开关电源的毕业设计

第 1 页 共 30 页第 1 章 绪论1.1 开关电源的产生与发展随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源 1。隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。早在 70 年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求。随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近年来高反压 Mos 大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从 20kHz 提高到 150200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了前所未有的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。在 70 年代后期，功率在 100w 以上的开关电源是有竞争力的。到 1980 年，功率在 50w 以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到 80 年代后期，电子设备的消耗功率在 20w 以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入 90 年代后，其成本下降非常显著当然这包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一 2。开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种用电要求。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引起社会各方面的重视而得到迅速推广。 随着技术的不断发展和完善，开关电源得到了广泛的应用，以往开关电源的设计通常采用控制电路与功率管相分离的拓扑结构，但这种方案存在成本高、系统可靠性低等问题。美国功率集成公司。Power Integration Inc 开发第 2 页 共 30 页的 TOP Switch 系列新型智能高频开关电源集成芯片解决了这些问题，该系列芯片将自启动电路、功率开关管、控制电路及保护电路等集成在一起，从而提高了电源的效率，简化了开关电源的设计和新产品的开发，使开关电源发展到一个新的时代。现在有很多的设计方法就是用 TOP Switch 的第三代产品TOP249Y 开发变频器用多路输出开关电源 3。开关电源问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制（PWM）技术的发展， PWM 开关电源问世，它的特点是用 20kHz 的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达 65%70%，而线性电源的效率只有 3040。因此，用开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为 20kHz 革命。随着超大规模集成（ultra-large-scale-integrated-ULSI）芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机、移动电话等）更需要小型化、轻量化的电源。因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。1.2 开关电源的研究现状国 际 发 展 状 况 ： 1955 年 美 国 的 科 学 家 罗 耶 首 先 研 制 成 功 了 利 用 磁 芯 来 进 行 自 激 振 荡 的 晶 体管 直 流 变 换 器 。 20 世 纪 60 年 代 末 ， 由 于 微 电 子 技 术 的 快 速 发 展 ， 高 反 压 、 大电 流 的 功 率 开 关 晶 体 管 出 了 ， 从 此 直 流 变 化 器 就 可 直 接 由 工 频 电 网 电 压 经 整 流 、滤 波 后 输 入 供 电 ， 体 积 大 、 重 量 重 、 效 率 低 的 工 频 降 压 变 压 器 终 于 给 甩 掉 ， 这迅 速 扩 大 了 晶 体 管 直 流 变 压 器 的 应 用 范 围 ， 并 在 此 基 础 上 诞 生 了 无 工 频 变 压 器的 开 关 稳 压 电 源 。 20 世 纪 70 年 代 以 后 ， 与 这 种 技 术 有 关 的 高 频 率 、 高 反 压 ，大 电 流 的 功 率 开 关 晶 体 管 ， 高 频 率 、 高 温 电 容 、 高 反 压 、 快 恢 复 肖 特 基 二 极 管 ，高 频 变 压 器 磁 芯 材 料 等 元 器 件 不 断 地 被 研 制 ， 生 产 ， 使 无 工 频 变 压 器 开 关 稳 压电 源 不 断 得 完 善 和 快 速 发 展 6。 目 前 正 在 克 服 的 困 难 ， 第 一 ： 从 事 开 关 稳 压 电 源 研 究 和 生 产 的 技 术 人 员 正致 力 于 研 制 出 转 换 效 率 更 高 ， 体 积 更 小 ， 重 量 更 轻 的 开 关 变 压 器 或 者 通 过 其 他途 径 和 方 法 来 取 代 电 路 中 的 变 压 器 。 第 二 ： 进 一 步 研 制 适 应 开 关 稳 压 电 源 高 频率 工 作 的 有 管 元 器 件 和 PCB 电 路 。 第 三 ： 进 一 步 提 高 它 的 输 出 稳 定 度 和 降 低第 3 页 共 30 页它 的 输 出 纹 波 电 压 ， 扩 大 它 的 适 用 范 围 。 第 四 ： 寻 求 新 的 驱 动 方 式 和 研 制 新 的功 率 开 关 管 。 面 对 难 题 所 出 现 的 新 突 破 和 新 进 展 ， 第 一 ： 谐 振 式 开 关 稳 压 电 源 ， 从 根 本上 解 决 了 由 于 功 率 管 上 的 功 耗 大 而 导 致 开 关 稳 压 电 源 转 换 效 率 低 的 问 题 ， 和 由于 功 率 开 关 上 的 电 流 和 电 压 应 力 大 而 导 致 开 关 电 源 可 靠 性 和 稳 定 性 低 的 问 题 。第 二 ： 具 有 零 流 关 断 和 零 压 导 通 的 复 合 功 率 开 关 管 IGBT 既 具 MOSFT 输 入 驱动 所 需 功 率 非 常 小 的 输 入 特 性 ， 又 具 有 GTR 导 通 以 后 管 压 降 非 常 小 的 输 出 特性 。 这 两 个 问 题 的 解 决 ， 是 的 开 关 稳 压 电 源 可 以 拓 展 到 大 功 率 和 超 大 功 率 的 应用 场 合 。 国 内 发 展 情 况 ： 我 国 晶 体 管 直 流 工 频 变 换 器 和 开 关 稳 压 电 源 的 设 计 ， 研 制 和 生 产 开 始 于20 世 纪 60 年 代 初 期 ， 到 20 世 纪 60 年 代 中 期 进 入 实 用 阶 段 。 20 世 纪 70 年 代初 期 开 始 设 计 、 研 制 和 生 产 无 工 频 降 压 变 换 器 的 开 关 稳 压 电 源 ， 1974 年 研 制成 功 我 国 第 一 台 10KHz、 输 出 直 流 电 压 为 5V 的 无 工 频 降 压 变 换 器 的 开 关 稳 压电 源 ， 近 10 年 来 ， 我 国 的 许 多 研 究 所 、 工 厂 和 高 等 院 校 纷 纷 研 制 出 多 种 型 号和 多 种 用 途 的 工 作 频 率 在 20K 左 右 、 输 出 功 率 在 1000W 以 下 的 无 工 频 降 压 变换 器 的 开 关 稳 压 电 源 ， 并 应 用 于 电 子 计 算 机 、 通 信 、 电 视 机 等 方 面 。 20 世 纪80 年 代 初 期 开 始 试 制 工 作 频 率 100-200KHz、 无 工 频 降 压 变 压 器 的 高 频 开 关 稳压 电 源 ， 20 世 纪 90 年 代 初 期 试 制 成 功 ， 目 前 正 在 走 向 实 用 和 进 一 步 提 高 工 作频 率 阶 段 ， 但 是 技 术 上 与 一 些 先 进 的 国 家 相 比 仍 有 巨 大 的 差 距 。 由 于 我 国 的 半导 体 与 工 艺 跟 不 上 时 代 的 发 展 ， 导 致 我 们 自 己 研 制 和 生 产 出 的 无 工 频 降 压 器 的开 关 稳 压 电 源 电 路 中 的 关 键 元 器 件 ， 如 功 率 开 关 晶 体 管 、 高 频 开 关 变 压 器 磁 性材 料 、 储 能 电 感 、 快 恢 复 续 流 二 极 管 大 部 分 仍 然 通 过 国 外 进 口 。 因 此 我 国 的 开关 稳 压 电 源 事 业 要 发 展 ， 要 赶 超 世 界 先 进 水 平 ， 最 根 本 的 问 题 就 是 要 提 高 我 国的 半 导 体 技 术 和 工 艺 5。1.3 开关电源的特点(1)效率高。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在 80%90%，高的可达 90%以上；(2)重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，从而使其重量只有同容量线性电源的 1/5，体积也大大缩小了；(3) 稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在 90270 V 内变化时，输出电压的变化在2%以下。合理设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽并保证开关电源的高效率；第 4 页 共 30 页(4)安全可靠。在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠； (5) 功耗小。由于开关电源的工作频率高，一般在 20 kHz 以上，因此滤波元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性 4。第 5 页 共 30 页第 2 章 系统总体设计及主要部分电路2.1 系统总体设计2.1.1 主要技术参数输入电压：AC220V输入频率：50Hz输入电压范围：AC176V-264V输出电压、电流：DC5V，7A输出功率：35W2.1.2 总体设计根据上述要求选用单端反激式电路,该电路的特点是:电路简单,设计体积小且成本低。单端反激式电路由输入滤波电路、电流型脉宽调制电路、功率传递电路、RCD 缓冲器、输出整流滤波电路、误检测电路及信号传递电路等组成。开关电源的系统框图如图 2-1 所示，输入电压为 AC220V、50Hz 的交流电经过桥式整流电路、滤波电路得到一直流电压，再通过控制电路中功率开关管不断的导通和关断对直流电压斩波，和高频变压器 T 的降压作用得到频率为100KHz 的矩形波电压，然后经整流滤波后得到直流输出电压。为了使输出电压稳定，用了 TL431 取样，将误差经光耦合放大，通过 PWM 来控制开关管的导通与截止时间（即占空比） ，使得输出电压保持稳定 8。图 2-1 开关电源的系统框图2.2 单端反激式变换器第 6 页 共 30 页T1VT1VD1C1、PWM、Ui在此功率转换电路中，采用单端反激式变换器，如图 2-2 所示，它由开关管 VT1、高频变压器 T1、整流管 VD1、滤波电容 C1、及反馈控制和 PWM 驱动等组成。单端是因为其高频变压器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧，并且只有一个输出端。按变压器的副边开关整流器二极管的接线方式不同，单端变换器可为两种：正激式与反激式。原边主功率开关管与副边整流管的开关状态相反（开关管导通时，副边的整流二极管截止）称为单端反激式。当原边加到高电平激励脉冲使 VT1 导通，直流输入高频变压器的原边两端，此时因副边是上负下正，使整流二极管截止；当驱动脉冲为低电平使 VT1 截止，原边两端极性反向，使副边绕组两端变为上正下负，则整流二极管被正向导通，此后变压器副边的磁能向负载释放。因此单端反激式变换器只是在开关管 VT1 导通时储存能量，当它截止时才向负载释放，故高频变压器在开关过程中，既起变压隔离作用，又是电感储能元件。图 2-2 单端反激式变换器原理图单端反激式变换器通常采用加气隙来增大可工作的磁场强度 H，减少剩余磁感应强度；当反激式变换器处于连续工作模式时，气隙可有效防止磁芯饱和，因而可增大电源的输出功率，减少变压器磁芯损耗，进一步提高开关频率。2.3 双环电流型PWM控制器2.3.1双环电流型PWM控制器的工作原理电流型PWM是在电压型PWM的基础上发展起来的,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。随着电流型PWM控制器被越来越广泛地应用,正确掌握使用方法可以节约大量设计时间,并能取得较好的设计效果,因而是使用这一类控制器必须注意的问题。从图2-3 可以看出,电流型控制器有两个控制闭合环路: 一个是输出电压反馈输入到误差放大器,与基准电压比较后产生误差电压; 另一个是变压器初级电感线圈中电流在R 产生的电压与误差电压进行比较,产生调制脉冲的宽度,使得误差信号对电感的峰值电流起着实际的控制作用。第 7 页 共 30 页图 2-3 电流型 PWM 控制器原理图其工作过程如下:若输入电压下降,整流后的直流电压下降 ,经电感延迟使输出电压下降,经误差放大器延迟, Vea 上升,占空比变化,从而维持输出电压不变,在电流环中电感的峰值电流也随输入电压下降,电感电流的斜率di/dt 下降,导致斜坡电压推迟到达Vea ,使PWM 占空比加大,起到调整输出电压的作用。由于既对电压又对电流起控制作用,所以控制效果较好,得到广泛应用。2.3.2 双环电流型PWM控制器的特点(1)由于输入电压Vi的变化即反映为电感电流的变化，不经过误差放大器就能在比较器中改变输出脉冲宽度（电流控制环），因而使得系统的电压调整率非常好，可达到0.01%/V，能够与线性稳压器相比。(2)由于双环控制系统内在的快速响应和高稳定性，反馈回路的增益较高，不会造成稳定性与增益的矛盾，使输出电压有很高的精度。(3)由于电阻R上感应出峰值电感电流，只要R上电压达到1V ，PWM控制器就立即关闭，形成逐个脉冲限流电路，使得在任何输入电压和负载瞬态变化时，功率开关管的峰值电流被控制在一定范围内，在过载和短路时对主开关管起到有效保护。(4)误差放大器用于控制，由于负载变化造成的输出电压变化，使得当负载减小时电压升高的幅度大大减小，明显改善了负载调整率。(5)由于系统的内环是一个良好的受控电流放大器，所以把电流取样信号转变成的电压信号和一个公共电压误差放大器的输出信号相比较，就可以实现并联均流，因而系统并联较易实现。23 1UASR QTQ1RD11N34L1CVCC、V outE/AV out、Vcc:、 out:、123A第 8 页 共 30 页2.4 UCC3802开关电源集成控制器无工频变压器式集成开关电源分脉宽调制式(PWM ) 和脉频调制式(PFM ) 两大类。前者是对脉冲宽度进行调制, 后者则是对脉冲频率进行调制, 均可实现稳压目的。目前, 开关电源大多采用PWM 方式, 也有少数用PFM 方式,后者要求滤波电路能在宽频带下工作。表2-1 列出目前国内外生产的脉宽调制器和脉频调制器典型产品的分类。本文介绍的UCC3802是美国Unitrode 公司生产的一种高性能单端输出式电流控制型脉宽调制器芯片，由该集成电路构成的开关稳压电源和电压控制型脉宽调制开关稳压电源相比具有以下特点：(1)管脚数量少，外围电路简单，价格低廉；(2)电压调整率很好；(3)负载调整率明显改善；(4)频响特性好，稳定幅度大;(5)具有过流限制、过压保护和欠压锁定功能。因此它是目前比较理想的新型的脉宽调制器。表2-1 脉宽调制器和脉频调制器产品分类类 型 特 点 国外型号最高开关频率/Hzmaxf输出最大峰值电流 /APMI国产型号UCC3802 1M 1UC3842 500k 1 CW 3842TEA 2018 500k 0.5 CW 2018单端输出中速型LPC1094 500k 1. 2UC1825 1M 1. 5单端输出高速型 UC1848 1M 1. 5MC3520 UC3520100k 0. 12 CW 3520脉宽调制器双端输出中速型 TL 494 UC494A300k 0. 22 CW 494UC1864 1M 12脉频调制器 双端输出高速型 MC34066 1M 122.4.1 UCC3802的原理及技术指标UCC3802是新一代电流型PWM开关电源集成控制器，它是在UC3842 的基础上发展起来的,采用BiCMOS 晶片工艺,相比UC3842 的Bipolar 工艺,IC 消耗第 9 页 共 30 页12348765UCC3802COMPFBCSRt/CtVrefVccOUTGND(a) 、COMP、 FB、CS、 RT/CT:、GND:、 REF、的功率小,电路传输时间短,可靠性高。该系列产品控制器外接元件少、设计简单、成本低,且电源性能和可靠性可大幅度提高,是UC3842 系列的理想换代产品。2.4.2 UCC3802的构成与原理UCC3802为8 脚双列直插式封装形式，如图 2-4所示，它内部主要由 5.0V基准电压源、用来精确地控制占空比调定的振荡器、降压器、电流测定比较器、PWM锁存器、高增益E/A误差放大器和适用于驱动功率MOSFET管的大电流推挽输出电路等构成。图2-4 UCC3802的管脚配置及内部等效电路电流控制型脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可以调节的驱动信号，控制功率开关管的通断状态来调节输出电压的高低，达到稳压的目的，锯齿波发生器提供恒定的时钟频率