直流开关稳压电源的毕业设计.docx

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直流开关稳压电源的毕业设计

直流开关稳压电源的设计

2012年5月

直流开关稳压电源的设计

TheDesignofDCSwitchingPowerSupply

摘要

开关电源具有效率高、体积小、重量轻等显著特点。

目前世界各国都有广泛的应用，特别是对大容量高频开关电源的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究领域，并派生了很多新的研究方向。

稳压电源是实现电能变换和功率传递的主要设备。

在信息时代，农业、能源、交通运输、通信等领域迅猛发展，对电源产业提出个更多、更高的要求，如节能、节材、减重、环保、安全、可靠等。

这就迫使电源工作者不断的探索寻求各种乡关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。

开关电源是一种新型的电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高、耗能低、使用方便，并取得了较好的经济效益。

本文在介绍了开关电源的各种工作方式、其优劣势、设计方法及未来发展方向等的基础上，对开关稳压电源进行设计。

设计分为几个模块进行，包括辅助电源模块、PWM控制模块、升压电路部分，其中PWM控制电路为电源设计的核心。

关键词：

开关电源稳压电源PWM控制

Abstract

Switchingpowerhasmanyremarkablecharacteristicssuchashighefficiency,smallnessandlightness.Countriesallovertheworldhaveextensiveapplicationinswitchingpower,especiallyresearchonlargecapacityhigh-frequencyswitchinghasalreadybecomethemainresearchfieldofpowerelectronicsandmanynewresearchdirectionshasderivedfromit.Poweristoachievepowerconversionandpowertransmissionmajorequipment.Intheinformationage,agriculture,energy,transportation,communicationsandotherareasPowerofthesourceindustrymakeagreaterandhigherrequirements,suchasenergy,materials,weightreduction,environmentalprotection,safetyandreliability.Thishasforcedthepowerworkershavebeenexploringthetechnologyforavarietyofruralcustoms,thepowertomakethebestproductstomeettherequirementsofallwalksoflife.

Switchingpowersupplyisanewtypeofpowersupply,comparedtotraditionallinearpowersupply,hightechnology,lowenergyconsumption,easytouse,andhasachievedgoodeconomicresults.Thispaperdescribesthevariousswitchingpowersupplyworks,itsadvantagesanddisadvantages,designanddirectionoffuturedevelopment,basedonthedesignoftheswitchingpowersupply.Designisdividedintoseveralmodules,namely,auxiliarypowermodule,PWMcontrolmodule,boostcircuitpart,whichPWMcontrolcircuitforthepowersupplydesignofthecore.

Keywords:

switchingpowersupplyconstantvoltagepowersupplyPWMcontrol

绪论

电力电子技术与装置的市场需求与日俱增，其中电源是电力电子技术的主要应用领域之一。

随着微电子制造技术的进步，计算机、通信设备、家用电器得到飞速发展，这些设备内部往往需要采用直流稳压电源供电。

很多关键的设备还需要不间断电源，以确保市电停电时设备仍能工作。

近年来，随着电力电子技术的迅猛发展，新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件不断的出现并应用到开关电源，使开关电源达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高。

因此，许多领域，例如邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多的应用开关电源，并取得了显著效益。

随着芯片集成度的不断提高，电子设备内功能部件的体积不断减小，因而要求设备内部电源的体积和重量不断减小。

提高开关频率是减小开关电源体积和重量的基本措施，因为变压器和电感电容等滤波元件的体积和重量随频率的提高而减小。

高频化、小型化、模块化和智能化是直流开关电源的发展方向。

高频化是小型化和模块化的基础，目前开关频率为数百kHZ至数MHz的开关电源已有使用。

功率重量比或功率体积比是表征电源小型化的重要指标，50w/in的开关电源早已上市，目前己向120W/in发展。

模块化与小型化分不开，同时模块化可提高电源的可靠性，简化生产与使用。

模块电源的并联串联和级联既便于用户使用，也便于生产。

智能化是便于使用和维修的基础，无人值守的电源机房、航空和航天器电源系统等都要求高度智能化，以实现正常、故障应急和危急情况下对电源的自动管理。

现代越来越复杂的电子设备对电源提出了各种各样的负载需求。

一个特定用途的电源装置，应当具有符合负载要求的性能参数和外特性，这是基本的要求。

安全可靠是必须加以保证的。

高效率、高功率因数、低噪音是普遍关注的品质。

无电网污染、无电磁干扰、省电节能等绿色指标是全球范围的热门话题，并有相关的国际和国家标准规范进行约束。

电源技术发展到今，己融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，已从多学科交叉的边缘学科成长为独树一帜的功率电子学[1]。

电源电压的变换，要有一种基础的技术，使得变换简单，成本低，体积重量小、容易控制输出电压、变换方式等，由此，产生了一种电源变换技术，叫做开关电源技术，最早开始应用也就是上世纪90年代初，这种技术的核心就是先将电压能量统一变成直流，然后切成间隔脉冲，通过脉冲的占空比实现控制能量输出多少，来调节输出电压的目的，由于这种方法去掉了变压器，所以体积减小重量减轻，控制简单。

如今都提倡绿色化、环保节能，而开关电源可以做到相比其他电源更优秀。

首先是显著节电,这意味着发电容量的节约。

发电造成环境污染的重,通过节电就可以减少对环境的污染。

并且开关电源能很好的防止高次谐波对电网的污染，提高功率因素。

直流开关稳压电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。

开关电源一般多采用脉冲宽度调制（PWM）控制方式。

随着电力电子技术的发展和创新，开关电源逐步向高频化方向发展。

高频化使开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点，因此，研究、开发高质量的开关电源就变得十分必要，尤其在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义[2]。

直流开关稳压电源主电路的设计，主要包括：

输入滤波器：

其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。

整流与滤波：

将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。

逆变：

将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。

输出整流与滤波：

根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。

本文设计的直流开关稳压电源主要应用于仪器仪表的开关电源，确定技术指标如下:

（1）电网输入电压：

交流220V；

（2）电网频率：

50Hz；

（3）输出电压：

直流24V；

（4）输出最大电流：

10A。

1直流开关电源主电路的设计

1.1开关电源的基本原理与组成特点分析

1.1.1开关稳压电源的基本工作原理

开关式稳压电源的控制方式分为调宽式和调频式两种,实际应用中,调宽式使用的较多,在目前开发和使用的开关电源集成电路中,绝大多数也为脉宽调制型。

调宽式开关稳压电源的基本原理如图1-1所示。

图1-1调宽式开关电源的基本原理

对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压U0取决于矩形脉冲的宽度,脉冲越宽，其直流平均电压值就越。

其中有:

U0=UmT1/T式中，Um为矩形脉冲的最大电压值；T为矩形脉冲周期，T1为矩形脉冲宽度。

由此可知,当Um与T不变时，直流平均电压U0将与脉冲宽度T1成正比。

这样，只要设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的[3]。

开关稳压电源（简称开关电源）是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。

开关电源一般多采用脉冲宽度调制（PWM）控制方式。

随着电力电子技术的发展和创新，开关电源逐步向高频化方向发展。

高频化使开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点，因此，研究、开发高质量的开关电源就变得十分必要，尤其在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

开关稳压电源具有，效率高，输出功率大，输入电压变化范围宽，节约能耗等优点，而被广泛使用在各个行业和领域中。

开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即占空比来改变输出电压，通常有三种调制方式:

脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（PFM）和混合调制。

PWM调制是指开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式，因为周期恒定，滤波电路的设计容易，是应用最普遍的调制方式。

开关稳压电源的主回路框图如图1-2所示，由隔离变压器产生一个24V的交流，经过整流滤波成一个直流，然后再进行DC-DC变换，有PWM的驱动电路，去控制开关电源管的导通和截止，而产生出一个稳定的电压源，如图1-2所示[4]。

图1-2开关稳压电源

1.2开关电源的结构与组成特点分析

1.2.1开关电源的基本结构

开关电源作为一种高效、轻型、高性能的电源已广泛用于家用电器、电子计算机、变频器等电子设备中。

而在变频器中的广泛应用更显其本色。

变频器的控制回路、驱动回路、保护回路、检测电路等需要十余种相互隔离的电源。

采用开关电源后,可以使变频器体积小、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。

开关电源的结构框图可如图1-3所示。

图1-3开关电源的结构框图

从图中可以看出，这几部分是相辅相成的统一整体。

在电源的研制和开发过程中必须对每一部分都进行认真的分析和研究，才能使所研制的开关电源满足设计要求。

电源主电路通过输入整流滤波、DC-DC变换、输出整流滤波将市电转为所需要的直流电压。

开关电源的主回路可以分为:

输入整流滤波回路、功率开关桥、输出整流滤波三部分。

输入整流滤波回路将交流电通过整流模块变换成含有脉动成分的直流电，然后通过输入滤波电容使得脉动直流电变为较平滑的直流电。

功率开关桥将滤波得到的直流电变换为高频的方波电压，通过高频变压器传送到输出侧。

最后，由输出整流滤波回路将高频方波电压滤波成为所需要的直流电压或电流，主回路进行正常的功率变换所需的触发脉冲由控制电路提供[5,6,7]。

控制电路是整个电源的大脑，它控制整个装置工作并实现相应的保护功能。

一般控制电路应具有以下功能:

控制脉冲产生电路、驱动电路、电压反馈控制电路、各种保护电路、辅助电源电路。

为了使开关电源设备正常的工作，使电源的各个组成部分都能发挥其最大的效能，就必须让电源的各个组成部分相互协调、相互协作。

1.2.2DC-DC变换器类型

DC-DC变换器是开关电源中实现功率转换的部分。

DC-DC变换器的输入电压为整流电压，电压较大，选用全桥式电路较为合适，可使变压器磁芯和绕组得到最优利用，使效率、功率密度等得到优化；另一方面，功率开关在较安全的情况下运行，最大的反向电压不会超过输入整流滤波电路的输出电压。

但是需要的功率元件较多，在开关导通的回路上，至少有两个管的压降，因此功率损耗也较大。

由于整流桥提供的直流电压较高，工作电流相对较低，这些损耗还是可以接受的。

目前，常用的全桥式变换器有传统的硬开关式、谐振式以及移相式。

硬开关式全桥变换器：

硬开关PWM电路曾以结构简单、控制方便得到广泛应用，在硬开关PWM电路中，开关管工作在硬开关状态，开关器件在高电压下导通，大电流下关断，因此，在开关瞬间必然有大量损耗。

因此，常常加入缓冲电路，它可以限制开通时的du/dt和关断时的di/dt，使功率器件安全正常运行。

但是需要注意的是，吸收电路是通过把器件本身的开关损耗转移到缓冲电路中而使器件得到保护的，因此这部分能量最终还是被消耗了，系统总的损耗没有减少。

并且频率越高，开关损耗越大，使系统效率大大降低。

另外，开关器件在高频下运行时，器件本身的极间电容将成为-个重要参数。

极间电容电压转换时的du/dt会藕合到输入端，产生较强的电磁干扰，影响电源本身和电网中其他电器设备的运行。

此外，电路寄生电容、电感若形成强烈的振荡也会影响到设备的正常运行[8]。

谐振式全桥变换器：

硬开关式电路在频率不高时其缺点还不是很突出，随着频率的提高，开关损耗和电磁干扰将变成一个十分严重的问题，为了解决这一问题，有人提出了谐振式软开关的概念。

谐振式软开关和硬开关相比，主要是增加了两个附加元件--谐振电感和谐振电容。

利用谐振电感和谐振电容的谐振作用，使开关器件在正弦波的零电压或零电流处开通或关断。

谐振变换电路有多种拓扑结构，但其基本组成部分还是通过开关器件和谐振元件L、C之间串联或并联实现的，再配以适当的控制策略来实现开关器件的零电压或零电流动作。

移相控制全桥变换器：

由于具有恒频软开关运行、移相控制实现方便、电流和电压应力小、巧妙利用寄生元件等一系列突出优点，倍受各方的广泛关注.移相控制方式作为全桥变换器特有的-种控制方式，它是指保持每个开关管的导通时间不变，同一桥臂两只管子相位相差180度。

对全桥变换器来说，只有对角线上两只开关管同时导通时，变换器才输出功率，所以可通过调节对角线上的两只开关管导通重合角的宽度来实现稳压控制，而在功率器件环流期间，它又利用变压器的漏感、功率半导体器件结电容或外加的附加电感电容的谐振来实现零电压或零电流的开关电流[9]。

1.2.3控制电路

控制电路是开关电源系统的另一重要部分。

DC-DC变换器需要控制电路提供适当的驱动脉冲，才能有效的工作。

如果控制电路不完善，主电路设计得再好也无法发挥其自身的功能，例如:

如果控制电路输出的触发信号不稳定，或者出现误触发，有可能引起开关桥的直通，导致短路，从而损坏开关元件。

根据电路功能的分工可将控制电路分为几大部分:

脉冲产生电路、触发电路、电压反馈控制电路、软启动电路、保护电路、辅助电源电路等。

脉冲产生电路是控制电路的核心。

脉冲产生电路根据电压反馈控制电路、保护电路以及软启动电路等提供的控制信号产生出所需的脉冲信号，然后该脉冲信号经过触发电路的放大后去驱动开关元件，使开关管导通或关断。

电压反馈控制电路通过检测电压的大小，对输出电压进行采样，然后将采样电压和参考电压相比较得出误差信号，反馈控制电路将误差信号进行PI处理后得到一控制电压。

最后，反馈控制电路将该控制电压送给脉冲产生电路，进而调节输出脉冲的脉宽达到调节输出电压的目的。

控制电路输出的PWM信号，电平幅值和功率能力均不足以驱动大功率开关元件，因此选择合适的驱动电路是必须的。

驱动电路是将控制电路输出PWM脉冲信号经过电隔离后进行功率放大和电压调整再去驱动大功率开关管，由于所提供的脉冲幅度以及波形关系到开关管的开关过程，直接影响到损耗，所以，应该合理设计驱动电路，实现开关管的最佳开通与关断。

电源的输出滤波电容较大，输出电压的突然建立将会形成非常大的电容充电电流，叠加在负载电流上，它不仅使开关管的负担过重而可能损坏，而且，由于持续时间长，往往会引起过流保护电路发生误动作。

若为了避免由此引起的误动作而将保护电路搞得非常迟钝，这将会增加过流保护的不安全性。

输出电压在合闸时容易出现过冲，这种过冲，合闸时可能发生，在关闭电源时也可能产生，只要达到足够的幅度将会给负载造成损害，而且，反复的大电流冲击对电容器本身也不利，同时还会引起干扰，因此，开关电源必须具备输出电源软启动的功能。

软启动电路在电源合闸和重新启动时提供一个逐渐上升的电压信号给脉冲产生电路，从而使控制电路的输出脉冲有一个逐渐建立的过程。

保护电路是控制电路的一个重要组成部分，为了提高电源的可靠性必须不断完善保护电路的功能。

当前开关电源电路的主要保护功能有:

过流保护、过压保护、欠压保护、温度保护。

过流保护和过压保护是为了保护负载和电源两者而设置的，而欠压保护和温度保护是为了电源本身而设置的。

辅助电源电路的功能是为控制电路供电。

辅助电源的类型有很多种，既可以采用串联线性调整型电源，也可以采用开关电源。

辅助电源也可以通过高频变压器获得输出后反馈提供，辅助电源本身作为开关电源的一组负载。

选取辅助电源电路形式时，只要该电源能满足控制电路的要求即可。

1.3主要电路的设计

1.3.1整流电路设计

整流电路的主要作用是把经过变压器降压后的交流电通过整流变成单个方向的直流电。

但是这种直流电的幅值变化很大。

它主要是通过二极管的截止和导通来实现的。

常见的整流电路主要有全波整流电路、桥式整流电路、倍压整流电路。

由于单相桥式整流电路的纹波电压小，输出电压比较高，晶体管所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内部有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率高，所以我们选取单相桥式整流电路实现设计中的整流功能。

单相桥式整流电路如图1-4所示[10]。

图1-4单相桥式整流电路

1.3.2滤波电路设计

滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，对于滤波电路的选择有以下两种方案。

方案一：

采用电感滤波电路。

由于电感在电路中有储能的作用，在电路中可以串联电感，当电源供给的电流增加时，它把能量存储起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感有平波的作用。

在电感滤波电路中，整流管的导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，但是由于铁心的存在，笨重、体积大，容易引起电磁干扰。

一般用只用在低电压、大电流场合。

方案二：

采用电容滤波电路。

由于电容在电路中也有储能的作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，也就是电容具有平波的作用。

电容滤波电路简单，负载直流电压比较高，纹波也较小，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合，也减轻了电路设计和实际焊接的工作。

如图1-5a）、b）为电容滤波电路，c）为电感滤波电路[11,12]。

a）C型滤波电路b）倒L型滤波电路c）π型滤波电路

图1-5滤波电路的基本形式

根据以上的分析选用方案二。

1.4DC-DC变换器设计

1.4.1DC-DC变换器电路设计及工作原理

全桥变换电路拓扑是目前国内外DC-DC变换电路中最常用的电路拓扑形式之一，应用非常广泛。

本课题电源系统采用的即是这种全桥变换器拓扑。

全桥变换器电路结构如图1-6所示[13]。

图1-6全桥变换器电路结构

基本工作原理为：

直流电压Vin经过Q1、D1～Q4、D4组成的全桥开关变换器，在高频变压器初级得到高频交流方波电压，经变压器降压，再全波整流变换成直流方波，最后通过电感L、电容C组成的滤波器，在R上得到平直的直流电压。

全桥直流变换器由全桥逆变器、高频变压器和输出整流滤波电路组成，也属于直流-交流-直流变换器[14]。

1.4.2全桥DC-DC变换器的控制方式

全桥电路，适用于较多的场合。

全桥变换器本质上有三种基本的控制方式：

双极性控制、有限双极性控制和移相控制。

下面简要说明几种控制方式的区别[15]。

（1）双极性控制方式

开关管Q1和Q4、Q2和Q3同时开通和关断，两对开关管以PWM方式交替开通和关断，其开通时间不超过半个开关周期。

即它们的开通角小于180度。

当Ql,Q4导通时，Q2,Q3上的电压为Vin，反之亦然；当四个开关管都处在截止状态时，每个开关管所承受的电压为Vin/2。

由高频变压器的漏感与开关管结电容在开关过程中产生高频振荡所引起的电压尖峰，当其超过输入电压时，钳位二极管Dl～D4将导通，使开关管两端的电压被限制在输入电压上。

这种控制方式是过去全桥电路最基本的方式。

（2）有限双极性控制方式

电路中同一个桥臂的两个开关管（例如Q2,Q4）180度互补导通，另一个开关桥臂的两个开关管的导通占空比可调。

正半周期中，Q4一直开通,Q1只开通一段时间；负半周期中，Q2一直开通，Q3只开通一段时间。

Q1和Q3分别在Q4和Q2之前关断。

定义Q1、Q3组成的桥臂为超前桥臂，Q2、Q3组成的桥臂为滞后桥臂。

（3）移相控制方式

每个桥臂的两个开关管180度互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个相位，即所谓移相角。

通过调节移相角的大小来调节输出脉冲宽度，从而达到调节相应的输出电压的目的。

Q1,Q3的驱动信号分别领先于Q4,Q2，可以定义Q1,Q3组成的桥臂为超前桥臂，Q2,Q4组成的桥臂为滞后桥臂。

2控制电路及保护电路的设计

开关电源的主电路主要处理电能，而控制电路主要处理电信号，属于“弱电”电路，但它控制着主电路中的开关器件的工作，一旦出现失误，将造成严重后果，使整个电源停止工作或损坏。

因此，控制电路的设计质量对电源的性能至关重要。

设计中采用PWM集成控制器[15]。

2.1PWM集成控制器的工作原理

PWM集成控制器通常分为电压控制模式和电流控制模式，电流控制模式因为动态响应快，补偿及保护电路简单，增益带宽大，易于均流及可防止偏磁等优点而被广泛采用电流控制模式又分为峰值电流模式和平均电流模式，本论文采用UC1825A集成芯片峰值电流控制模式。

两种控制模式的原理图如图2-1和图2-2所示。

图2-1电压控制模式

图2-2峰值电流控制模式

2.1.1两种控制模式的工作原理

图2-1为电压控制模式的PWM原理图。

由图可以看出电压控制模式只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法。

它工作的基本原理是：

当恒频时钟脉冲置位锁存器时，输出电压U0与参考电压Uref经误差放大器EA放大后得到了一个误差电压信号Ue，Ue再与振荡电路产生的固定锯齿波电压经PWM比较器COM比较，由锁存器输出占空比随误差电压信号Ue变化的具有一定占空比的一系列脉冲[13]。

图2-2为峰值电流控制模式的PWM原理图。

由图可以看出，它在原有的电压环上增加了电流反馈环节,构成电压电流双闭环控制。

它工作的基本原理是：

输出电压U0与参考电压Uref经误差放大器EA放大后得到