低压大电流同步整流DCDC转换器设计

毕 业 设 计（论 文）低压大电流同步整流 DC/DC 转换器设计系 别： 机电信息学院专 业 名 称： 电气工程及其自动化学 生 姓 名： 张康学 号： 1202030114指导教师姓名、职称 ： 张成民 高级工程师- 1 -完成日期 2015 年 12 月 25 日I低压大电流同步整流 DC/DC 转换器设计摘要进入 21 世纪后，微电子技术、互联网技术、集成电路，和信息技术发展得非常快速。集成电路芯片和数字信号处理器的大规模被普及应用在手机，笔记本电脑，工作站等的场合中。小功率的 DC-DC 变换器广泛的使用在计算机、各种诸如手机，笔记本电脑等便携的电子产品。电子产品的精密化，小型化要求供电电源必须可以输出更低的电压、更大的大输出电流、而且必须保证功率密度高、效率更高、稳定性及具有快动态响应来满足以上的各种场合要求的快速、更加高效的数据处理速度。按照低压大电流输出的 DC/DC 转换器的特点，我们了解到效率问题是变换器中的重要表现，经过对同步整流的原理和特点的分析，重点说明了低功率场合中自驱动同步整流的各种优势，对于自驱动同步整流，分析介绍了各种与之相结合电路拓扑后，我们发现必须给出一种新的同步整流方案，即一种新的单绕组自驱动同步整流方案，通过此方案来解决常规的自驱动同步整流方案所带有的种种局限性。单绕组自驱动同步整流方案就是本文主要说明的方案，它具有简单性、经济性、可靠性，单绕组自驱动同步整流这种整流方案在低功率，输出低压，大电流的 DC/DC 变换器应用场合中使用十分合适。自驱动同步整流的应用拓扑范围很宽，尤其适用于变压器如桥式、推挽等对称工作的拓扑。本毕设将会进行研究分析单绕组自驱动同步整流对称半桥变换器的优点，通过对主电路设计与驱动电路设计，具体到对电路元件参数进行相关计算和元件的选择，通过软件对其进行了仿真，验证了变换器低压，大电流输出的可行性。关键词：直-直；变换器；小功率；同步整流；单绕组自驱动；对称半桥；系统设计IILow voltage high current synchronous rectification DC/DC converter designAbstractIn the 21st century, microelectronic technology, Internet technology, integrated circuits, and information technology developed very quickly. Integrated circuit chips and digital signal processors scale is universal application in mobile phones, laptops, workstations, and so on occasion. Low-power DC / DC converter in the computer, communications and other applications have been widely used. Its power supply must have a lower output voltage, output current, higher power density, higher efficiency, stability, and has fast dynamic response to meet the requirements of various occasions over the faster, more efficient data processing speed.According to DC low voltage high current output DC / DC converter features, we know that the converter efficiency is an important manifestation of the analysis of the principles and characteristics of synchronous rectification, and highlights the low-power applications in each self-driven synchronous rectification Dominant, for self-driven synchronous rectification, the analysis describes the various combination of circuit topology with after, we found it necessary to give a new synchronous rectification scheme, namely, a new single-winding self-driven synchronous rectification scheme, through this programs to address the conventional self-driven synchronous rectification program brought some various limitations.Single-winding self-driven synchronous rectification scheme is mainly described herein programs, it has a simple, economical, reliable, it is very suitable for low-power low voltage high current output DC / DC converter applications occasions. Self-driven synchronous rectification topology of a wide range of applications, especially for transformer such as topology bridge, push-pull and other symmetrical work.This article will study and analyze single-winding self-driven synchronous rectification symmetrical half-bridge converter characteristics by driving the main circuit design and circuit design, circuit elements IIIspecific to the right right parameters related calculations and component selection, through its software simulation, verification of the low-voltage, high-current output of the converter feasibility.Keywords: DC-DC;Converter;LowPower;Synchronous;RectificationSelf-Driven;Half-Bridge System; DesignIV目录1 绪论 .11.1 课题背景 .11.2 电源管理概述和发展趋势 .21.3 开关电源叙述 .21.3.1 直流开关电源分类 .21.3.2 开关电源的定义 .31.3.3 开关电源的工作原理 .31.3.4 开关电源的组成 .41.4 本文主要研究的内容 .52 同步整流原理及同步整流方案的选择 .62.1 同步整流的原理 .62.1.1 同步整流对效率的影响 .62.1.2 同步整流的由来 .72.1.3 同步整流管的简介与选择 .82.1.4 典型的同步整流电路及其工作过程 .82.1.5 同步整流对驱动信号的要求 .92.1.6 同步整流管与结型整流二极管的损耗分析 .102.2 同步整流的方案选择 .112.3 单绕组自驱动同步整流方案的拓扑分析 .122.3.1 关于对称半桥变换器 SWSDSR 原理剖析 .122.3.2 单绕组自驱动同步整流的分析总结 .132.4 本章小结 .133 单绕组自驱动同步整流对称半桥变换器的设计与仿真 .153.1 主要电路参数设计 .153.1.1 主电路参数设计 .153.1.2 控制电路的参数设计 .173.2 仿真结果 .193.3 仿真结果分析 .224 总结展望 .244.1 本文小结 .244.2 开关电源的研究前景与展望 .24致谢 .25参考文献 .2611 绪论本文针对最新一代数据处理器、仪器仪表、网络产品相关的工控设备、通讯产品设备、电力相关设备、影音设备等等的应用场合，对各种产品的电源中的低压大电流同步整流DC/DC 转换器进行了相关背景学识的介绍和转换器重要技术进行理论分析计算设计。1.1 课题背景随着信息科技行业的高速发展，具有高速，超大规模的集成电路产品尺寸因此变得不断减小。各种计算机设备、科研工作站、网络服务器、便携式设备例如笔记本电脑，手机等各种设备得到了快速的发展。这些应用方式中，直流分布式电源及其系统被广泛的使用。电源系统的关键组成部分是使用了各种各样设计的直流电源转换器。通讯电源的发展经过通信业的快速发展壮大，开关电源处于通信系统中的最重要的位置逐渐的变成了当今通信供电系统的主流。在这个通讯行业的领域中，一次电源是高频整流器，而二次电源是直流/直流变换器。随着集成电路开始大规模发展壮大，电源模块逐渐变得小型化，所以需要采用新的电路拓扑结构，开关频率得以不断的升高，这些要求使得高频开关电源技术得不断的发展，不断的进步。我们知道生活中的笔记本电脑，手机，家庭座机等计算机、通讯产品的中央处理器是由几个微处理器组成，它具有高效率的数据处理电路。相对于电源来讲，这些数据处理电路中的特殊的负载工作的电压变得越来越低、反而电流越来越大，在各种各样的工作状态下相互转换时电流的变化率越来越高。为了进一步提高处理器的电路数据处理速度，微处理器的频率将会进一步提高，并且集成化程度会不断发展提高，供电电压将会变得越来越低，将会使得更多的处理器会直接集成在一个同一个小小的芯片上，所以将来的处理器它的额定工作电流必然会达到几十安培，甚至 l00A 或者可能会更高。工作电流的增大会使处理器拥有着严格的功率管理方式，会对这类负载的供电的电源提出非常高的要求。现在很多国外的电力芯片科研机构，集团公司针对这类具有特殊负载的电源进行更深层次的研究，设计出电压调节模块(VRM)。它针对这些微处理器的高要求，电压调节模块务必提供严格的低电压输出，大电流的输出，并且这类电压调节模块还得具备快速的动态响应。直流开关电源的发展方向逐渐朝着体积小型化，模块化，智能化，数字化，频率高等几个方向发展。从目前的各种开发的产品来说，开关电源的开关频率已经发展到数百 kHz 甚至到数 MHz 的高度。频率的大小也决定了开关电源小型化与模块化的发展。电源小型化，它的一个重要的指标就是功率体积比，开关电源的功率体积比逐渐从 80W/in3 发展到 120W/in3这个高度。模块化与小型化密不可分，模块化的发展可以使得开关电源可以十分灵活使用，2同时也提高了电源的可靠性。最主要的是可以让开关电源的生产和使用变得更加简单。开关电源的使用简单化，维修简易化必然要求它具有智能化。目前，随着科技大发展，不论是航空电气，还是厂房设备，还是家庭中的简单的电源，数字化的发展都可以使开关电源的元器件变少，体积变小，而且可以更加安全。1.2 电源管理概述和发展趋势开关电源是诸如家用电视机，计算机，手机，测试仪器，生物学仪器，通讯设备等现代电力电子设备的重要组成部分。今天的开关电源的分类不过就是交流开关电源（可以输出电能质量较高的交流电）和直流开关电源（可以输出电能质量较高的直流电）两个类别。电力电子变换器是开关电源的核心部分。如果按照能量转换角度划分，开关电源可以划分四个类型。第一种便是我们常说的直直变换器（DC-DC）,它是直流开关电源的重要的组成部分。这种变换器可以将直流电能转换为另一种或者多种的电压直流电能。还有一种是整流器（AC-DC 转换器） ，又称为离线式变换器，可以把交流电转换为直流电能的转换器。第三种就是逆变器（DC-AC 变换器） 。顾名思义就是把一种直流电能转换成其他的交流电能的变换器。它是交流开关电源和不间断电源（UPS）的重要组成部分。最后要说的就是将一种频率的交流电直接转换为另一种恒定频率或者可以变换的交流电的交交(AC-AC)变频器。以上的四类变换器既可以单向变换，也可以是双向变换。单向变换就是只能将电能从一个方向输入经过转化后从其他的方向输出。双向变换就是电能的流动可以使双向的。1.3 开关电源叙述1.3.1 直流开关电源分类开关电源概念的引入，首先，我们借助实际生活中的例子便携式计算机适配器来阐述开关电源的作用，即为什么要用适配器计算机才能工作。如果用电池给便携式计算机供电，供电的时间是有限的，电池电量用完了，计算机就不能工作了，下次要用电池给计算机供电，怎么办？适配器的作用之一：给电池充电。适配器的输入电压为 AC-220V，而电池电压为DC-20V，也就是 AC-220V 经过适配器变换得到 DC-20V 之后才能给电池充电。如果不用电池给便携式计算机供电，直接用适配器给计算机供电，那么 AC-220V 经过适配器变换得到 DC-20V，便能给便携式计算机供电，若计算机工作需要。若计算机工作需要消耗 65W（输出20V/3.25A）的能量，假设整个电路的效率为 85%，那么输入端 75W 的能量要经过适配器传递给计算机。适配器的作用之二：把交流 AC-220V 变换成计算机工作时需要的直流电压 20V和传递能量。3直流开关电源可以按照输入输出是否电气隔离分为两大类别：第一类：隔离式直流开关电源。隔离式变换器可以实现输入与输出间的电气隔离，而变压器来达成电气隔离是一种常见的采用方法，变压器的本身就具有变压的功能。第二类：非隔离式直流开关电源。非隔离式变换器则无法实现输入与输出间的电气隔离。我们按照其功能和电路结构将电源管理芯片分为两种，分别为连续工作式电源以及开关电源。一般来讲，选用电力电子器件作为开关管，通过对开关管的高频率的开通与关断控制，将一种电能形态转变成为另一种电能形态的装置被称为开关变换器。现如今我们把开关电源分成两个类别，分别是直流开关电源以及交流开关电源。开关电源的大规模应用得益于它具有体积小型化、重量轻、转换的效率高而发热量却比较低、整体的性能优良等特点，这是传统的连续工作电源所不具备的优点。所以开关电源逐渐的开始在电子整机与多种多样的设备中得到极大的推广应用。1.3.2 开关电源的定义我们知道，很多电力电子设备工作所需的电压往往低于原始的一次电源，例如家庭用电220V，蓄电池，干电池等电源。往往需要通过降压，转换才能达到设备所需要的合适的电压。一般来讲，凡是采用电力电子器件作为开关管，控制开关管进行不断的高频率的开通与关断，将一种电能转换为另一种电能的装置被称为开关转换器。而开关电源（Switching Mode Power supplySMIPS）就是将开关变换器作为最主要的核心组成部分，通过闭环自动控制这种装置对输出电压进行稳定，并且加入保护电路等的装置。直流开关电源就是将直直（DC-DC）转换器作为它的重要的核心部分。1.3.3 开关电源的工作原理开关电源的工作原理如图 1-1 中的 a 图所示：输入电压 经过开关 S 来加至输出端。下图中的 S 为一个受控开关,矩形的脉冲电压通过要求对受控的高频的开通与关断即可把不稳定的输入电压 U 转换成脉冲电压。通过滤波电路经过对脉冲电压的滤波后，最后就输出了稳定的输出直流电压 .0（a）电路图4Ui0 t 0 tUo0 tUd（b）波形图图 1.1.开关电源工作原理图及波形图为了更加方便的分析开关电源电路，将脉冲占空比的定义如下：（1-1）=上式中，开关电源 S 开关周期用 T 来表示， 则表示的是受控开关在一个开关周期中导通所占用的时间。由此可知，占空比就是开关电源的导通时间与一个重复开关周期的比值。而开关电源输出的稳定直流