直流开关稳压电源毕业设计

精品毕业设计2008 2009 学年第 二 学期毕业设计（论文）课题 直流开关稳压电源 姓名 系部 电子与计算机系 专业 应用电子 班级 学号 指导教师 精品毕业设计摘要稳 压 电 源 就 是 其 输 出 电 压 相 对 稳 定 ， 它 与 人 们 的 日 常 生 活 密 切 相 关 , 也 称 为 稳 定 电 源 、 稳 压 器 等 。 随 着 电 子 技 术 发 展 ， 电 子 系 统 的 应 用 领 域越 来 越 广 泛 ， 电 子 设 备 的 种 类 也 越 来 越 多 ， 对 稳 压 电 源 的 要 求 更 加 灵 活多 样 。 电 子 设 备 的 小 型 化 和 低 成 本 化 ， 使 稳 压 电 源 朝 轻 、 薄 、 小 和 高 效率 的 方 向 发 展 。 设 计 上 ， 稳 压 电 源 也 从 传 统 的 晶 体 管 串 联 调 整 稳 压 电 源向 高 效 率 、 体 积 小 、 重 量 轻 的 开 关 型 稳 压 电 源 迅 速 发 展 。本 文 中 设 计 的 直 流 稳 压 电 源 电 路 采 用 脉 冲 宽 度 调 制 型 （ PWM）即 开 关 工 作 频 率 保 持 不 变 ， 控 制 导 通 脉 冲 的 宽 度 ； 开 关 型 稳 压 电 路 中 的调 整 管 工 作 在 开 关 状 态 ， 可 以 通 过 改 变 调 整 管 导 通 与 截 止 时 间 的 比 例 来改 变 输 出 电 压 的 大 小 。 当 调 整 管 饱 和 导 通 时 ， 虽 然 流 过 较 大 的 电 流 ， 但饱 和 管 压 降 很 小 ； 当 调 整 管 截 止 时 ， 管 子 将 承 受 较 高 的 电 压 ， 但 流 过 的电 流 基 本 等 于 零 。 可 见 ， 工 作 在 开 关 状 态 调 整 管 的 功 耗 很 小 ， 因 此 ， 开关 型 稳 压 电 路 的 效 率 较 高 ， 一 般 课 达 65%-90%。 同 时 本 文 还 采 用 恒 压差 控 制 ， 其 中 接 有 软 启 动 电 路 ， 在 开 关 机 时 ， 对 产 生 过 冲 现 象 有 相 当 大程 度 的 抑 制 。 同 时 通 过 控 制 DC-DC 变 换 的 脉 宽 ， 可 实 现 过 热 、 过 流 保护 。关键词： 脉宽调制 开关管 滤波电容 精品毕业设计目录摘要 .I第一章 稳压电源 .11.1 稳压电源简介 .11.2 稳压电源技术的亮点 .1第二章 直流稳压电源的分类 .42.1 线性稳压电源 .42.2 开关型稳压电源 .5第三章 稳压电源电路设计 .83.1 整流电路 .83.1.1 半波整流电路.83.1.2 全波整流电路.83.1.3 桥式整流.93.2 滤波电路 .93.2.1 电容滤波电路.93.2.2 电感滤波电路.113.3 控制电路设计 .113.3.1 主要特征及工作原理.113.3.2 TL494 的性能测试 .143.3.3 TL494 管脚配置及其功能 .153.3.4 TL494 的应用 .15第四章 直流稳压电源的保护技术 .174.1 极性保护 .174.2 程序保护 .174.3 过电流保护 .184.4 过电压保护 .19第五章 稳压电源的主要技术指标 .225.1 特性指标 .225.2 质量指标 .22第六章 恒压差控制 .236.1 同步跟踪法的机理 .236.2 参数计算 .23总结 .25参考文献 .26精品毕业设计第一章 稳压电源1.1 稳压电源简介稳 压 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 30 40 。 因此 ， 用 工 作 频 率 为 20kHz 的 PWM 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 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 稳 压 电 源 的 不 断 发 展 和 进 步 。1.2 稳压电源技术的亮点（1）稳压电源功率密度提 高 开 关 电 源 的 功 率 密 度 ， 使 之 小 型 化 、 轻 量 化 ， 是 人 们 不 断 追 求 的目 标 。 这 对 便 携 式 电 子 设 备 （ 如 移 动 电 话 ， 数 字 相 机 等 ） 尤 为 重 要 。 使开 关 电 源 小 型 化 的 具 体 办 法 有 以 下 几 种 。一 是 高 频 化 。 为 了 实 现 电 源 高 功 率 密 度 ， 必 须 提 高 PWM 变 换 器 的工 作 频 率 、 从 而 减 小 电 路 中 储 能 元 件 的 体 积 重 量 。二 是 应 用 压 电 变 压 器 。 应 用 压 电 变 压 器 可 使 高 频 功 率 变 换 器 实 现 轻 、小 、 薄 和 高 功 率 密 度 。 压 电 变 压 器 利 用 压 电 陶 瓷 材 料 特 有 的 “电 压 -振 动 ”变 换 和 “振 动 -电 压 ”变 换 的 性 质 传 送 能 量 ， 其 等 效 电 路 如 同 一个 串 并 联 谐 振 电 路 ， 是 功 率 变 换 领 域 的 研 究 热 点 之 一 。三 是 采 用 新 型 电 容 器 。 为 了 减 小 电 力 电 子 设 备 的 体 积 和 重 量 ， 须 设 法改 进 电 容 器 的 性 能 ， 提 高 能 量 密 度 ， 并 研 究 开 发 适 合 于 电 力 电 子 及 电 源系 统 用 的 新 型 电 容 器 ， 要 求 电 容 量 大 、 等 效 串 联 电 阻 （ ESR） 小 、 体积 小 等 。（2）高频磁性元件精品毕业设计电 源 系 统 中 应 用 大 量 磁 元 件 ， 高 频 磁 元 件 的 材 料 、 结 构 和 性 能 都 不 同于 工 频 磁 元 件 ， 有 许 多 问 题 需 要 研 究 。 对 高 频 磁 元 件 所 用 的 磁 性 材 料 ，要 求 其 损 耗 小 、 散 热 性 能 好 、 磁 性 能 优 越 。 适 用 于 兆 赫 级 频 率 的 磁 性 材料 为 人 们 所 关 注 ， 纳 米 结 晶 软 磁 材 料 也 已 开 发 应 用 。（3）软开关技术高 频 化 以 后 ， 为 了 提 高 开关电源的 效 率 ， 必 须 开 发 和 应 用 软 开 关 技术 。 它 是 过 去 几 十 年 国 际 电 源 界 的 一 个 研 究 热 点 。PWM 开 关 电 源 按 硬 开 关 模 式 工 作 （ 开 关 过 程 中 电 压 下 降 上 升 和 电流 上 升 下 降 波 形 有 交 叠 ） ， 因 而 开 关 损 耗 大 。 高 频 化 虽 可 以 缩 小 体 积重 量 ， 但 开 关 损 耗 却 更 大 了 。 为 此 ， 必 须 研 究 开 关 电 压 电 流 波 形 不 交叠 的 技 术 ， 即 所 谓 零 电 压 开 关 （ ZVS） 零 电 流 开 关 （ ZCS） 技 术 ， 或称 软 开 关 技 术 ， 小 功 率 软 开 关 电 源 效 率 可 提 高 到 800% 85%。 上 世 纪70 年 代 谐 振 开 关 电 源 奠 定 了 软 开 关 技 术 的 基 础 。 随 后 新 的 软 开 关 技 术 不断 涌 现 ， 如 准 谐 振 全 桥 移 相 ZVS -PWM， 恒 频 ZVS-PWM ZCS-PWMZVS-PWM 有 源 嵌 位 ； ZVT-PWM ZCT-PWM 全 桥 移 相 ZV-ZCS-PWM 等 。 我 国 已将 最 新 软 开 关 技 术 应 用 于 6kW 通 信 电 源 中 ， 效 率 达 93 。（4）同步整流技术对 于 低 电 压 、 大 电 流 輸 出 的 软 开 关 变 换 器 ， 进 一 步 提 高 其 效 率 的 措 施是 设 法 降 低 开 关 的 通 态 损 耗 。 例 如 同 步 整 流 （ SR） 技 术 ， 即 以 功 率MOS 管 反 接 作 为 整 流 用 开 关 二 极 管 ， 代 替 肖 特 基 二 极 管 （ SBD） ， 可 降低 管 压 降 ， 从 而 提 高 电 路 效 率 。（5）功率因数校正（PFC）变换器由 于 AC DC 变 换 电 路 的 输 入 端 有 整 流 器 件 和 滤 波 电 容 ， 在 正 弦 电 压 输 入 时 ， 单 相 整 流 电 源 供 电 的 电 子 设 备 ， 电 网 侧 （ 交 流 输 入 端 ）功 率 因 数 仅 为 0.6 0.65。 采 用 功 率 因 数 校 正 （ PFC） 变 换 器 ， 网 侧功 率 因 数 可 提 高 到 0.90 0.95， 输 入 电 流 THD10 。 既 治 理 了 对 电网 的 谐 波 污 染 ， 又 提 高 了 电 源 的 整 体 效 率 。 这 一 技 术 称 为 有 源 功 率 因 数校 正 （ APFC） ， 单 相 APFC 国 内 外 开 发 较 早 ， 技 术 已 较 成 熟 ； 三 相APFC 的 拓 扑 类 型 和 控 制 策 略 虽 然 已 经 有 很 多 种 ， 但 还 有 待 继 续 研 究 发 展 。高 功 率 因 数 AC DC 开 关 电 源 ， 由 两 级 拓 扑 组 成 ， 对 于 小 功 率AC DC 开 关 电 源 来 说 ， 采 用 两 级 拓 扑 结 构 总 体 效 率 低 、 成 本 高 。 如 果 对输 入 端 功 率 因 数 要 求 不 特 别 高 时 ， 将 PFC 变 换 器 和 后 级 DC DC 变 换器 组 合 成 一 个 拓 扑 ， 构 成 单 级 高 功 率 因 数 AC DC 开 关 电 源 ， 只 用 一精品毕业设计个 主 开 关 管 ， 可 使 功 率 因 数 校 正 到 0.8 以 上 ， 并 使 输 出 直 流 电 压 可 调 ，这 种 拓 扑 结 构 称 为 单 管 单 级 PFC 变 换 器 。（6）全数字化控制电 源 的 控 制 已 经 由 模 拟 控 制 ， 模 数 混 合 控 制 ， 进 入 到 全 数 字 控 制 阶 段 。全 数 字 控 制 是 发 展 趋 势 ， 已 经 在 许 多 功 率 变 换 设 备 中 得 到 应 用 。全 数 字 控 制 的 优 点 是 数 字 信 号 与 混 合 模 数 信 号 相 比 可 以 标 定 更 小 的 量 ，芯 片 价 格 也 更 低 廉 ； 对 电 流 检 测 误 差 可 以 进 行 精 确 的 数 字 校 正 ， 电 压 检测 也 更 精 确 ； 可 以 实 现 快 速 ， 灵 活 的 控 制 设 计 。（7）电磁兼容性高 频 开 关 电 源 的 电 磁 兼 容 （ EMC） 问 题 有 其 特 殊 性 。 功 率 半 导 体 器件 在 开 关 过 程 中 所 产 生 的 di dt 和 dv dt， 将 引 起 强 大 的 传 导 电 磁干 扰 和 谐 波 干 扰 ， 以 及 强 电 磁 场 （ 通 常 是 近 场 ） 辐 射 。 不 但 严 重 污 染 周围 电 磁 环 境 ， 对 附 近 的 电 气 设 备 造 成 电 磁 干 扰 ， 还 可 能 危 及 附 近 操 作 人员 的 安 全 。 同 时 ， 电 力 电 子 电 路 （ 如 开 关 变 换 器 ） 内 部 的 控 制 电 路 也 必须 能 承 受 开 关 动 作 产 生 的 EMI 及 应 用 现 场 电 磁 噪 声 的 干 扰 。 上 述 特 殊性 ， 再 加 上 EMI 测 量 上 的 具 体 困 难 ， 在 电 力 电 子 的 电 磁 兼 容 领 域 里 ， 存在 着 许 多 交 叉 学 科 的 前 沿 课 题 有 待 人 们 研 究 。 国 内 外 许 多 大 学 均 开 展 了电 力 电 子 电 路 的 电 磁 干 扰 和 电 磁 兼 容 性 问 题 的 研 究 ， 并 取 得 了 不 少 可 喜成 果 。（ 8） 设计和测试技术建 模 、 仿 真 和 CAD 是 一 种 新 的 设 计 研 究 工 具 。 为 了 仿 真 电 源 系 统 ，首 先 要 建 立 仿 真 模 型 ， 包 括 电 力 电 子 器 件 、 变 换 器 电 路 、 数 字 和 模 拟 控制 电 路 以 及 磁 元 件 和 磁 场 分 布 模 型 等 ， 还 要 考 虑 开 关 管 的 热 模 型 、 可 靠性 模 型 和 EMC 模 型 。 各 种 模 型 差 别 很 大 ， 建 模 的 发 展 方 向 是 数 字 一 模 拟混 合 建 模 、 混 合 层 次 建 模 以 及 将 各 种 模 型 组 成 一 个 统 一 的 多 层 次 模 型 等 。电 源 系 统 的 CAD， 包 括 主 电 路 和 控 制 电 路 设 计 、 器 件 选 择 、 参 数 最优 化 、 磁 设 计 、 热 设 计 、 EMI 设 计 和 印 制 电 路 板 设 计 、 可 靠 性 预 估 、 计算 机 辅 助 综 合 和 优 化 设 计 等 。 用 基 于 仿 真 的 专 家 系 统 进 行 电 源 系 统 的CAD， 可 使 所 设 计 的 系 统 性 能 最 优 ， 减 少 设 计 制 造 费 用 ， 并 能 做 可 制 造 性分 析 ， 是 21 世 纪 仿 真 和 CAD 技 术 的 发 展 方 向 之 一 。 此 外 ， 电 源 系 统 的热 测 试 、 EMI 测 试 、 可 靠 性 测 试 等 技 术 的 开 发 、 研 究 与 应 用 也 是 应 大 力发 展 的 。精品毕业设计第二章 直流稳压电源的分类直流稳压电源主要有线性电源、相控电源、开关电源三种。交流电经过整流，可以得到直流电。但是，由于交流电压及负载电流的变化，整流后得到的直流电压通常会造成 20%到 40%的电压变化。为了得到稳定的直流电压，必须采用稳压电路来实现稳压。按照实现方法的不同，稳压电源可分为三种：线性稳压电源、开关稳压电源。2.1 线性稳压电源 线性稳压电源通常包括：调整管、比较放大部分（误差放大器） 、反馈采样部分以及基准电压部分，它的典型原理框图如图 1 所示。调整管与负载串联分压（分担输入电压 Ui） ，因此只要将它们之间的分压比随时调节到适当值，就能保证输出电压不变。这个调节过程是通过一个反馈控制过程来实现的。反馈采样部分监测输出电压，然后通过比较放大器与基准电压进行比较判断：输出电压是偏高了还是偏低了，偏差多少？再把这个偏差量放大去控制调整管，如果输出电压偏高，则将调整管上的压降调高，使负载的分压减小；如果输出电压偏低，则将调整管上的压降调低，使负载的分压增大，从而实现输出稳压。图 1 线性串联稳压电源原理框图下图 2 为用分立元件组成简单的线性稳压器电路线性稳压电源的线路简单、干扰小，对输入电压和负载变化的响应非常快，稳压性能非常好。但是，线性稳压电源功率调整管始终工作在线性放大区，调整管上功率损耗很大，导致线性稳压电源效率较低，只有 20% 40%，发热损耗严重，所需的散热器体积大，重量重，因而功率体积系数只有 20 30W/dm3；另外线性电源对电网电压大范围变化的适应性较差，输出电压保持时间仅有 5ms。因此线性电源主要用在小功率、对稳压精度要求很高的场合，如：一些为通信设备内部的集成电路供电的辅助电源等。精品毕业设计图 2 线性串联稳压电源2.2 开关型稳压电源 线性稳压电源的动态响应非常快，稳压性能好，只可惜功率转换效率太低。要提高效率，就必须使图 2 中的功率调整器件处于开关工作状态，电路相应地稍加变化即成为开关型稳压电源。转变后的原理框图如图 3 所示。调整管作为开关而言，导通时（压降小）几乎不消耗能量，关断时漏电流很小，也几乎不消耗能量，从而大大提高了转换效率，其功率转换效率可达 80%以上。在图 3中，波动的直流电压 Ui 输入高频变换器（即为开关管 Q 和二极管 D） ，经高频变换器转变为高频（20kHz）脉冲方波电压，该脉冲方波电压通过滤波器（电感 L 和电容 C）变成平滑的直流电压供给负载。高频变换器和输出滤波器一起构成主回路，完成能量处理任务。而稳定输出电压的任务是靠控制回路对主回路的控制作用来实现的。控制回路包括采样部分、基准电压部分、比较放大器（误差放大器） 、脉冲/电压转换器等。开关电源稳定输出电压的原理可以直观理解为是通过控制滤波电容的充、放电时间来实现的。具体的稳压过程如下：当开关稳压电源的负载电流增大或输入电压 Ui 降低时，输出电压 Uo 轻微下降，控制回路就使高频变换器输出的脉冲方波的宽度变宽，即给电容多充点电（充电时间加长） ，少放点电（放电时间减短） ，从而使电容 C 上的电压（即输出电压）回升，起到稳定输出电压的作用。反之，当外界因素引起输出电压偏高时，控制电路使高频变换器输出脉冲方波的宽度变窄，即给电容少充点电，从而使电容 C 上的电压回落，稳定输出电压。图 3 降压型开关电源原理图精品毕业设计开关稳压电源与线性稳压电源的主要性能比较 表 1项目 开关稳压电源 线性稳压电源功率转换效率 65% 95% 20% 40%发热（损耗） 小 大体积 小 大功率体积系数 60 100W/dm3 20 30W/dm3重量 轻 重功率重量系数 60 150W/kg 22 30W/kg对电网变化的适应性 强 弱输出电压保持时间 长（20ms） 短（5ms）电