8KV-100mA的全桥开关电源论文开题报告

成都电子机械高等专科学校毕业设计开题报告设计题目：8KV/100mA的全桥开关电源 系 别 机 电 工 程 系 专 业 年 级 学生学号 学生姓名 指导教师 成都电子机械高等专科学校数控技术专业 二00 九 年 三 月设计题目名称8KV/100mA开关电源的设计课 题 来 源公司指定一、课题背景及意义电源的概况电源，和现在各行个业是密不可分的，直流电源作为直流能量的提供者，在各种电子设备中，有着极其重要的地位，它的性能良好与否直接影响整个电子产品的精度、稳定性和可靠性。大功率直流电源被广泛应用于社会生产的各种领域，特别是电力，军事，医用等。产生直流的方法多种多样。但在大功率应用中虽然高效开关电源是发展方向，但常规高压整流电源仍有很强的生命力。其主要优点是电路结构简单，耐冲击能力强，同时研制费用相对较低。20世纪70年代世界电源史上发生了一场革命，即20KHz的开关频率结合脉宽调制技术(PWM)在电源领域的应用。到目前为止，电源的频率已经达到数百KHz，应用先进的准谐振技术甚至可以达到兆Hz水平。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，进而缩小高压电源体积。高频化使高压电源体积大幅度的减小，实用性和使用方便性明显得到改善。直流电源分为线性电源和开关电源两种，应用大功率半导体器件，在一个电路中运行于“开关状态，按一定规律控制开关，对电能进行处理变换而构成的电源，被称为“开关电源”。在实际应用中同时具备三个条件的电源可称之为开关电源，这三个条件就是:1. 开关(电路中的电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态)。2. 高频(电路中的电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频)3. 直流(电源输出是直流而不是交流)。广义地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成另一形态的主电路都叫做开关变换电路;转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节的则称开关电源。目前，开关电源以小型、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。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOSFET制成的500kHz电源，一、课题背景及意义虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会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，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用R-C或L-C缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1MHz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆Hz的变换器的实用化研究。开关电源的组成和原理开关电源的组成开关电源的主要电路是由输入电磁干扰滤波器（EMI）、整流滤波电路、功率变换电路、PWM控制器电路、输出整流滤波电路组成。辅助电路有输入过欠压保护电路、输出过欠压保护电路、输出过流保护电路、输出短路保护电路等。开关电源的电路组成方框图如下：一、主电路，从交流电网输入、直流输出的全过程，包括：一、课题背景及意义1、输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。2、整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。3、逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。4、输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。二、控制电路：一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的资料，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。三、检测电路：除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表资料。四、辅助电源：提供所有单一电路的不同要求电源。开关电源的工作原理是:1.交流电源输入经整流滤波成直流; 2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上; 3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载; 4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的.开关电源的工作过程相当容易理解。在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM电源是让功率晶体管工作在导通和关断状态。在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积总是很小的（在导通时，电流大，电压低。关断时，电流小，电压高）。功率器件上的伏安乘积就是功率半导体上所产生的损耗。与线性电压相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比有开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加二次侧的绕组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就德到直流输出电压。一、课题背景及意义控制器的主要目的是保持输出电压的稳定，其工作过程与线性形式的控制很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在与，误差放大器的输出在驱动格功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管他们各个部分布置差别很小，但工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。1、正激式变换电路正激式电路构成一大类开关电源拓扑，器电路特点是功率管之后或变压器二次侧输出整流后紧跟LC滤波器。下图为一种简单正激式变换器电路图。 电路的工作过程： a 开关S开通后,变压器绕组N1两端的电压为上正下负,与其耦合的N2绕组两端的电压也是上正下负.因此VD1处于通态,VD2为断态,电感L的电流逐渐增长; b S关断后,电感L通过VD2续流,VD1关断.S关断后变压器的激磁电流经N3绕组和VD3流回电源,所以S关断后承受的电压为 . c 变压器的磁心复位:开关S开通后,变压器的激磁电流由零开始,随着时间的增加而线性的增长,直到S关断.为防止变压器的激磁电感饱和,必须设法使激磁电流在S关断后到下一次再开通的一段时间内降回零,这一过程称为变压器的磁心复位.LC滤波器（扼流输入滤波器）的输入就是经过斩波和变压后的电压。LC滤波器平均了占空比调制、变压后的电压。通过控制电路的占空比，即可保持输出电压恒定。我们可以把电路的工作分为两个间段当开关导通时，输入电压加到变压器的初级。当开关断开时，由于电感上的电流不能突变。电感电流通过二极管VD2续流，同时电感中存储的一部分能量向负载释放。续流电流环包括：二极管、电感、一、课题背景及意义负载。2、反激式变换电路 反激电路原理图 反激电路中的变压器起着储能元件的作用,可以看作是一对相互耦合的电感. 工作过程: S开通后,VD处于断态,N1绕组的电流线性增长,电感储能增加；S关断后,N1绕组的电流被切断,变压器中的磁场能量通过N2绕组和VD向输出端释放.S关断后的电压为:us=Ui+N1*Uo/N2 反激电路的工作模式: 1、电流连续模式:当S开通时,N2绕组中的电流尚未下降到零。2、电流断续模式:S开通前,N2绕组中的电流已经下降到零。由于升压式变换器工作在电流连续模式下存在固有的不稳定问题，所以升压式变换器通常工作在电流断续模式。Protel DXP简介Protel DXP是Protel系列软件的第七代基于Windows平台的产品，于2007年7月面世。是一款面向PCB设计项目、为用户提供板级的全线解决方案、多方位实现设计任务的EDA软件。它具有正真的多重捕捉、多重分析、多重执行的设计环境。Protel DXP的主要功能：1、电路原理图的设计。根据已设计好的电气原理图，在Protel DXP中绘制出完整的原理图。一般设计流程如下：（1）首先根据个人的任务，规划设计层次是单张图纸还是层次设计，以及采用何种层次完成设计。（2）建立板级（PCB）项目文件，建立原理图和连接图纸。（3）根据设计任务构想、建立和编辑所需的库原件。一、课题背景及意义（4）放置原件。通过连线、总线、网络标号、图纸入口、端口和默认电源网络等连接方式建立连接，再元件位号注释。（5）定义项目电气规则检查设置，进行原理图电气规则检查，完成原理图编译/修正。这样就画出相对比较工整漂亮的原理图，比如下面的这个样例：2、生成完整的PCB制板文件：得到PCB的方法主要有三种，第1种：利用通过画原理图时同时产生的网络表文件进行自动布线，产生PCB文件。第2种：利用通过画原理图时同时产生的网络表文件在PEOTELPCB利用预拉线手工布线。第3种：是效率比较低的方式，即纯手工布线。一般方法如下：（1）新建PCB文件并保存。（2）将已绘制的原理图导入到新建的PCB文件中。（3）设置布线规则。一、课题背景及意义（4）用交互式布线绘制出完整的PCB板。（5）检查PCB板的完整性。比如下面的这个就是布线后PCB文件的布线效果：UC3875芯片简介UC3875芯片是美国UNITRODE公司生产的移相式准谐振变换器控制集成电路，它可用于桥式准谐振变换器控制中，既可用来控制零电压准谐振变换器，也可用来控制零电流准谐变换器。UC3875的核心是相位调制器,其B输出信号与A输出信号反相,D输出信号与C输出信号反相,A、C输出信号的移相同，B、D输出信号移相类似。由于采用了恒频脉宽调制、谐振和零电压开关等技术，因此在高频工作状态下，可以获得很高频率。为了实现快速故障保护，该电路中还具有独立的过电流保护电路。每个输出级导通前都有一个死区， 而且死区时间可以调整。因此，每对输出级（A/B，C/D）的谐振开关作用时间，可以单独控制。UC3875芯片具有欠电压封锁功能。发生欠电压封锁时，所有输出端均为低电平，一直到电源电压达到10.75V门限值。为了提高欠电压封锁的可靠性，通常欠电压封锁门限制滞后1.5V，即当电源电压下降到9.25V时，欠电压封锁电路仍工作。该器件还具有过电流保护功能，过电流故障发生后70ns内，全部输出级都能转入判断状态。过电流故障消除后，器件能重新开始工作。一、课题背景及意义当引脚2端输出信号高到一定值时，由内部RS触发器及门电路作用使C输出与A输出反相，即A、C输出信号移相180度；同样，当引脚2输出信号低于1V时，通过内部RS触发器及门电路作用使C输出与A输出同相，即A、C输出信号移相0度。可见通过控制引脚2端的输出可以控制A、C间相位在0180度之间变化。B、D的工作原理与A、C相似。 设计特点：占空比在0100%之间调整，输出导通延迟时间可调，既可采用电压型控制也可采用电流型控制；工作频率可达1MHz以上；内含10MHz误差放大器，很小启动电流（150A）；欠电压封锁时，输出低电平实现软启动；具有调整周期重新启动的锁存过电流比较器。极限参数：电源电压（Vc,V1N）：20V；模拟输入/输出I/O电压：-0.35.3V；最大输出：直流0.5A ， 脉冲为3A；允许最高结温Tjmax为1500C；焊接温度TL：3000C；工作温度范围TA：0700C。其外型既有标准双列直插式的20引脚封装，也有小型双列面贴装成28引脚封装和方形28引脚塑料封装等多种封装形式。这里仅以20引脚为例将其应作一介绍。其引脚功能见表1示。二、研究内容及研究目标设计内容主要有：1.了解开关电源设计方法和设计流程。2.了解开关电源模块的工作原理和主要指标。3.熟悉相关器件的技术指标和使用方法。4.熟悉Protel DXP的功能并运用。5.在Protel DXP中绘制电路原理图和电路PCB板。6.电路板结构和安装位置的设计。7.电路结构装配。三、预计的研究难点研究的难点主要有：1、全桥开关电源各个模块的工作原理和主要指标；2、集成芯片UC3875、LM358、AD620、IXDD414的技术指标和使用方法；3、运用Protel DXP绘制原理图和相应的PCB板；4、电路板尺寸和各功能模块安装位置的选择；四、进度计划整个毕业设计用时十个周，预计的进度安排如下：第一、二周：了解开电源设计方法和设计流程，以及开关电源各模块的功能；第三周：熟悉Protel DXP一些常用功能；第四、五周：在 Protel DXP软件中绘制出整流和控制模块的原理图；第六、七周：在Protel DXP软件中绘制出整流和控制模块的PCB板；第八周：根据已设计好的布局装配好整个开关电源； 第九、十周：总结工作，写毕业论文。六、资料来源1 （英）Brown，M著 徐德鸿等译.开关电源设计指南.北京：机械工业出版社，2004.12 倪海东，蒋玉萍.高频开关电源集成控制器.北京. 机械工业出版社，2004.93 孙余凯，吴鸣山.稳压电源设计与技能实训教程.北京.电子工业出版社，2007.94 李宏编著.电力电子设备用器件与集