CDCD开关电源设计开题报告

1 研究背景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、控制设备电源等都已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。开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的基本构成如图 1-1 所示，DC-DC 变换器是进行功率变换的器件，是开关电源的核心部件，此外还有启动电路、过流与过压保护电路、噪声滤波器等组成部分。反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。其结构图如图 1-1 所示。V1 V0当前,开关电源新技术产品正在向以下“四化”的方向发展:应用技术的高频化;硬件结构的模块化;软件控制的数字化;产品性能的绿色化。由此,新一代开关电源产品的技术含量大大提高,使之更加可靠、成熟、经济、实用。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。近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块(IPM),这样缩小了整机的体积,方便了整机设计和制造。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件间不再有传统的引线相连,这样的模块经过严格、合理的、热、电、机械方面的设计,DC/DC 变换器驱动器 PWM 比较放大取样参考电压达到优化完善的境地。 开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳定电源,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/AC 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。2、存在的问题当我们对该技术进行深入研究后却发现它仍然存在着一些问题需要解决，而且有的问题还带有全局性：采用定频调宽的控制方式来设计电源，都以输出功率最大时所需的续流时间为依据来预留开关截止时间的，则负载所需的功率小于电源的最大输出功率时就必然造成了工作电流的不连续；“反峰电压”是开关导通期间存入高频变压器的励磁能量在开关关断时的一种表现，而励磁能量只能在、也必须在开关关断后的截止期间处理掉，既能高效处理励磁能量又能有效限制反峰电压的办法是存在的，那就是要及时地为励磁能量提供一个“低阻抗通道” ，并且为励磁能量的通过提供一段时间，但 “单调”控制方法不具备这一条件；高频变压器的磁通复位问题；传统的电流取样方法是在功率回路中串联电阻，效率不高，这个问题向来是电源技术，尤其是以小体积、高功率密度见长的开关电源技术发展的“瓶颈” ；高频开关电源的并联同步输出问题。以上的问题看似彼此独立，其实它们之间存在着一定的关联性解决这些问题，也许还是一条艰难而漫长的路。3、本设计主要要解决的问题和方法（1）相关电路的选择：整流电路的选择、单相半波整流电路、单相桥式整流电路、防止电流冲击的设计。（2）参数计算以及元器件的选型、控制方式的选择、功率转换电路的选择、单端正激变换器的设计、变压器设计、电感的参数计算、二极管和电容器的选择、开关管的选择、控制电路的设计。等电路的选择。（3）控制模式的选择PWM 开关稳压或稳流电源基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定。PWM的开关频率一般为恒定，控制取样信号有：输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压、开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流及恒定功率的目的，同时可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁、均流等功能。对于定频调宽的 PWM 闭环反馈控制系统，主要有五种 PWM 反馈控制模式。（4）开关电源集成控制器开关电源主要由主回路和控制回路两大部分组成，主回路是将交流电网的电能传递给负载的回路，控制回路是按输入输出条件控制主回路的工作状态的回路，将控制回路集成化即称为开关电源集成控制器。开关电源集成控制器多为脉宽调制型(PWM),早期 PWM 多为电压型，缺点是瞬念响应不好。电流控制型 PWM 的性能和功能均优于电压控制型，国外新生产的电流 PWM 控制器品种和数量最多，有完全取代电压控制型的趋势。本设计采用 GWl524 作为系统的控制器。（5）电压检测电路电压反馈的唯一功能就是使输出电压保持在一个固定的值，电源系统中，对输出电压进行分压（分压比例为电压参考值与额定输出电压的比值），将此电压与参考电压的误差通过误差放大器，用于校正脉宽，使输出电压稳定。由于 GW1524 内部有误差放大器，我们只需将输出电压检测出来即可，本设计采用在主输出端串电阻的方式检测输出电压，并反馈到集成控制器，构成闭环。（6）电流检测电路电流模式控制具有动态反应快、补偿电路简化、增益带宽大、输出电感小、易于均流等优点，因而取得越来越广泛的应用。而在电流模式的控制电路中，需要准确、高效地测量电流值，故电流检测电路的实现就成为一个重要的问题。在电流环的控制电路中，电流放大器通常选择较大的增益，其好处是可以选择一个较小的电阻来获得足够的检测电压，而检测电阻小损耗也小。电流检测电路的实现方法主要有两类：电阻检测（resistivesensing）和电流互感器（currentsensetransformer）检测。（7）电阻检测当使用电阻检测法直接检测开关管的电流时还必须在检测电阻 RS 旁并联一个小 RC滤波电路，因为当开关管断开时集电极电容放电，在电流检测电阻上产生瞬态电流尖峰，此尖峰的脉宽和幅值常足以使电流放大器锁定，从而使 PWM 电路出错。但是在实际电路设计时，特别在设计大功率、大电流电路时采用电阻检测的方法并不理想，因为检测电阻损耗大，达数瓦，甚至十几瓦；而且很难找到几百毫欧或几十毫欧那么小的电阻。（8）启动和集成电路供电电路设计输入高于直流电压 20V 时，输入电压不能直接供电给控制芯片 IC GW1524，而需要采用辅助电源电路，这部分电路的主要功能是用一个分流或串联的线形电源给控制器提供比较稳定的电压。（9）保护电路的设计开关电源电路担负着向整个电子设备各单元电路提供电压和功率的任务，因此，开关电源电路一旦发生故障，整个电子设备就不能正常工作，严重时还会引起一系列的烧坏元器件典故，其后果极