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1、准谐开关电源的设计毕业论文准谐开关电源的设计毕业论文1 绪论 11.1 引言 11.2 选题的目的和意义 21.3 课题可行性分析 32 开关电源 42.1 开关电源的种类及特点 42.2 开关电源的效率分析 143 电路设计 163.1 软开关电路的种类、特点 163.2 软开关电路的选用原则 194 准谐振开关电源的设计 224.1 主电路的设计 224.2 软开关的设计 244.3 控制电路的设计 274.4 交流滤波整流输入的设计 345 结论 37参考文献 38致 谢 39附录一 控制电路图 40附录二 原理图总图 411 绪论1.1 引言 随着电力电子技术的告诉发展，电力电子设备与

2、人们的工作、生活的关系日益密切，而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、电子检测设备控制设备等都已广泛地使用了开关电源，正是由于开关电源的广泛应用和普及，使开关电源技术得到迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制和调节开关晶体管开通和关断，维持输出电压稳定的一种电源。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。随着集成电路的集成度的提高，微型计算机的体积也随之不断的减小，这时线性直流稳压电源已不再适应现代设备的工作应用。于

3、是，开关型直流稳压电源替代了线性电源，并使微型计算机实现了微型化。时至今日，几乎所有的微机、笔记本电脑的电源适配器都是开关电源的电路结构。直流电源是将工频电网电能转变成直流形式电源的一种电子仪器设备。直流电源已经广泛应用于各行各业。随着科学技术的不断发展进步，科学研究和工程应用实践对电源的需求逐年增多，对其精度、性能、规格、品种、类型、体积、智能化操作等方面都提出了许多新的要求，现有的直流电源已经不能满足各领域中的许多要求，研究和开发适合要求的多种新型直流电源已经成为一种客观需求，而且其社会效益和经济效益都比较显著。近几年，随着电力电子技术的发展，新一代功率器件，如MOSFET，IGBT等应用

4、，高频逆变技术的逐步成熟，出现了大功率、高密度的开关电源，同线性电源相比较高频率开关电源的突出特点是：效率高、体积小、重量轻、设计制造周期短。由于它的优越特性，现在已逐渐取代了传统的线性直流电源。采用脉宽调制技术，实现了对输出电压稳压和输出电流的限流功能。本设计采用的是半桥变换器和零电流软开关技术结合。将工频电压双路整流，一路作为半桥功率变换的功率输入，一路经滤波稳压后为PWM控制电路提供稳定工作电压。设计具有完善控制和保护功能的电源系统，使我们设计的开关电源的效率达到85%以上。通过这次设计使我们掌握了开关电源设计技术，提高我们综合运用知识的能力以及设计和开发能力，为以后进一步学习和工作打下

5、良好的基础。1.2 选题的目的和意义1.2.1 选题目的准谐振开关电源广泛应用于电子、IT等产业。尤其随着电力电子器件和相关应用技术的发展，作为用电设备心脏的电源系统发生了很大的变化。以开关方式工作的直流稳压电源以其体积小、重量轻、效率高、稳压效果好等特点，正逐步取代传统电源的位置，成为了电源行业的主流形式。通常，把开关元件上的电压波形为正弦波状的变换器称为电压谐振变换器，即以零电压开关ZVS（Zero Voltage Switching）方式工作，把流过开关的电流波形为正弦波状的称为电流谐振变换器，即以零电流开关ZCS（Zero Current Switching）方式工作。以上两种变换器均

6、称为准谐振变换器，谱振仅在开关管导通或截止时发生，使用了这类开关的变换器称为部分谐振变换器。部分谐振变换器叫做准谐振变换器，其中的零电压开关和零电流开关叫做软开关。20世纪70年代世界电源史上发生了一场革命。提高振荡器输出频率可降低高压变压器、电抗器、平滑电容器、高压电容器等电子器件基本性能要求和结构体积，进而缩小电源体积。高频化使电源体积大幅度的减小，轻巧便携，实用性和使用方便性明显得到改善。实现准谐振开关电源的发展要求。1.2.2 选题意义随着电力电子应用技术的迅速发展，要求电子仪器和设备的可靠性不断提高、功能不断增加、使用趋向自动化及智能化、体积小型化。开关电源的优势便显示出来，它已经广

7、泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备中，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的支撑。另一方面，由于集成电路技术的普及及应用，也促进了电子设备的小型化和多功能化，使电子仪器和设备的成本不断降低。但限制开关电源体积减小和重量减轻，主要是开关电源的变压器、电抗器等磁性元件和平滑波形的电容器作用。虽说可通过提高开关频率、减小磁性元件和平滑电容器的尺寸，却带来元器件损耗增大、温升增高。同时经开关频率提高后，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，而且还会大大降低电源装置本身的可靠性。目前，提高开关电源工作频率的最有效的方法，是采用软开关技术

8、，即在开关管导通时加在开关两端的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可以减少开关损耗，又可以控制浪涌的发生，使得噪声很小。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。基于以上考虑，针对于准谐振式开关电源的设计，既可以采用零电压开关，也可以采用零电流开关，使整个电源达到体积小、重量轻、电磁兼容性好、成本低、可靠性高等特点。1.3 课题可行性分析目前，世界各国正在大力研制开发新型准谐振开关电源，包含新的电源理论、新型

9、模块化电路、新型电子器件等，以满足电子设备小型化、高效化和高性能化的时代发展要求。如何进一步提高开关稳压电源的效率，经历了谐振式开关模式、无源无损耗缓冲电路和同步整流器等几个过程。最初，阻碍开关稳压电源效率提高的最主要的因素是开关管的开关损耗，因此在这一阶段，提高开关稳压电源效率是以减小或消除开关损耗为目的。这种电路拓扑可以与PWM控制方式兼容。在这个时期，还有最具代表性的电路拓扑:移相零电流开关半桥变换器电路拓扑，电路拓扑得到了比较广泛的应用。开关电源效率的进一步提高成为社会需求的更高目标。用原有的改善效率的解决方案无法达到目的，需要重新以电子器件的最新发展为基础，研究高效率功率变换的基本思

10、想和实现方式。通过上述的措施可以将开关电源的效率提高到85%以上。减小开关损耗的各种软开关技术受到了人们的青睐，软开关技术使开关管工作在零开关状态，从而大大减小了开关损耗，提高了开关变换器的效率。准谐振开关技术结合了谐振技术和PWM技术的优点，代表了开关电源的一个发展方向，但在整机产品的普及方面还需要许多工作。本文以UC3867为核心芯片设计了一款零电流准谐振开关电源。2 开关电源2.1 开关电源的种类及特点 顾名思义，开关电源就是利用电子开关器件（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，使电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现DC/A

11、C、 DC/DC电压变换，以及输出电压可调和自动稳压。开关电源一般有三种工作模式：频率可变、脉冲宽度固定模式，频率固定、脉冲宽度可变模式，频率、脉冲宽度可变模式。频率可变、脉冲宽度固定模式多用于DC/AC逆 变 电 源 ，或DC/DC电压变换；频率固定、脉冲宽度可变模式和频率、脉冲宽度可变模式多用于开关稳压电源。同样，前一种工作方式多用于DC/AC逆变电源，或DC/DC电压变换；后两种工作方式多用于开关稳压电源。根据开关器件在电路中连接的方式，目前比较广泛使用的开关电源，大体上可分为：串联式开关电源、并联式开关电源、变压器式开关电源等三大类。其中，变压器式开关电源（后面简称变压器开关电源）还可

12、以进一步分成：单端变换和双端变换等多种；根据变压器的激励和输出电压的相位，又可以分成：正激式、反激式、自激式和它激式等多种。下面我们先对串联式、并联式、变压器式等三种最基本的开关电源工作原理进行简单介绍，其它种类的开关电源也将逐步进行详细分析。2.1.1 串联式开关电源的工作原理图2-1-a是串联式开关电源的最简单工作原理图，图2-1-a中Ui是开关电源的工作电压，即：直流输入电压；K是控制开关，R是负载。当控制开关K接通的时候，开关电源就向负载R输出一个脉冲宽度为Ton，幅度为Ui的脉冲电压Up；当控制开关K关断的时候，又相当于开关电源向负载R输出一个脉冲宽度为Toff，幅度为0的脉冲电压。

13、这样，控制开关K不停地“接通”和“关断”，在负载两端就可以得到一个脉冲调制的输出电压uo。图2-1-b是串联式开关电源输出电压的波形，由图中看出，控制开关K输出电压uo是一个脉冲调制方波 ，脉 冲 幅 度Up等于输入电压Ui，脉冲宽度等于控制开关K的接通时间Ton，由此可求得串联式开关电源输出电压uo的平均值Ua为： （1）图2-1 串联式开关电源电路图及其输出波形式中Ton为控制开关K接通的时间，T为控制开关K的工作周期。改变控制开关K接通时间Ton与关断时间Toff的比例，就可以改变输出电压uo的平均值Ua 。一般人们都把 称为占空比（Duty），用D来表示 ，即 ： （2） （3）串联式

14、开关电源输出电压uo的幅值Up等于输入电压Ui，其 输 出电 压uo的平均值Ua总是小于输入电压Ui，因此，串联式开关电源一般都是以平均值Ua为变量输出电压。所以，串联式开关电源属于降压型开关电源。串联式开关电源也有人称它为斩波器，由于它工作原理简单，工作效率很高，因此其在输出功率控制方面应用很广。例如，电动摩托车速度控制器以及灯光亮度控制器等，都是属于串联式开关电源的应用。如果串联式开关电源只单纯用于功率输出控制，电压输出可以不用接整流滤波电路，而直接给负载提供功率输出；但如果用于稳压输出，则必须要经过整流滤波。串联式开关电源的缺点是输入与输出共用一个地，因此，容易产生EMI干扰和底板带电，

15、当输入电压为市电整流输出电压的时候，容易引起触电，对人身不安全。2.1.2 反转式串联开关电源的工作原理图2-2是另一种串联式开关电源，一般称为反转式串联开关电源。这种反转式串联开关电源与一般串联式开关电源的区别是，这种反转式串联开关电源输出的电压是负电压，正好与一般串联式开关电源输出的正电压极性相反；并且由于储能电感L只在开关K关断时才向负载输出电流，因此，在相同条件下，反转式串联开关电源输出的电流比串联式开关电源输出的电流小一倍。在一般电路中大部分都是使用单极性电源，但在一些特殊场合，有时需要两组电源，其中一组为负电源。因此，选用图2-2所示的反转式串联开关电源作为负电源是很方便的。图2-

16、2中，Ui为输入电源，K为控制开关，L为储能电感，D为整流二极管，C为储能滤波电容，R为负载电阻。当控制开关K接通的时候，输入电源Ui开始对储能电感L加电，流过储能电感L的电流开始增加，同时电流在储能电感中也要产生磁场；当控制开关K由接通转为关断的时候，储能电感会产生反电动势，使电流继续流动，并通过整流二极管D进行整流，再经电容储能滤波，然后向负载R提供电流输出。控制开关K不断地反复接通和关断过程，在负载R上就可以得到一个负极性的电压输出。图2-2 反转式串联开关电源电路图2.1.3 并联式开关电源的工作原理并联式开关电源的工作原理比较简单，工作效率很高，因此应用很广泛，特别是在一些小电子产品

17、中，并联式开关电源作为DC/DC升压电源应用最广。例如，很多使用干电池的手提式电器，由于干电池的电压一般只有1.5V或3V，为了提高工作电压，都是使用并联式开关电源把工作电压提高一倍。并联式开关电源的缺点是输入与输出共用一个地，因此，容易产生EMI干扰。图2-3-a中Ui是开关电源的工作电压，L是储能电感，K是控制开关，R是负载。图2-3-b中Ui是开关电源的输入电压，Uo是开关电源输出的电压，Up是开关电源输出的峰值电压，Ua是开关电源输出的平均电压。当控制开关K接通时，输入电源Ui开始对储能电感L加电，流过储能电感L的电流开始增加，同时电流在储能电感中也要产生磁场；当控制开关K由接通转为关

18、断的时候，储能电感会产生反电动势，反电动势产生电流的方向与原来电流的方向相同，因此，在负载上会产生很高的电压。图2-3 a是并联式开关电源的最简单工作原理图b是并联式开关电源输出电压的波形在Ton期间，控制开关K接通，储能滤波电感L两端的电压eL正好与输入电压Ui相等，即： K接通期间 （4）对上式进行积分，可求得流过储能电感L的电流为： K接通期间 （5）式中iL为流过储能电感L电流的瞬时值，t为时间变量，i（0）为流过储能电感的初始电流，即：开关K接通前瞬间流过储能电感的电流。一般当占空比D小于或等于0.5时， i（0）= 0，由此可以求得流过储能电感L的最大电流ILm为： K接通期间（D

19、 = 0.5） （6）式中Ton为控制开关K接通的时间。当图2-3-a中的控制开关K由接通状态突然转为关断时，储能电感L会把其存储的能量（磁能）通过反电动势进行释放，储能电感L产生的反电动势为： K关断期间 （7）式中负号表示反电动势eL的极性与（4）式中的符号相反，即：K接通与关断时电感的反电动势的极性正好相反。对（7）式阶微分方程求解得： K关断期间 （8）式中C为常数，把初始条件代入上式，就很容易求出C，由于控制开关K由接通状态突然转为关断时，流过储能电感L中的电流iL不能突变，因此，i(Ton+)正好等于流过储能电感L的最大电流ILm ，所以（8）式可以写为： K关断期间 （9）图2-

20、3-a并联式开关电源输出电压uo等于： K关断期间 （10）由（10）式可以看出，当t=0时，即：K关断瞬间，输出电压有最大值： K关断瞬间 （11）当t等于很大时，并联式开关电源输出电压的值将接近输入电压Ui，但这种情况一般不会发生，因为控制开关K的关断时间等不了那么长。从（11）式可以看出，当并联式开关电源的负载R很大或开路时，输出脉冲电压的幅度将非常高。因此，并联式开关电源经常用于高压脉冲发生电路。2.1.4 正激式变压器开关电源正激式变压器开关电源输出电压的瞬态控制特性和输出电压负载特性，相对来说比较好，因此，工作比较稳定，输出电压不容易产生抖动，在一些对输出电压参数要求比较高的场合，

21、经常使用。所谓正激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时，变压器的次级线圈正好有功率输出。图2- 4是正激式变压器开关电源的简单工作原理图，图2- 4中Ui是开关电源的输入电压，T是开关变压器，K是控制开关，L是储能滤波电感，C是储能滤波电容，D2是续流二极 管，D3是削反峰二极管，R是负载电阻。在图2- 4中，需要特别注意的是开关变压器初、次级线圈的同名端。如果把开关变压器初线圈或次级线圈的同名端弄反，图2- 4就不再是正激式变压器开关电源了。图2-4 正激式变压器开关电源电路图我们可知，改变控制开关K的占空比D，只能改变输出电压的平均值Ua ，而输出电压的幅值Up不变

22、。因此，正激式变压器开关电源用于稳压电源，只能采用电压平均值输出方式。图2- 4中，储能滤波电感L和储能滤波电容C，还有续流二极管D2，就是电压平均值输出滤波电路。其工作原理与图2-2的串联式开关电源电压滤波输出电路完全相同，这里不再赘述。正激式变压器开关电源有一个最大的缺点，就是在控制开关K关断的瞬间开关电源变压器的初、次线圈绕组都会产生很高的反电动势，这个反电动势是由流过变压器初线圈绕组的励磁电流存储的磁能量产生的。因此，在图2- 4中，为了防止在控制开关K关断瞬间产生反电动势击穿开关器件，在开关电源变压器中增加一个反电动势能量吸收反馈线圈N3绕组，以及增加了一个削反峰二极管D3。反馈线圈

23、N3绕组和削反峰二极管D3对于正激式变压器开关电源是十分必要的，一方面，反馈线圈N3绕组产生的感应电动势通过二极管D3可以对反电动势进行限幅，并把限幅能量返回给电源，对电源进行充电；另一方面，流过反馈线圈N3绕组中的电流产生的磁场可以使变压器的铁心退磁，使变压器铁心中的磁场强度恢复到初始状态。由于控制开关突然关断，流过变压器初级线圈的励磁电流突然为0，此时，流过反馈线圈N3绕组中的电流正好接替原来励磁电流的作用，使变压器铁心中的磁感应强度由最大值Bm返回到剩磁所对应的磁感应强度Br位置，即：流过反馈线圈N3绕组中电流是由最大值逐步变化到0的。由此可知，反馈线圈N3绕组产生的感应电动势在对电源进

24、行充电的同时，流过反馈线圈N3绕组中的电流也在对变压器铁心进行退磁。2.1.5 反激式变压器开关电源工作原理反激式变压器开关电源工作原理比较简单，输出电压控制围比较大，因此，在一般电器设备中应用最广泛。图2-5 反激式变压器开关电源电路图所谓反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。图2-5-a是反激式变压器开关电源的简单工作原理图，图2-5-a中， Ui是开关电源的输入电压，T是开关变压器，K是控制开关，C是储能滤波电容，R是负载电

25、阻。图2-5-b是反激式变压器开关电源的电压输出波形。把图2-5-a与图2-4-a进行比较，如果我们把图2-5-a中开关变压器次级线圈的同名端对调一下，原来变压器输出电压的正、负极性就会完全颠倒过来，图2-5-b所示的电压输出波形基本上就是从图2-5-b的波形颠倒过来的 。不过 ，因为图2-5-b的波形对应的是纯电阻负载，而图2-5-b的负载是一个储能滤波电容和一个电阻并联。由于储能滤波电容的容量很大，其两端电压基本不变，变压器次级线圈输出电压uo相当于被整流二极管和输出电压Uo进行限幅，因此，图2-5-b中输出电压uo的脉冲尖峰完全被削除，被限幅后的剩余电压幅值正好等于输出电压Uo的最大值U

26、p，同时也等 于变压器次级线圈输出电压uo的半波平均值Upa。2.1.6 双端式变压器开关电源所谓双端式变压器开关电源，就是指在一个工作周期之，变压器的初级线圈分别被直流电压正、反激励两次。与单激式变压器开关电源不同，双端式变压器开关电源一般在整个工作周期之，都向负载提供功率输出。双端式变压器开关电源输出功率一般都很大，因此，双端式变压器开关电源在一些中、大型电子设备中应用很广泛。这种大功率双激式变压器开关电源最大输出功率可以达300瓦以上，甚至可以超过1000瓦。推挽式、半桥式、全桥式等变压器开关电源都属于双激式变压器开关电源。（1）推挽式变压器开关电源在双激式变压器开关电源中，推挽式变压器

27、开关电源是最常用的开关电源。由于推挽式变压器开关电源中的两个控制开关K1和K2轮流交替工作，其输出电压波形非常对称，并且开关电源在整个工作周期之都向负载提供功率输出，因此，其输出电流瞬间响应速度很高，电压输出特性也很好。推挽式变压器开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源，它在输入电压很低的情况下，仍能维持很大的功率输出，所以推挽式变压器开关电源被广泛应用于DC/AC逆变器，或DC/DC转换器电路中。（2）半桥式变压器开关电源半桥式变压器开关电源也属于双激式变压器开关电源，从原理上来说，半桥式变压器开关电源也属于推挽式变压器开关电源，它是多种推挽式变压器开关电源家庭成员之一。在半桥式变

28、压器开关电源中，也是两个控制开关K1和K2轮流交替工作，开关电源在整个工作周期之都向负载提供功率输出，因此，其输出电流瞬间响应速度很高，电压输出特性也很好。由于半桥式变压器开关电源的两个开关器件工作电压只有输入电压的一半，因此，半桥式变压器开关电源比较适用于工作电压比较高的场合。图2-6是交流输出半桥式变压器开关电源的工作原理图。图中，K1、K2是两个控制开关，它们工作的时候，总是一个接通，另一个关断，两个控制开关轮流交替工作；电容器C1、C2是储能滤波电容，同时也是电源分压电容，它们把电源电压一分为二；一个充满电的电容，我们可以把它看成是一个电源，因此，我们可以把电容器C1、C2看成是两个电

29、源串联对变压器负载供电；T为开关变压器，N1为变压器的初级线圈，N2为变压器的次级线圈，Ui为直流输入电压，R为负载电阻；uo为输出电压，io为流过负载的电流。从图2-6原理图中可以看出，电容器C1和C2与控制开关K1和K2正好组成一个电桥的两臂，变压器作为负载被跨接于电桥两臂的中间。但由于电容器C1和C2的参数或电压基本上没有跟随控制开关K1和K2的导通和截止同步变动，并且在实际应用中为了节省成本，经常只使用一个电容器C1或C2，因此，我们把图2-6的电路称为半桥式开关电源电路，或半桥式变压器开关电源。图2-6中，电容器C1、C2首先要被输入电源Ui充电，两个充满电的电容器相当于两个电源串联

30、。当控制开关K1接通时，电容器C1两端的电压被加到变压器初级线圈N1绕组的a、b两端，电容器C1将通过变压器初级线圈N1绕组进行放电；同时，由于互感的作用在变压器次级线圈N2绕组的两端也会输出一个与N1绕组输入电压成正比的电压，并加到负载R的两端，使开关电源输出一个正半周电压。当控制开关K1由接通转为关断时，控制开关K2则由关断转为接通，电容器C2两端的电压被加到变压器初级线圈N1绕组的b、a两端，电容器C2也将通过变压器初级线圈N1绕组进行放电；同理，由于电磁感应的作用在变压器次级线圈N2绕组的两端也会输出一个与N1绕组输入电压成正比的电压，并加到负载R的两端，使开关电源输出一个负半周电压。

31、由于电容器C1放电电流的方向正好与电容器C2放电电流的方向相反，因此，在变压器次级线圈N2绕组的两端输出电压uo是一个脉冲宽度与控制开关K1（或K2）接通时间对应的方波。由于输入电源Ui直接与串联电容器C1和C2连接在一起，因此，在任一时刻，当一个电容器在进行放电的时候，另一个电容器就会进行充电，两个电容器充、放电的电荷总是相等。图2-6 半桥式变压器开关电源半桥式变压器开关电源与推挽式变压器开关电源一样，由于两个开关管轮流交替工作，相当于两个开关电源同时输出功率，其输出功率约等于单一开关电源输出功率的两倍。因此，半桥式变压器开关电源输出功率很大，工作效率很高，经桥式整流或全波整流后，输出电压

32、的电压脉动系数Sv和电流脉动系数Si都很小，仅需要很小的滤波电感和电容，其输出电压纹波和电流纹波就可以达到非常小。半桥式变压器开关电源最大的优点是，对两个开关器件的耐压要求比推挽式变压器开关电源对两个开关器件的耐压要求可以降低一半。因为，半桥式变压器开关电源两个开关器件的工作电压只有输入电源Ui的一半，其最高耐压等于工作电压与反电动势之和，大约是电源电压的两倍，这个结果正好是推挽式变压器开关电源两个开关器件耐压的一半。因此，半桥式变压器开关电源主要用于输入电压比较高的场合，一般电网电压为交流220伏供电的大功率开关电源大部分都是用半桥式变压器开关电源。半桥式开关电源的变压器初级线圈只需要一个绕组，这也是它的优点，这对小功率开关电源变压器的线圈绕制多少带来一些方便。但对于大功率开关电源变压器的线圈绕制没有优势，因为，大功率开关电源变压器的线圈需要用多股线来绕制。