然可以满足所需直流电压的高低和供电质量（精度、波纹等）的要求但有两个严重的缺点：

一是调整管V工作在线性放大状态，损耗很大，因而使整个电源效率很低；二是需要一个工频变压器T，使得电源体积大、重量重。

线性电源虽然还有输出精度低、效率低、散热问题大以及很难在一个通用的输入电压范围内工作等问题。

但最主要的缺陷还是在体积和重量上。

虽然通过调整器可以使输出精度增加，但这更增加功率消耗，并使效率更低。

线性电源要达到50%的效率就很不容易了，而这些消耗掉的无用功还带来散热问题。

如果使线性电源在一个通用输入电压范围内工作，会导致线性电源的效率更低。

而单一输入电压值的线性电源会给生产厂家带来不少麻烦，因为他们不得不准备很多规格的电源。

1.1.2开关电源

由于体积和重量上的问题，在便携式电器日益增多的今天，线性电源的应用越来越受到限制。

一般来说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形式转换成另一种电源形式的主电路都叫做开关变换电路。

转换时采用自动控制的闭环电路来稳定输出并有各种保护环节的称为开关电源（SwitchPowerSupply）。

开关电源自从上世纪60年代问世以来，就在各个领域得到广泛的应用。

苹果公司是最早在它的电脑中应用开关电源的公司之一，开关电源的应用也是苹果电脑价格低廉的一个重要原因。

而现在，几乎所有的计算机都采用各种开关电源技术来满足不同的需要。

开关电源中主要的组成部分有：

PWM控制器、功率开关管、变压器和反馈电路。

图1.2显示的就是一个开关电源电路。

工频交流直流高频交流脉动直流稳定直流

图1.2开关电源电路

图1.2中的整流电路是把交流电源直接经过二极管整流电路和电容C滤波后得到直流电压ui，再由逆变器逆变成高频交流方波脉冲电压。

逆变器输出经高频变压器T隔离并变换成适当的交流电压，再经过整流和滤波变成所需要的直流输出电压uo。

当交流输入电压、负载等变化时，直流输出电压uo也会变化。

这时可以调节逆变器输出的方波脉冲电压的宽度，使直流输出电压uo保持稳定。

上述电路看起来比线性稳压电源复杂，但比起线性稳压电源却有几个突出优点。

首先，该电路中起调节输出电压作用的逆变电路中的电力电子器件都工作在开关状态，损耗很小，使得电源效率可以达到90%以上，甚至95%以上，其次，电路中起隔离和电压变换作用的变压器T是高频变压器，其工作频率多为20kHz以上。

因为高频变压器的体积可以做得很小，从而使整个电源的体积大为缩小，重量也大大减轻。

当然，由于工作频率高，滤波器体积也大为减小。

虽说开关电源开始对线性电源构成了威胁，但是早期的开关电源除了PWM控制器和功率开关管外，还包括大概40到80个分立元件构成一些辅助电路。

这不但增加了成本和体积，而且还使可靠性受到了影响，所以从提高开关电源的竞争力来说，提高控制电路、保护电路的可集成性，使电源系统的设计简单化成为一个关键的问题。

多年来，由于技术上的障碍（高压、大功率），开关电源集成电路在集成化上一直得不到很大的进步，但是最近几年，大规模和超大规模集成电路技术的迅猛发展，能将集成电路技术的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，出现了一批全新的全控型功率器件，首先是功率MOSFET的问世，导致了中小型功率电源向高频化发展，而后绝缘栅双极晶体管（IGBT）的出现，又为大中型功率电源向高频发展带来机遇。

因此目前可以通过集成复杂的功能电路来进一步提高开关电源的性能和安全性，这包括热关断电路、限流电路、过/欠压保护电路等等。

通过上面的分析我们可以看到，与线性电源相比，开关电源输出精度高、转换效率高，性能可靠。

除此之外，开关电源最大的优势还在于能够大幅度缩小变压器的体积和重量，这是因为开关电源的变压器工作于50kHz到1MHz的高频条件下，而不是像线性电源中的那样工作于50Hz的低频状态。

1.2开关电源技术的分类

开关电源可以根据不同类型分类：

根据实现功能可分为AC/DC和DC/DC两个大类DC/DC变换器现己实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并己得到用户的认可。

但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题；根据控制模式可分为电流模式和电压模式两个大类，电流模式是以电流作为电路中的信号变量，并通过处理电流变量来决定电路功能。

而电压模式是以电压作为电路中的信号变量，并通过处理电压变量来决定电路功能。

电路中的电压信号和电流信号总是彼此关联，相互作用的，任何处理电流信号的电路必然会产生内部电压信号摆幅。

但是，作为电流模式电路，电路的功能取决于电流信号的处理结果。

1.3开关电源的应用及发展趋势

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。

而当我们把开关电源的研究扩大到可调高电压、大电流时，以及将研究新技术应用于DC/DC变换器，即开拓了大功率应用领域，又使开关电源的应用范围扩大到了从发电厂设备至家用电器的所有应用电力、电子技术的电气工程领域，作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础的开关电源，它的产品展现了广阔的市场前景。

例如，发电厂的贮能发电设备、直流输电系统、动态无功补偿、机车牵引、交直流电机传动、不停电电源、汽车电子化、开关电源、中高频感应加热设备以及电视、通讯、办公自动化设备等。

电源是各种电子设备必不可缺的组成部分，性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。

目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。

线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出电压波纹很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大，效率低。

开关电源SPS被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现己成为稳压电源的主流产品。

开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达80%--90%，比普通性能稳压电源提高近一倍。

开关电源亦称为无工频变压器的电源。

它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究与开发高效率、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。

在开关电源中，为了实现功率调节、远程控制等功能，以及减小体积、减轻重量，高压功率集成电路得到广泛应用和快速发展。

采用了这种集成电路来调节和控制的开关电源，不但外部电路简单，元件数目少，而且可以和微处理器直接接口或通过局域网（LAN）来实现编程或控制功能，是目前75W以下高效率、多功能开关电源的最佳解决方案。

1.4本文的工作

本文的主要工作是对开关电源有关知识进行比较全面的介绍，并设计一种低成本的计算机开关电源。

本文比较全面地阐明了开关电源的基本原理。

首先介绍了开关电源的发展趋势，然后介绍了电路拓扑结构，并分析它们的优缺点。

再后介绍了开关电源的控制原理，并简单介绍了隔离技术。

当然也介绍了有关软开关的技术。

在此基础上，设计了一个计算机用开关电源。

这个开关电源为220V交流输入，±5V，±12V输出，频率为50kHz。

首先对主电路进行了设计，即设计了一个半桥型电路。

其次，对开关电源的控制电路、驱动电路、保护电路进行设计，控制电路以SG3525为核心。

第2章开关电源电路原理与方案论证

2.1DC/DC变换器拓扑

将一种直流电压变换成另一种或多种（固定或可调的）直流电压称为DC/DC变换（亦称直流变换器），这种技术被广泛地应用。

DC/DC变换器按输入与输出是否有电气隔离可分为两类：

无电气隔离的称为不隔离的直流变换器，有电气隔离的称为有隔离的直流变换器。

基本的不隔离的直流变换器有降压（Buck）变换器、升压（Boost）变换器、升降压（Buck-Boost）变换器、Cuk变换器、Sepic变换器和Zeta变换器等六种，有隔离的直流变换器有正激（forward）、反激（flyback）、推挽（push-pullconverter）、半桥（half-bridgeconverter）、全桥（full-bridgeconverter）等。

2.1.1基本DC/DC变换器拓扑

基本DC/DC变换器拓扑主要有Buck变换器、Boost变换器、Buck-Boost变换器、Cuk变换器、Sepic变换器和Zeta变换器等六种，其中最常见的是Buck变换器和Boost变换器。

上述六种DC/DC变换器拓扑如图1-1所示。

（a）Buck变换器（b）Boost变换器

（c）Buck-Boost变换器（d）Cuk变换器

（d）Sepic变换器（e）Zeta变换器

图2.1基本DC/DC变换器拓扑图

Buck变换器如图2.1（a）所示，此种变换器只能降压，不能升压，输出与输入同极性，输出电流脉动小，结构简单，但输入电流脉动大，适用于各种降压型开关稳压器。

Boost变换器如图2.1（b）所示，此种变换器只能升压，而不能降压，输出与输入同极性，输入电流脉动小，但输出电流脉动大，不能空载工作，结构简单，适用于升压型开关稳压器和需要对输入电流波形进行控制的场合（如功率因数校正电路）。

Buck-Boost变换器如图2.1（c）所示，此种变换器既能升压又能降压，输出与输入极性相反，输入输出电流脉动大，不能空载工作，结构简单，适用于反相型开关稳压器。

Cuk变换器如图2.1（d）所示，此种变换器既能升压又能降压，输出与输入极性相反，输入输出电流脉动小，不能空载工作，结构复杂，适用于对输入输出纹波要求高的反相型开关稳压器。

Sepic变换器如图2.1（e）所示，此种变换器既能升压又能降压，输出与输入极性相同，输入电流脉动小，输出电流脉动大，不能空载工作，结构复杂，适用于升降压型功率因数校正电路。

Zeta变换器如图2.1（f）所示，此种变换器既能升压又能降压，输出与输入极性相同，输入电流脉动大，输出电流脉动小，不能空载工作，结构复杂，适用于对输出纹波要求高的升降压型开关稳压器。

2.1.2正激变换器（ForwardConverter）

正激变换器拓扑如图1-2所示，实际上该变换器是由Buck变换器变化而来的，是在Buck变换器中插入隔离变压器而成。

正激变换器具有电路简单、输入输出隔离、容易实现多输出等优点，广泛应用于数百瓦一数千瓦的开关电源中，但是有一个固有的缺陷，就是变压器必须复位，否则变压器的励磁电流就会不断的增加，最后导致磁芯饱和，损坏电路中的开关器件。

磁复位的基本要求是隔离变压器的原边励磁和去磁过程中所加的伏秒面积相等，极性相反。

正激变换器有多种磁复位方式。

图2.2正激变换器

2.1.3反激变换器（FlybackConverter）

反激变换器拓扑如图1-3所示，该电路可以看成是将Boost变换器中的电感换成变压器绕组W1和W2相互藕合的电感而得到的。

故反激变换器中的变压器工作总是经历着储能放电的过程，其变压器起着输入输出隔离和储存能量的作用，这一点与正激变换器不同，正激变换器的隔离变压器不起电感的作用，只是起到隔离升降压的作用。

图2.3反激变换器

反激型变换器通常工作在电流断续模式，这样变压器磁芯的利用率较高、较合理，若工作在电流连续模式时，其变压器磁芯的利用率会显著下降。

反激变换器的结构最为简单，元器件少，成本较低，广泛应用于数瓦－数十瓦的小功率开关电源中，诸如各种家电、计算机设备、工业设备等设备中的开关电源。

该电路变压器的工作点仅处于磁化曲线平面的第一象限，利用率低，且开关器件承受的电流峰值很大，不适合应用于较大功率的开关电源。

2.1.4推挽变换器（Push-PullConverter）

推挽变换器拓扑如图2.4所示，该电路中，两只开关管轮流导通，输出脉动频率提高一倍，脉动电压小，滤波容易，输出电压易高。

变压器能够双向励磁，磁芯利用率高，开关管的电压应力高，达到输入电压的两倍，所以推挽变换器适合用在低输入电压的中、大功率的开关电源中。

该电路的二次侧可以接成全波整流、全桥整流或倍流整流形式。

另外，由于开关的导通压降和开关时间不可能一致，容易引起变压器偏磁，甚至饱和，须采取特别的方法来解决。

过去常用的方法是选用特性较一致的开关管，并适当增加变压器磁路中的气隙，使之在电路不平衡状态下，磁通不至于饱和。

现在主要采用电流控制，使电流峰值自动平衡。

图2.4推挽变换器

2.1.5半桥变换器（Half-bridgeConverter）

半桥变换器拓扑如图2.5所示，电路中只有一个桥臂采用了两个开关管串联，另外一个桥臂是两个电容串联，这两个电容用来分压，流通高频开关工作的交流电流成份，也起到输入电压的滤波作用。

与推挽变换器一样，电路的二次侧可以接成全波整流、全桥整流或倍流整流形式。

半桥变换器电路的开关电压应力为输入电源电压，变换器开通时，变压器原边所加的电压只有输入电压的一半，故该电路适用于较高的直流输入电压。

限制了变换器的输出功率，要增加输出功率，必须提高开关的电流应力。

半桥变换器电路利用输入电容的充放电特性自动调整两个输入电容上的电压，使变压器在工作周期的正负半周伏秒平衡，故该电路不容易发生变压器偏磁和直流饱和的问题。

半桥变换器的桥臂为两开关管串联。

故存在桥臂直通的问题，需要设适当死区时间。

图2.5半桥变换器

2.1.6全桥变换器（Full-BridgeConverter）

全桥变换器拓扑如图2.6所示，全桥变换器电路结构复杂，成本高，该电路的逆变电路由四个开关组成，互为对角的两个开关同时导通，而同一侧半桥上下两开关交替导通，这样存在桥臂直通问题，需要设置适当的死区时间。

图2.6全桥变换器

全桥变换器的变压器双向励磁，并且与推挽变换器相比较，在输入电压相同的条件下，开关管的电压应力为输入电压的1/2，因此全桥变换器适用于输入电压高的数百瓦－数十千瓦的各种工业用开关电源中。

另外，若互为导通的开关导通时间不对称，会在变压器一次电流中产生很大的直流分量，并可能造成磁路饱和，故全桥变换器应避免电压直流分量的产生，也可在一次回路中串联一个隔离电容。

本次设计选取半桥型电路。

从目前市场上流行的微机电源看，按主回路的不同，大体可以分为单管自激式PWM可调稳压电源和它激式半桥型PWM可调稳压电源两大类。

前者电路简单、成本低，但输出功率也较低，一般只适用于8bit微机。

后者工作频率较高、输出功率较大，但电路结构复杂、成本较高，是目前PC市场上的主流电源。

2.2软开关的选用

在主电路中，是否采用软开关技术也是一个破费斟酌的问题。

开关电源的小型化、轻量化最直接的途径是提高开关频率。

但是在提高开关频率的同时，开关损耗也同时增加，电路效率严重下降，电磁干扰也会增大，所以简单地提高开关频率是不行的。

针对这些问题出现了软开关技术，它主要解决电路中的开关损耗和开关噪声问题，是开关频率可以大幅度提高。

但实际上，在众多的软开关电路中，具有实际使用价值的并不多，目前较为成熟的是零电压和零电流准谐振电路、移相全桥型零电压开关PWM电路及零电压零电流转换PWM控制电路等。

在设计中，通常需要综合考虑可靠性、成本、效率等多方面因素。

现阶段在一些情况下，采用硬开关电路仍然合理的选择，而对效率、体积和重量的要求非常高时，应根据实际情况，采用相应的软开关电路。

岁星和市场对电源体积和重量越来越苛刻的要求，软开关电路在电源中的应用越来越广泛，因而从发展的角度看，软开关是未来电源技术的主流。

2.2.1软开关技术的发展

开关频率的提高可以使开关变换器（特别是变压器、电感等磁性元件以及电容）的体积、重量大为减小，从而提高变换器的功率密度。

另外，提高开关频率可以降低开关电源的音频噪声和改善动态响应。

早期的脉宽调制（PWM）开关电源工作在硬开关模式，即强迫功率器件在其两端电压不为零时开通，电流不为零时关断，这种方式使得开通和关断损耗大。

开关频率越高，损耗越大，限制了频率的提高。

变换器的软开关技术是利用电感和电容对开关的轨迹进行整形，较好的解决了硬开关PWM变换器的开关损耗大的问题。

同时也解决了硬开关引起的EMI问题。

因此，国内外电力电子界自二十世纪七十年代以来，不断研究高频软开关技术，并得到较快的发展。

最早是采用有损缓冲电路来实现软开关。

从能量的角度看，这种方法对变换器的变换效率没有提高，甚至使效率降低。

目前所研究的软开关技术不再采用有损缓冲电路，而是真正的减小开关损耗，不是开关损耗的转移。

目前，直流开关电源的软开关技术一般可分为以下几类：

1.全谐振变换器，一般称为谐振变换器。

该类变换器实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式，分为串联谐振变换器（SACS）和并联谐振变换器（PRCS）两类。

在谐振变换器中，谐振元件一直参与谐振工作，参与能量变换的全过程。

该变换器与负载的关系比较大。

对负载的变化比较敏感，一般采用频率调制方法。

2.准谐振变换器（QRCS）和多谐振变换器（MRCS）。

这是软开关技术的一次飞跃，该类变换器的特点是谐振元件参与能量变换的某一个阶段，不是全过程参与。

准谐振变换器分为零电流开关准谐振变换器（ZCSQRCS）和零电压开关准谐振变换器（ZVSQRCS）。

多谐振变换器一般实现开关管的零电压开关，该类变换器需采用频率调制方法。

3.零开关PWM变换器（ZeroswitchingPWMconverters）。

它可分为零电压开关PWM变换器（Zero-voltage-switchingPWMconverters）和零电流开关PWM变（Zerocurrent-switchingPWMconverters）。

该类变换器是在QRCS的基础上，实现恒频率控制，即实现PWM控制。

与QRCS不同的是，零开关PWM变换器的谐振元件的谐振工作时间与开关周期相比很短，一般为开关周期的十分之一到十五分之一。

4.零转换PWM变换器（Zerotransitionconverters）。

它可分为零电压开关转换PWM变换器（Zero-voltage-transitionPWMconverters,ZVTPWMconverters）和零电流转换PWM变换器（Zero-current-transitionPWMconverters,ZCTPWMconverters）。

该类变换器是软开关技术的又一次飞跃。

它的特点是变换器工作在PWM方式下，辅助谐振电路仅在开关管开关时工作一段时间，实现开关管的软开关，在其余的时间则不工作，这就使得辅助谐振电路的损耗比较小。

本次设计从降低成本考虑，不采用软开关技术。

2.3控制电路

开关电源控制的主要目的就是要保持输出电压一定，而负载电流可以有很大的变化范围，这就要通过负反馈来达到这个目的。

所有的电源控制器，无论线性电源还是开关电源，都要检测输出电压。

反馈电压输入到称之为电压误差放大器的高增益运算放大器的反向端，参考电压输入到运算放大器的同向端，运算放大器输出的就是参考电压和输出电压的差值。

运算放大器把这误差值放大了许多倍，这个输出电压称为误差电压，用误差电压信号来控制电源供给负载的能量。

该值为正，说明输出电压太低，电源要输出更多的能量。

反之如果是个负值，就说明输出电压太高，要减小输出的能量。

2.3.1开关电源控制方式

开关电源的控制方式，大致有以下三种：

（1）脉宽调制方式，简称脉宽调制（PulseWidthModulation，缩写为PWM）式。

其特点式固定开关频率，通过改变脉冲宽度来调节占空比。

因开关周期也是固定的，这就为设计滤波电路提供了方便。

其特点是受功率开关最小导通时间的限制，对输出电源不能做宽范围的调节；另外输出端一般要接假负载，以防止空载时输出高电压。

目前，集成开关电源大