采用频率调制模式的开关电源电路设计_开题报告

电 子 工 程 设 计 选 题 报 告 题目 频率调制模式的开关电源 成员 B11041301 穆艳红 B11041303 刘佳佳 B11041314 刘藏龙 日期 2013 年 12 月 1 号 一 选题依据 1 设计目的及意义 1 设计目的 现代社会 随着技术的发展 越来越多的电子产品进入我们的生活 方便了 我们的生活 同时也改 变了我们的生活 电子产品的动力来源是电源 电源对 于电子产品就像心脏对于我们人来说一样的重要 随着电子产品的广泛的应用 电源的作用也日益重要 而稳压电源是实现电能变换和功率传递的主要设 备 在信息时代 农业 能源 交通运输 通信等领域迅猛发展 对电源产业提出个更 多 更高的要求 如节能 节材 减重 环保 安全 可靠等 这就迫使电源工作者 不断的探索寻求各种相关技术 做出最好的电源产品 以满足各行各业的要求 开关电源是一种新型的电源设备 较之于传统的线性电源 其技术含量高 耗能 低 使用方便 并取得了较好的经济效益 开关电源技术的主要用途之一是为信 息产业服务 信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求 从而促进了开关 电源技术的发展 电力电子技术的不断创新 使开关电源产业有着广阔的发展 前景 要加快我国开关电源产业的发展速度 就必须走技术创新之路 走出中国 特色的科技发展之路 为我国国民经济的高速发展做出贡献 2 意义 电源是各类电子设备的重要组成部分 开关电源被誉为高效节能型电源 开 关电源技术作为电源电压变换的一种基础技术 由于变换方式简单 成本低 体 积重量小 容易控制输出电压 变换方式等 因此 产生了这种电源变换技术即 开关电源技术 在经济与科技高速发展的时代过程中 电源起到至关重要的作用 电源技术尤其是数控电源技术是一门实践性 操作性很强的工程技术 服务于各 行各业 电力电子技术是电能的最佳应用技术之一 2 设计拟解决的工程实际问题 开关电源对现代通讯 电子仪器 计算机 工业自动化 电力工程 国防及某 些高新技术提供高质量 高效率 高可靠性起着关键作用 当代许多高新技术均 与市电的电压 电流 频率 相位 和波形等基本参数的变换和控制相关 电源技 术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理 特别是能够实现大功率电 能的频率变换 从而为多项高新技术的发展提供有力的支持 因此 电源技术不 但本身是一项高新技术 而且还是其他多项高新技术的发展基础 电源技术及其 产业的进一步发展必将为大幅度节约电能 降低材料消耗以及提高生产效率提 供重要的手段 并为现代生产和现代生活带来深远的影响 3 设计拟应用的文献综述 在参考文献 1 中主要内容包括 常用半导体器件 基本放大电路 多级放大 电路 集成运算放大电路 放大电路的频率响应 放大电路中的反馈 信号的运 算和处理 波形的发生和信号的转换 功率放大电路 直流电源和模拟电子电路 读图 其中直流电源部分是本设计的基础 整流滤波稳压是每个电源的必然构成 部分 在文献 2 中包括高频小信号谐振放大器 噪声与干扰 高频功率放大器 各 类正弦波振荡器 频率变换电路基础及基本部件 反馈控制电路 锻炼读图能力 以及培养简单电路的设计方法思路 在文献 3 中主要介绍常用电子电路设计 其中包括电源电路的设计 放大与 控制电路的设计 数字电路设计 综合应用性设计 4 设计相关技术的国内外现状 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 我国的晶体管直流变换器及开关稳压电 源研制工作始于 60 年代初期 近 10 多年来 我国的许多研究所 工厂及高等 院校已研制出多种 型号的工作频率在 20KHz 左右 输出在功率在 1000W 一 下的无工频降压变气开关稳压电源 并应用于 电子计算机 通信 电视等方面 取得了较好的效果 工作频率为 100KHz 200KHz 的高频开关稳压电 源于 80 年代初期就已开始试制 90 年代初期就已试制成功 目前正走在向实用阶段和 再进一步提高工 作频率 许多年来 虽然我国在无工频将开关稳压电源方面做 了巨大的努力 并取得了可喜的成果 但 是 目前我国的开关稳压电源技术与一 些先进的国家相比仍然有角的差距 此外 这些年来 我国虽然 把无工频变压器 开关稳压电源的工作频率从数十 KHz 提高到数百 KHz 把输出功率由数十瓦 提高到数 千瓦 但是 由于我国半导体技术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变压 器开关稳压电源中的开关管大部分采用的仍是 进口的晶体管 所以我国的开关稳压电源事业要发展 要 赶超世界先进水平 最 根本的是要提高我国的半导体技术和工艺 由于晶体管直流变换器 中的功率晶 体管工作在开关状态 所以由此而制成的稳压电源输出的组数多 极性可变 效 率高 体积 小 重量轻 因而当时被广泛地应用于计算机 通信 航天 家电等领 域中 60 年代末 由于微电子技术的快速发展 高反压的晶体管出现了 从此 直流变换器就可以直接由市 电经整流 滤波后输入 不再需要有工频变压器了 开关稳压电源才真正做到了效率高 体积小 重量轻 70 年代以后 于这种技 术有关的高频 高反压的功率晶体管 高频电容 开关二极管 开关变压器 铁心 等元器件也不断地被研制和生产出来 使无工频变压器开关稳压电源得到了飞 速发展 并且被广泛 应用于电子计算机 通信 航天 彩色电视机等领域中 从 而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电 源中的佼佼者 二 设计方案及技术路线 设计方案 1 DC DC 升压模块方案论证与选择 方案一 并联式结构 该电路是升压电路最基本的拓扑结构 后续所有的升压电路都是从该电路 演化过来的 优点 电路简单 外围所需的元件少 效率可以做到很高 缺点 电路功能单一 输出功率比较大时开关管需要承受很大的脉冲电流 方案二 单端正激式 该电路与方案一唯一区别是使用了变压器 可以做隔离式升压电路 优点 电路相对简单 与后面叙述的方案相比 外围元件少 缺点 开关管关断时 变压器容易磁饱和 需要加上磁通复位电路 方案三 单端反激式 从原理图上看与正激式电路很相象 但工作原理不同 脉冲变压器的原 付边 相位刚好相反 优点 电路相对简单 与后面叙述的方案相比 外围元件少 缺点 由于变压器存在漏感 将在原边形成很大电压尖峰 可能击穿开关器 件 需要设钳位电路予以保护 方案四 半桥式 这种电路结构的特点是 由两个电容器和两个开关管组成两个桥 桥的对 角线接变压器的原边绕组 故称半桥变换器 半桥式变换器减小了原边开关管的 电压应力 结构简单 功率器件少 所以在中小功率场合得到广泛应用 优点 变压器初级线圈只需要一个绕组 单电容半桥式变压器开关电源比双 电容半桥式变压器开关电源节省一个电容器 缺点 电源利用率比较低 会出现半导通区 损耗大 开关管的耐压值比较低 方案选择 结合题目对电源功率 稳定度 纹波 效率 数字控制等功能要求 与上述各方案的比较 也出于对时间 电路的复杂程度以及之前对各种电路熟悉 程度的考虑 选择了双端半桥式隔离变换结构做 DC DC 升压 2 控制方式方案论证 方案一 PWM 控制方式 PWM 控制方式的基本原理就是输入电压 内部参数及外接负载变化的情况 时 控制电路通过被控制信号 主要是输出电压 与基准电压信号的差值进行闭环 反馈 调节主电路开关管的导通时间 脉冲的周期保持不变 即导通脉冲宽度 来达到稳定输出电压的目的 PWM 反馈控制模式主要有两种 电压模式控制 PWM 电流控制模式 PWM PWM 是目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制 方式 PWM 集成芯片 如 UC1842 2842 3842 TL494 TL1451A SG1525 2525 等 方案二 脉冲频率调制 PFM PFM 控制方式是保持调整管的导通时间一定 改变其截止时间来稳定输出 电压 当负载变化使输出电压下降 变化的输出电压通过误差比较器使得调整管 的截止时间减小 输出电压因此而上升 补偿下降部分 反之 由于负载变化而使 输 出电压上升时 则调整管截止时间增长 使输出电压下降以补偿其上升部分 集成芯片 MAX641 TL497 等都具有 PFM 功能 PFM 相比较 PWM 主要优点在于效率 220V 交流 输入电 整流滤波 DC DC 负载 反馈电路 控制驱动 电路 1 对于外围电路一样的 PFM 和 PWM 而言 其峰值效率 PFM 与 PWM 相当 但在峰值效率以前 PFM 的效率远远高于 PWM 的效率 这是 PFM 的主要优势 2 PWM 由于误差放大器的影响 回路增益及响应速度受到限制 PFM 具有 较快的响应速度 结合题目对电源功率 稳定度 纹波 效率 数字控制等功能要求与上述各 方案的比较 也 出于对时间 电路的复杂程度以及之前对各种电路熟悉程度的考虑 选择 PFM 控制方式 最终选择下面设计方案 方案框图 二 技术路线 1 查阅收集与毕业设计有关的国内外文献资料 参考分析关于开关电源的 资料 2 进行总体设计方案的论证及分析 确定可变频率调制开关电源电路设计 方案 参数和技术实现措施 3 学习方案中各模块用到的知识 计算各模块中元器件参数 4 对开关电源进行硬件设计 主要包括整流滤波电路设计 开关稳压电路设 计 逆变电路设计 及控制器电路设计 5 对系统电路进行性能测试分析 继续完善系统电路的设计 6 在完善系统电路设计的同时 进行论文的统稿 7 对本设计进行分析 总结 评估 三 可能存在的问题及解决措施 1 存在的问题 1 开关电源控制方式的理解 2 功率转换电路的元器件选择 2 解决措施 1 开关电源的控制方式分为脉冲宽度控制 脉冲频率控制和脉冲宽度 频率 控制三种 频率控制方式是本次设计的关键也是难点 经过对上几届开关电源设 计的理解 以及指导老师的精心指导 最终理解了开关电源频率控制的精要 2 开关电源功率转换电路有正激式 反激式 推挽式 全桥式 半桥式 本 次设计选择半桥式功率转换电路 电路中元器件选择的理论公式在参考工具书 的情况下得以解决 四 设计成果 完成设计任务后 拟提交如下设计成果 1 可变频率调制开关电源设计开题报告一份 2 可变频率调制开关电源设计报告一份 3 可变频率调制开关电源系统电路原理图一张 四 进度计划 时间安排完 成 主 要 内 容 11 20 至 11 22 分析设计任务和技术要求 研究设计思路和设计方案 11 23 至 11 24 与同学共同研究确定设计方案 技术实现的可行性以及存 在问题的解决措施和办法 11 25 至 11 30 绘制可变频率调制开关电源电路原理图 完善电路功能和 结构设计 进行电路元器件选择 参数计算 完成开题报告 12 01 至 12 10 主要进行可变频率调制开关电源控制系统的软件结构和流 程图设计 完成可变频率调制开关电源控制系统的软件设 计 程序调试及仿真 12 11 至 12 20 整理资料 撰写可变频率调制开关电源设计论文 细化设计 内容 五 参考资料 1 童诗白 华成英 模拟电子技术基础 M 北京 高等教育出版社 200