【DQ043】开关电源应用——POS机的电源设计
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开关电源
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【DQ043】开关电源应用——POS机的电源设计,dq043,开关电源,应用,利用,运用,pos,电源,设计
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本科生毕业设计（论文）任务书 年 月 日至 年 月 日 题 目： 姓 名： 学 号： 学 院： 专 业： 年 级： 指导教师： （签名） 系主 任（或教研室主任）： （签章） 设 计 （ 论 文 ） 任 务 （包括原始数据、技术要求、工作要求） （不够写可另加页） 毕业设计（论文）的主要内容 （不够写可另加页） 毕业设计（论文）任务更改记录 更 改 原 因 更 改 内 容 主要参考文献 1 常敏慧，申功迈，何希才 计与维修 学技术文献出版社， 2 何希才 北京：科学出版社， 3 黄燕 北京：国防工业出版社， 4 范小忠 北京：中国电力出版社， 5 沙占友，王彦朋，孟志永，等 北京：机械工业出版社， 6 新编电子技能基础编写组 成都：电子科技大学出版社， 7 杨旭，裴云庆，王兆安 北京：机械工业出版社， 8 周志敏，周纪海，纪爱华 北京：人民邮电出版社， 2005 9 999 10 2001 物理与信息工程学院毕业设计（论文）开题报告表 信息与通信工程 系 通信工程 专业 2002 级 时间 ： 题名称 开关电源的应用 的电源设计 指导老师 李伟 学生姓名 周少宏 课题类型 工程设计 进行方式 真题习作 结合情况 科研 承续类型 新题目 课题简介 （基本内容及意义） 本次要设计的是 的电源，它实际上就是一个开关 稳压 电源电路，实现将市电（ 50220V 交流）变换成适合 工作 的 稳定 直流电压（ 34W）。 传统的线性串联型稳压电源，其调整管是连续地工作在线性放大状态 ，流过的电流是连续的，这种稳压器的缺点是承受过载和短路的能力差，效率低，一般只有 35 60，而且需要装上体积很大的散热器；而 开关稳压电源，其调整管是断续地工 作在导通和截止状态 ，即开关状态（开关电源因此得名），功率损耗小，效率可高达 70 95，稳压器体积小，重量轻，调整管功率损耗较小，散热器也随之减小 。 所以，开关电源的应用范围日益广泛，例如在电子计算机、彩色电视机、程控电话交换机等电子设备中，无一采用开关稳压电源。 初步方案 开关电源 电路有八种拓扑结构，即单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、半桥式、全桥式和推挽式八种，本次设计 要 采用的是 单端反激式。另外，开关电源中调整管的控制方式有三种，即脉宽调 制、脉频调制和脉宽脉频混合调制三种。本次设计要采用的是脉宽调制。 开关电源的控制电路可以分为电压控制型和电流控制型，前者是一个单闭环电压控制系统，系统响应慢，很难达到较高的线形调整率精度；后者是一个电压、电流双闭环控制系统，电流控制型较电压控制型有不可比拟的优点。 本次设计将采用 成电流控制脉宽调制的控制回路。 美国 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 。 另外， 有 过流限制、过压保护和欠压锁定功能 ，所以设计过程中准备利用光耦器件来构建反馈回 路，实现过流、过压和短路保护。 预计存在的问题及解决方法 1、当输入电压波动或者负载变化时，可能会出现过流、过压、欠压、短路等现象，所以在设计控制环路时要考虑设计各种保护电路。 2、环境温度变化带来的电压波动甚至元件损坏，所以一是要减少发热量，通过选用更优的控制回路和技术，如相移控制技术、同步整流技术等，另就是选用低功耗器件，减少发热器件数量，加大加粗印制线宽度 ；二是加强散热，根据实际采用传导、辐射、对流等技术来散热。 3、电磁兼容性问题，主要要抑制干扰源，干扰源集中在 开关电路和输出整流回路，所以要采用滤波技术、布局与布线技术、屏敝技术和密封技术等来减少电磁干扰，达到电磁兼容。 4、 电容的选择是整个电路的关键。要计算好电路的尖锋脉冲电压，考虑好电路的过流过压大小，从而选择好滤波电容、带载电容、充电电容等的参数。 教研室 意见 院教学指导委员会意见 本科生毕业设计（论文）任务书 2006 年 03 月 20 日至 2006 年 06 月 10 日 题 目： 开关电源的应用 的电源设计 姓 名： 周 少宏 学 号： 1002592 学 院： 物理与信息工程学院 专 业： 通信工程 年 级： 2002级 指导教师： （签名） 系主任（或教研室主任）： （签章） 设 计 （ 论 文 ） 任 务 （包括原始数据、技术要求、工作要求） 本次要设计的是开关电源适配器，用于 的电源提供。它是将输入的 220V，50交流市电变换成 34W 的直流稳压输出供给 工作。 采用脉冲宽度调制（ 制方式 单端 反激式工作原理，由其周围元件组成驱动电路，开关管 高频变压器 成功率转换电路。电网电压经 成输入滤波及整流滤波后约得到 100稳定的直流电压，该电压加到 ，通过驱动电路控制 通、关闭的时间，从而将直流电源变换成高频交变的矩形脉冲波电源，由 后再由次级侧开关整流二极管 行整流，经输出滤波得到连续的低纹波直流电源。该电压由 压取样后，经 成比较误差放大器构成闭环控制回路，使输出电压保持稳定。该电路具有过压及过流保护，当出现短路或过载时，电源灯不亮或闪烁；撤消后电源可自动恢复正常工作；当稳压闭环控制回路出现故障或其他原因造 成电源过压时，由稳压管18V）检测一次侧辅助电源电压 、由稳压管 二次侧输出回路的过压信号耦合给可控硅结构电路（由 成），使其自锁，电源关闭输出；故障排除后，应重新上电才可恢复正常工作。该电源具有体积小、重量轻、效率高等特点。 入交流电压： 100 240V 入频率： 50/60 入电流： 大 ) 击电流： 30A 的冷态启动电流（ 25 ,220负载） 持时间： 10150/60负载） 载输入功率： 小于 3W 率： 大于 75%（ 115/230载，含输出电缆损耗） 全测试： a. 泄漏电流 =100 兆欧， 500 d. 接地电阻 = 出电压和电流 ： 5A， 范围 2% 波和噪声： a. 低频 (100复合纹波和噪声 =150b、 =200负载上并联一个 10电解电容和 一个 陶瓷电容下，测试带宽 20 态特性： 小于 5%的标称电压值 护特性： a. 短路保护 （ 可自动恢复 b. 过压保护 （ 触发电压 锁需重新上电 c. 过流保护 （ 示灯 ： a. 绿灯 正常工作 b. 闪烁或熄灭 过流、短路或过压保护 升时间： 20 0V 到 出电压温度系数： 小于 载调整率： 小于 6%（含输出电缆） 网调整率： 小于 度 ： a. 工作温度 0 b. 储藏温度 度 ： a. 工作湿度 20 80% b. 储藏湿度 10 90% 80,000 小时无载工作时 间（ 25） 壳温升： 35（正常输入输出、 25环境温度、满载） 化测试： 5 小时（ 35境温度、 80%负载） 动测试： a. 在非工作状态下可接受如下的运输条件振动 : 2G 4G 0 b、工作状态： 0 面 落试验： a. 可接受客户带包装整机 110跌 落试验而无功能性故障。 b. 可接受单独电源 15跌落试验而无功能性故障。 毕业设计（论文）的主要内容 关理论知识的收集与学习（ 15 天）： 3 月 20 日至 4 月 5 日 用软件（ 学习（ 20 天）： 3 月 20 日至 4 月 10 日 理框图的设计（ 7 天）： 4 月 10 日至 4 月 17 日 各部分原理图绘制成实际电路图（ 15 天）： 4 月 17 日至 5 月 1 日 悉所使用的器件实际尺寸及性能指标（ 10 天 ）： 5 月 1 日至 5 月 10 日 实际电路图绘制成 路图（ 7 天）： 5 月 10 日至 5 月 17 日 制 并焊制成实际电路（ 15 天）： 5 月 17 日至 6 月 1 日 试电路板（ 7 天）： 6 月 1 日至 6 月 7 日 写论文（ 3 天）： 6 月 7 日至 6 月 10 日 毕业设计（论文）任务更改记录 更 改 原 因 更 改 内 容 主要参考文献 1 常敏慧、申功迈、何希才 .开关电源应用、设计与维修 科学 技术文献 出版社 , 2新编电子技能基础编写组 .新编电子技能基础 子科技大学出版社，3周志敏、周纪海 .开关电源实用技术设计与应用 民邮电出版社， 4范小忠 .开关电源设备故障案例与检修 国电力出版社， 5谢嘉奎 .电子 线路：线性部分（第四版） 等教育出版社， 6康华光 .电子技术基础：模拟部分（第四版） 等教育出版社， 7 8 福 州 大 学 物 理 与 信 息 工 程 学 院 产学研联合指导毕业设计工作申请表 今年我院实施产学研联合指导毕业设计工作，由用人单位立题、指定专人负责指导，并试用毕业生，校方积极配合。现请用人单位填写下表。 福州大学物理与信息工程学院 年 月 日 学生姓名： 学号： 专业： 联系电话： 用人单位名称： 通讯地址： 邮编： 负责人姓名： 联系电话： 单位提供课题名称： 单位提供导师简介表： 姓名 学历 职务 职称 所学专业 现从事专业 校内导师 单位导师 用人单位负责人签字： 用人单位盖章： 福州大学 本科生毕业设计（论文） 文 献 综 述 姓 名： 周少宏 学 号： 1002592 学 院： 物理与信息工程学院 专 业： 通信工程 年 级： 2002 级 2006年 06 月 10日 福州大学 本科生毕业设计（论文） 外文翻译及原文 姓 名： 周少宏 学 号： 1002592 学 院： 物理与信息工程学院 专 业： 通信工程 年 级： 2002 级 2006年 06 月 10日 开关电源的应用 的电源设计 1 研究开关电源的意义 目前空间技术、计算机、通信、雷达、电视机及家用电器中的电源已经渐渐地被开关电源取代。现在一般应用的串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统的串联稳压器，调整管总是工作于放大区，流过的电流是连续的，这种稳压器的缺点是承受过载和短路的能力差，效率低，一般只有 35 60。由于调整管上损耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器。开关电源的调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率可高达 70 95，稳压器体积小，重量轻， 调整管功率损耗小，散热器也随之减小。此外，开关频率工作在几十千赫，滤波电感、电容 可用较小数值的元件。允许的环境温度也可以大大提高。但是，由于调整元件的控制电路比较复杂，输出的纹波电压较高，瞬态响应较差。所以开关电源的应用也受到一定限制 61 。 开关稳压电源的优越性主要表现在： （ 1）功耗小： 由于开关管功率损耗小，因而不需要采用大散热器。功耗小使得电子设备内温升也低，周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏，这有利于提高整个电子设备的可靠性和稳定性 2 。 （ 2）稳压范围宽： 当开关稳压电源输入的交流电压在 150 250V 范围内变化时，都能达到很好的稳压效果，输出电压的变化在 2以下。而且在输入电压发生变化时，始终能保持稳压电路的高效率，因此，开关稳压电源能适用于电网电压波动比较大的地区 2 。 （ 3） 体积小、重量轻 开关稳压电源可将电网输入的交流电压直接整流，再通过高频变压器获得各种不同交流电压，这样就可免去笨重的工频变压器，从而节省了大量的漆包线和硅钢片，使电源体积缩小、重量减轻 2 。 （ 4）安全可靠： 开关稳压电路一般都具有自动保护电路。当稳压电路、高压电路、负载等出现故障或短路时，能自动切断电源，其保护功能灵敏、可靠 2 。 开关电源和线性电源是现代电子电源发展的两个主要方面，开关电源以功耗小、效率高、体积小、重量轻的优势几乎席卷了整个电子界，而线性电源则以其固有的稳定性仍占有一席之地。为了顺应现代电子技术设备对多种电压和电流的需求，在满足体积小、重量轻、效率高、抗干扰能力强的同时，还应有更好的可靠性和经济经 济性 2 。 开关电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程，由于开关电源具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，从而取代了相控电源，成为通信电源的主体，并向着高频小型化、高效率、高可靠的方向发展。计算机控制、计算机通信和计算机网络技术的快速发展，为通信电源监控系统的发展和完善提供了外部条件，使其发展逐步实现少人值守，直至无人值守 2 。 2 国内外的研究动态及研究方法 究动 态 开关电源技术已经有几十年的历史。早期产品的开关频率很低，成本昂贵，仅用于诸如卫星等尖端电子设备。 20 世纪六七十年代相继出现的由晶闸管（可控硅）和其它分立元件制作而成的开关电源，均因效率低下、开关频率低、电路复杂、难于调试等因素而难以普及。 20 世纪 70 年代后期，随着集成电路设计与制造工艺水平的不断提高，各种质优价廉的开关电源专用集成电路相继出现，而制造开关电源的新材料、新器件成为开关电源普及的主要动力。除了各种集成电路外，一些诸如 率开关管（ 肖特基二极管（ 超快恢复二极管 （ 瞬态电压抑制管（ 压敏电阻器（ 熔断电阻器（ 自恢复保险丝（ 线性光耦合器、可调式精密并联稳压器（ 电磁干扰滤波器（ 高导磁率磁性材料、由非晶合金制成的磁珠、三重绝缘线、玻璃珠胶合剂等一系列新器件、新材料，正广泛应用于开关电源，从而使开关电源频率已从 20展到数百 至数 开关电源得以 广泛的应用 3 。 在开关电源轻型化、小型化、高效化的发展历程中，集成电路技术起了决定性的作用。近 20 年来，集成开关电源是沿着两个方向不断发展的：一个方向是，对开关电源的核心单元 控制电路的集成；另一个方面是，对中、小功率开关电源实现单片集成化，单片开关电源实际上是一种 C 电源变换器 3 。 沿着 前 一方向，主要经历了两个阶段：第一阶段是， 20 世纪 70 年代后期研制成功了制器集成电路，如美国摩托罗拉公司（ 司和尤里特鲁（ 司等相继推出的一批 制 型产品有 。 20 世纪 90 年代以来，又研制成功了开关频率高达 1高速 制型产品如 3 。 沿着后一方向，主要经历了两个阶段 ：第一阶段是， 20 世纪 80 年代， 姆森（ 司率先推出的 列单片开关式稳压器，该公司于 20 世纪 90 年代又推出了 列。这类单片稳压器的特点是将 制、功率输出级、保护电路等集成到一块芯片中，使用时需要配工频变压器与电网隔离，适于制作 40V 低压连续可调式输出、 400W 以下大中功率、 10A 大电流、效率超过 90的开关电源。这类芯片本质上仍属于 换器。第二阶段是， 20 世纪 90 年代中后期由美国电源集成（ 司开发成功的三端隔离、 反激式单片开关电源，其第一代产品是 列，第二代产品是 系列；以及 20 世纪 90 年代后期该公司推出的高效率、小功率、低价格的四端单片开关电源 列， 1999 年又推出 列。此后，摩托罗拉公司于 1999 年推出了称为高压功率开关调节器的列五端单片开关电源 ， 2000 年 司又推出了 列五端开关电源。这些单片开关电源充分展示了单片开关电源的优势和广阔应用前景 3 。 究方法 （ 1） 电路拓扑的选择 开关电源一般采用单端正激式、单端反激式、双管正激式、双单端正激式、双正激式、推挽式、半桥、全桥等八种拓扑。单端正激式、单端反激式、双单端正激式、推挽式的开关管的承压在两倍输入电压以上，如果按 60降额使用，则使开关管不易选型。在推挽和全桥拓扑中可能出现单向偏磁饱和，使开关管损坏，而半桥电路因为具有自动抗不平衡能力，所以就不会出现这个问题。双管正激式和半桥电路开关管的承压仅为电源的最大输入电压，即使按 60降额使用，选用开关管也比较容易 。在高可靠性工程上一般选用这两类电路拓扑 74 。 （ 2） 控制策略的选择 在中小功率的电源中，电流型 制是大量采用的方法，它较电压控制型有如下优点： 逐周期电流限制，比电压型控制更快，不会因过流而使开关管损坏，大大减小过载与短路的保护；优良的电网电压调整率；迅捷的瞬态响应；环路稳定，易补偿；纹波比电压控制型小得多。生产实践表明电流控制型的 50W 开关电源的输出纹波在 25右，远优于电压控制型。硬开关技术因开关损耗的限制，开关频率一般在 350下，软开关技术是应用谐振原理使开关器件在零电压或零电流状态下通断，实现开关损耗为零，从而可将开关频率提高到兆赫级水平，这种应用软开关技术的变换器综合了 换器和谐振变换器两者的优点，接近理想的特性，如低开关损耗、恒频控制、合适的储能元件尺寸、较宽的控制范围及负载范围，但是此项技术主要应用于大功率电源，中小功率电源中仍以术为主 75 。 3 可能的研究成果 开关方式 软开关方式包括零电流开关方式、零电压开关方式及两者兼用的方法。这两种方式 的优点是产品体积小、效率高、噪声小、成本低。作为实现这种软开关方式的手段，有谐振型开关电源技术和部分谐振型开关电源技术，而后者很可能会成为今后开关电源采用的主流技术 5 。 件化技术 所谓组件化技术 ，就是预先将电源中所需要使用的直流 /直流变换器、用于谐波电流抑制的功率因数改善电路、整流平滑电路以及静噪滤波电路等部分分别制成微型或薄型组件，再根据用户需要制作半定制电源，或者根据用户要求，和交流 /直流前端电路配合，构成适应大功率输出或多路输出等用途的系统电源 5 。 制技术 在有些开关电源产品，以模拟方式控制输出电压，并以数字方式进行开关，同时稳定控制输出电压。从控制技术角度来说，采用数字技术控制，目的并不仅仅在于稳定输出电压，而在于继续扩展应用范围，以实现节约电力、放宽输入电压范围（适应各国不同的市交流电压）、进行系统对应控制等 5 。 流适配器 便携式电子设备的兴起，使得交流适配器的市场越来越大。以住的交流适配器采用降压电路，体积大而且笨重，目前已有采用开 关方式的小型交流适配器上市 5 。 参考文献 1常敏慧、申功迈、何希才 计与维修 学技术文献出版社， 1 7 2何希才 北京：科学出版社， 56 80 3黄燕 北京：国防工业出版社， 41 43 4范小忠 北京：中国电力出版社， 30 36 5周志敏、周纪海、纪爱华 应用 民邮电出版社， 16新编电子技能基础编写组 成都：电子科技大学出版社， 305 310 7999 11530to dc of Cs to of an or a or of in a of we in A N be a on to on It N as as to An of N a as as a of in on ). of is a to to as a to in an in is to an of in It of of on to N in of a It by a to by of a in to in in a V *) to 0 0 to at a to be in of 0 in in in a or no in a of 0 0 of of of it an 0 or he is be . be as is on is is to of of is is is a to i)()(t)( . is of in of is to of is of of is at by to i)()(V )*)(. is is by of )(*)( is t)( t)(). is of of if to is to To a is A is a CR is is as an be he is be . be is on is to is )()(L. is of of be of *2. is by at to is is is *)()( . be is of of of a to a )Is to or 2)of is or 3)is 4)5)is to to be of a to be in is an to in as as it a of At C at be by of of on 开关电源参考手册 前言 每 一 种新的电子产品，除非它本身自带 有 电池供电，否则都需要将 外部 115V 或 230直流电来为其供电。 这里 一些 实用的设计和应用方面的信息以及一些 用于开关电源 设计的高集成度半导体控制集成电路 可以帮助设计者方便 快速的实现这一转换功能。不论你是不是一个有经验的电源设计者，或是 第一次自己设计开关电源，或是 相关 负责人又或者只是找些相关的内容， 这本书 里面各种各样的资源都将让你 感觉有莫大的帮助 。 自从 70 年代中期我们介绍了 专门为开关电源设计的 功率三极管和整流器以来， 导体厂商已经成为 开关电源 半导体产品的主要提供者。我们将这些产品 统 称为品。使用 导体设计的开关电源 因此 被称为 源， 简称为 这本手册 为那些 还不是资深专家但是想要获得更多开关电源设计方面 有用 信息 的人提供了 许多 开关电源设计方面 有价值 的背景资料， 而且它还提供了真实的 品 图 ，另外，它还为那些 虽然已 是专家但还想 加深他们 技术和经验的人 提供了一些从 导体厂商得来 的 应用资料 及一些 附加 的设计资料，还有一些从各种出版社和站点收集来的有用资料手册。此外，这本书里面还提供了 很多 从 率晶体管、整流器和其他一些分立器件的清单 及简要 描述 。 这里面包括有我们最新的 列，简 易开关管、高压集成芯片（ 高效率 率场效应管，还有选择范围很广的封装分立器件。 想了解更多最新的资料和更多开关电源和电源管理设备方面的模拟和分立器件，请登录我们的站点：（ ）。 每个人都要了解的开关电源（ 简要 介绍 总的来说，无论 是 对于企业或者 是整个 社会来说， 大家 都 不断地 追求 更 高效率的电源功率转换。对于电源设计者来说，开关电源不仅能 够提供更高的效率，而且它有更好的适用性。 近来在半导体方面、 电磁兼容 和 反 馈技术方面 的不断进步 ，使得开关电源在 当今 电源 适配器领域 越来越 受 青睐。 这本指导书旨到给那些有志的 电源 设计者 作一个 开关电源 设计知识的总 体介绍。它介绍了开关电源设计中比较常用的几种拓扑结构的基本操作及 相关的参数 计算 ，还提供 了电路设计技巧，以及如何选择合适的半导体器件和反馈元件。这本指导书还 列举了 开关电源构特点。 线性电源与开关电源的比较 以往 线性的电压 适配 器是提供一个特定输出电压的主要方法。它是靠线性地控制电源功率 功率传输设 备中的传导率来实现将输入的 高电压转变为低电压供给负载的。这 种电路中， 负载电流 持续地 流经高压转换电路单元 ，即电压调整管。这一 路中在 电压调整管上 的功率 损耗 （V *） 使得线性电源只有 30 50的转换效率。 这意味着有一瓦特的功率 提供给 负载的同时就有一瓦特的功率是转为热能损耗掉。 散热片的成本使得 实际应用中线性电源不适合用于 10而，除此之外，在降压型设备 中 它们的成本显得特别高。 开关调整管 是通过导通和截止两种不同状态来实现功率传输 。因此，导通时，虽有 大电流流 过调整管但其两端压降很小，而 截止时， 虽然调整管两端压降 很大但是没有电流流过。这就使得整个转换过程中损耗在 转换电路 的功率非常小。所以，开关电源的优势就是无论输入电压是多少，都能保持 70 90的转换效率。 高集成度电路的实现已经不断降低开关电源的设计成本，这使得在 10W 以上的系统电路或要求多 路 输出的系统电路中， 越来越多的人选择使用开关电源 。 基本变换 正激 模式 变换电路原理 最基本的 正激 模式 变换器就是图 1中所示的降压型变换器。 图 1 降压型变换 它的工作情况可以分成两个时刻来研究，即开关 管 导通与 截止两种情况 。当开关 管 导通时，输入电压直 接输入 到电感器 上 ，所以电感 器 的输 出就是电路 的输出电压，而 这时 整流器 （即整流二极管）则是反向偏压 的 ，所以是截止的 。在这个时候，由于输入电压持续加 在 电 感 器 上 ， 所 以 电 感 器 中 开 始 产 生 线 性 增 长 的 电 流 ， 表 示 为 ：i)()(t)( 。 在开关 管 导通期间，电源的能量以磁能的形式储存在核心器件电感器中。 电感器中储存有足够的能量以便在下个时刻，即开关管截止 的时候提供给负载使用。 下个时刻就是开关 管 截止的时候。当开关管截止 时，电感器的输入电压消失，并被续流二极管所钳位。 此时电流开 始 通过续流二极管流向 负载 ，保持负载的电流持续不断 。 这一过程 的电流是由刚才储存在电感器中的磁能转化而来。此时电感器中的电流表示为：i)()(V )*)( 。 这 一过程持续到下一个开关 管 导通的时刻。 就这样， 通过改变开关管的导通和截止时间就可以改变输出电压的大小。它们之间的关系大致 可以用下式表示：)( *)(中， 是占空比 t)( t)(。 降 压型变换器可以产生千瓦以上的输出功率，但它有个致命 的缺陷，那就是万一开关电源发生短路故障时，此时 由于输入电压直接加 到负载电路，这将产生可怕的后果。为了避免这种情况， 通常在输出端设计一下闭合反馈短路 保护回路。 这个 电路实际上是一个闭合的可控硅整流器， 当负载端由于 输入 了 个过高的 异常 电压 时，这个保护回路将启动工作（即 拉低驱动开关管的芯片电压，使开关管停正工作，整个电路自动断开，得重新上电才能继续工作 ） 。所以，降压型 变换器只适合于 固定电平 调整电路。 升压型或推动模式变换器原理 最基本的推动式变换器就是升压型变换器了。它的示意图如图 2所示。 图 2 升压型变换器 它的工作情况也是可以分成开关管导通和截止两个不 同的时 刻 来研究。当开关管导通时，输入电压直接加到电感器上，这使得电路电流由零开始线性增长，可用下式表示：)()(L 。 同样地，这一过程中能量储存在 电感器当中。 在每次循环导通时间里 储存在电感器中的总能量 一定 要 大于负载要求的输出功率，即*2。 随后 开关管 截止 ， 电感器一端接 到输入电压 ，另一端被整流二极管钳位在输出端。些时电流开始线性下降注入负载，直到储存在电感器中的能量全部传到负载为止。它的电流流动波形如图 3所示，大小可以表示为： *)()( 。 升压型变换器同样只适用于 固定电平 调整电路。 图 3 升压型变换器电压电流波形 常见的拓扑结构 拓扑结构指的是开关电源电路中各元器件及磁性元件的 摆 放结构。 每一种拓扑结构都有实现某一特定应用功能的特点。以下一些因素是决定某一种拓扑结构是否适合于一种特定的应用： （ 1） 是否能使得输入与输出实现电气 隔离 。 （ 2） 输入到电感器或变换电路的电压是多少。 （ 3） 流过功率半导体（即开关管）的尖锋电流有多大。 （ 4） 是不是要求实现多路输出功能。 （ 5） 功率半导体的输出电压有效值是多少。 设计者首先面 要选择 是否 要求 实现输入到输出的隔离变换。 非隔离开关电源主要 用于电路中具有 有绝缘 隔离器件 的 固定电平 调整 电路。非隔离开关电源也可以用于 出现故障 时输入电压不会直接 加 到敏感 负载电路的系统。 而 隔离变换器可以用于任何场合。比较常用的场合是多路输出电路。这种变换器可以用一种简单的 方法实现开关电源的多路输出。那些设计电源系统的公司都尽可 能地在研究各种 电源系统 中的 隔离变换器，因为它能防止电路故障时出现多米诺效应。 剩下的四条因素主要是 考虑 加 到功率半导体器件的电压为多少 。图 4 示出了在不同的功率和电压要求的情况下隔离变换拓扑结构在开关电源中的典型应用。 在直流输入电压下降或者 功率 上升的时候，原本要求保持不变的 负载电流 都会随之 变大，这将使负载所承受的电压 发生变化。所以，下图中 不同 区域 示出了 不同的拓扑结构最佳 的输入电压和输出功率变动范围，以及每一种拓扑结构中功率半导体 的最低耐压值 。 图 4 不同功率和电压要求时的拓扑结构应用 福州大学本科生毕业设计（论文）诚信承诺书 毕业设计（论文）题目 中文： 开关电源的应用 的电源设计 外文： of of OS 生姓名 周少宏 年 级 2002 级 学 号 1002592 所在学院 物理与 信息工程学院 所学专业 通信工程 学生承诺 我承诺在 毕业设计（论文）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，在本人的毕业设计（论文）中未 剽窃 、抄袭 他人的学术观点、思想和 成 果 ，未篡改实验数据，如有违规行为发生我愿承担一切责任，接受学校的处理。 学生（签名）： 2006 年 6 月 10 日 指导教师承诺 我承诺在指导学生 毕业设计（论文）活动中遵守学校有关规定，恪守学术规范，经过本人认真的核查，该同学的毕业设计（论文）中未发现有 剽窃 、抄袭 他人的学术观点、思想和 成 果 的现象，未发现篡改实验数据。 指导教师（签名）： 2006 年 6 月 10 日 福 州 大 学 本科生毕业论文（设计）指导教师成绩评审表 （理工科） 审查 物理与信息工程 学院 通信工程 专业 2006 届学生 周少宏 学号 1002592 毕业论文（设计）题目 开关电源应用 的电源设计 1、成绩评定： 序号 项 目 分数 序号 项 目 分数 序号 项 目 分数 总评（ 1 思想、纪律、卫生方面表现（ 10） 10 5A (40%) 计算书 总结报告 (15 ) 13 5B (40%) 论文内容 20 0 91 2 工作能力、动手能力和设计（论文）规范（ 20） 18 论文表述 20 0 3 任务饱满、难易度及学术水平（ 20） 18 图纸 (25 ) 24 5C (40%) 软件 25 0 4 创新能力（ 10） 8 总结报告 15 0 注： 5A（设计类型）； 5B（研究类型）； 5C（软件类型） 2、指导教师评语 ： 指导教师（签名）： 2006 年 6 月 10 日 福州大学 本科生毕业设计论文 资 料 袋 题目： 开关电源的应用 的电源设计 姓名 ： 周少宏 学号： 1002592 年级： 2002 级 专业： 通信工程 学院： 物理与信息工程学院 指导教师： 林强 、 李伟 编号 材 料 项 目 件数 1 完整 毕业设计 论文 一本 2 其他材料： （含以下 材料 ） 一本 任务书 1 开题报告 1 文献综述 1 外文翻译 1 外文原文 1 诚信承诺书 1 3 指导教师成绩评审表 一 份 4 评阅教师成绩评审表 一 份 5 答辩委员会决议书 一 份 目 录 1. 任务书 2. 开题报告 3. 文献综述 4. 外文翻译 5. 外文原文 6. 诚信承诺书 开关电源的应用 的电源设计 专业： 通信工程 学号： 1002592 姓名： 周少宏 指导教师： 林强、李伟 中文摘要 本文主要是通过分析并设计一款用于 的高效率、低功耗的开关电源适配器来介绍开关电源的优点，让更多人了解开关电源为什么能够逐渐取代线性稳压电源而得到广泛应用。该电源电路采用脉宽调制型（ 电流控制 模式、单端反激式工作原理，设计电路中还考虑了各种保护电路。该电源有效输入电压范围为 100V 240V，输出电压为 差范围在 2内，输出功率为 34W,效率高达 75以上 ，是一款高效率、低成本、微型化的小功率开关电源。 在开关电源轻型化、高效化的发展历程中，集成电路技术起了决定性的作用。近 20 年来，集成开关电源是沿着两个方向不断发展的：一个方向是，对开关电源的核心单元 控制电路的集成；另一个方面是，对中、小功率开关电源实现单片集成化，单片开关电源实际上是一种 C 电源变换器。 在介绍具体的设计电 路之前， 本文 先简单介绍了开关电源的发展历史及其工作原理，并与传统的线性稳压电源进行了比较。其次详细地对比介绍了不同的拓扑结构、调制方法、控制方式的不同特点。 然后第 3 章 详细介绍整个电路的设计思路、电路结构选择、器件选择、参数计算等一系列工作。限于篇幅，对一些辅助的电路，包括各种保护电路，如：过流、过压保护，欠压锁定电路， 波电路 ,补偿网络 等等只做了简单的介绍。 本文除了完成原理分析和理论设计外 ， 还 得到了由本电源电路 图（附录 1）加工 而成的实物电源，并对实物电路进行测试，分析和总结。 在经过 调试过程中的对电路 结构 的 进一步修改后，电路的各项指标均达到或优于预定指标（各项指标值已附于文章最后），验证了作者的理论设计，实现了设计目标，是一次理论结合实践的大胆尝试。 关键词： 开关电源 ,脉宽调制 ,电流控制模式 ,反激变换器 ,高效率 of of OS y a OS to us of to is to in of is a WM in a 0040to a 4W % 5%, is a of In of of a 0 is in is of is of in a In is a C of in to of a of as in by MI so to in of of of or in of is an of 开关电源应用 的电源设计 - 1 - 第 一 章 绪论 目前空间技术、计算机、通信、雷达、电视机及家用电器中的电源已经渐渐地被开关电源取代。现在一般应用的串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源，这种传统的串联稳压器，调整管总是工作于放大区，流过的电流是连续的，这种稳压器的缺点是承受过载和短路的能力差，效率低，一般只有 35 60。由于调整管上损耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器。 开关电源的调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率可高达 70 95，稳压器体积小，重量轻，调整管功率损耗小，散热器也随之减小。此外，开关 频率工作在几十千赫，滤波电感、电容可用较小数值的元件。允许的环境温度也可以大大提高。但是，由于调整元件的控制电路比较复杂，输出的纹波电压较高，瞬态响应较差。所以开关电源的应用也受到一定限制 1 。 关电源的发展及方向 开关电源的发展经历了从线性电源、相控电源到开关电源的发展历程，由于开关电源具有功率转换效率高、稳压范围宽、功率密度比大、重量轻等优点，从而取代了相控电源，成为通信电源的主体，并向着高频小型化、高效率、高可靠 性 的方向发展。计算机控制、计算机通信和 计算机网络技术的快速发展，为通信电源监控系统的发展和完善提供了外部条件，使其发展逐步实现少人值守，直至无人值守 2 。 性 稳压 电源 每一种电子产品，除非它本身自带有电池供电，否则都需要将外部 220V（或 110V）交流市电转换成某一特定大小的直流电来为其供电 ， 即 C 变 换器。 一直以 来在 器中线性 稳压 电源被广泛使用，其中的一个 主要 原因是由于它的电路 结构简单，用到的器 件少，价格便宜。电路通常由变压器、 全波整流电路、滤波电路和稳压电路 组成 ，如图 1 在线性稳压电源中，电压调整部分的晶体管等电子器件是工作于放大状态，其作用相当于一个阻值大小受误差电压控制的可变电阻。所以，负载电流是持续不断地流过电压调整管的，其上的功率损耗使得线性稳压电源只有 35 60的转换效率。 因此线性稳压电源需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器 。另外，由于线性稳压电源中变压器是工频变压器，其工作频率低，所以体积大，重量大，而且由于频率低，线路中所使用到的滤波电容和电感体积也很大 所以， 线性稳压电源的主要 问题就是：功耗大、效率低、体积大、重量大 ，所以在便捷式电子产 品，如笔记本电脑，仪器仪表中不适合使用线性稳压电源 3 。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 2 - 图 1性稳压电路原理图 关 电源 开关电源 原理框图如图 1基本输入电路、变换电路、控制电路 、保护回路和输出 电路等构成。 它与线性稳压电源的主要区别在于电压调整管控制电路部分。在开关电源 中，电压调整管部分的电子器件是工 作于开关状态 ， 它的导通和 关断时间受检测电路检测到的误差电压控制。这一部分是开关稳压电路的 核心，一般由脉冲产生电路、脉冲宽度（或频率） 调制电路、电子开关电路及脉冲整流 滤波电路等几部分组成。 检测电路通过对输出直流电压的取样并与基准电压进行比较放大，可以得到一个反映输出电压变化的误差控制电压送到控制电路。控制电路根据误差电压大小调整输出脉冲的宽度（或频率）来控制电 压调整管的导通与关断时间，最终使输出电压达到稳定， 这就是开关电源 电路稳定输出电压的基本原理。 由于其电压调整管工作于开关状态，功耗小，而且变压器工作频率高，体积小，电路发热低，使用到的散热片也小，使得开关电源效率高，可达 70 95，而且体积小、重量轻，特别适合便携式电子产品使用。 图 1关电源的基 本构成 性稳压电源与开关 电源比较 经过上面简单的介绍 ，我们可以得出线性稳压电源与开关 电源的各种性能比较如下表1 开关电源应用 的电源设计 - 3 - 表 1性稳压电源与开关 电源的比较 类 型 线性稳压电源 开关 电源 效率 低（ 35 60） 高（ 70 95） 尺寸 大 小 重量 重 轻 电路 结构 简单 复杂 稳定度 高（ 普通（ 3） 纹波（ 小（ 10 大（ 10 200 暂态反应速度 快（ 50 s 1 普通（ 500 s 10 输入电压范围 输入电压范围大时，效率降低，无直流输入自由度 输入电压范围很宽，亦可直流输入， 100V/200V 共用亦可 成本 低 普通 无 有 关 电源的分类 开关 电源有多种分类。按电源启动方式可分为自激式开关电源和他激式开关电源；按 储能电感（脉冲变压器）与负载连接方式可分为串联型开关电源和并联型开关电源；按控制开关管的导通方式可分为调宽型开关电源和调频型开关电源。 近几年来在开关电源的设计上不断改进和完善，出现了几种类型开关电源的组合，如自激并联调频 式 开关电源 、自激串联 调频式开关电源 、自激并联调宽式开关电源、自激串联调宽式开关电源、他激串联调宽式 开关电源及他激调频式开关电源等。同时，还出现了主、副多个开关电源、 取样误差放大到脉宽调制器电路）谐振式开关电源、多环路控制自激式开关电源及多开关管的桥式变换器开关电源等。 关 电源的优越性 开关 电源的优越性主要表现在： （ 1） 功耗小。 由于开关管功率损耗小，因而不需要采用大散热器。功耗小使得电子设备内温升也低，周围元件不会因长期工作在高温环境下而损坏，这有利于提高整个电子设备的可靠性和稳定性。 （ 2） 稳压范围宽。 当开关 电源输入的交流电压在 150 250能达到很好的稳压效果，输出电压的偏差在 2%以下。而且 在输入电压发生变化时，始终能保持稳压电路的高效率。 因此，开关 电源能适用于电网电压波动比较大的地区。 （ 3） 体积小、重量轻。 开关 电 源可将电网输入的交流电压直接整流，再通过高频变压器获得各种不同 直 流电压，这样就可免去笨重的工频变压器，从而节省了大量的漆包线和福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 4 - 硅钢片，使电源体积缩小、重量减轻。 （ 4） 安全可靠。 开关电源 一般都具有自动保护电路。当稳压电路、高压电路、负载等出现故障或短路时，能自动切断电源，其 保护功能灵敏、可靠 2 。 开关电源和线性电源是现代电子电源发展的两个主要方面，开关电源以功耗小、效率高、体积小、重量轻的优势几乎席卷了整个电子界，而线性电源则以其固有的稳定性仍占有一席之地。为了顺应现代电子技术设备对多种电压和电流的需求，在满足体积 小、重量轻、效率高、抗干扰能力强的同时，还应有更好的可靠性和 经济性 4 。 片开关电源的发展 近 20多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。 第一个是对 电 源的核心单元 控制电路实现集成化。 1977年国外首先研制成功脉宽调 制 (制器集成电路，如美国摩托罗拉 (司、 司、司等相继推出一批 片，典型产品有 其基础上，国外又研制出开关频率达 1 高速 冲频率调制 )芯片 ， 典型产品如 。 第二个方向是对中小功率开关电源实现单集成化。 80 年代初，意 法半导体有限公司 (称 先推出 列单片开关式稳压器。该公司于 90年代又 推出了 列 产品，包括 该公司于 1998 年还研制出 单片开关式稳压器 。其 共同 特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一块 芯片中， 但 使用时需配工频变压器与电网隔离，适用于制作低压连续可调式输出 (40V)、大中功率 (400W 以下 )、大电流 (10A)、高效率 (可超过 90%)的开关电源 。 但从本质上讲， 它们都 属于 1994 年，美国电源集成公司 (简称 司 )在世界上首先研制成功三端隔离、脉宽调制型反激式单片开关电源 ， 它属于 其第一代产品为 1994年问世的 列，第二代产品则是 1997年问世的 第三代和第四代产品是在 2000 年 1 月和 11 月相继推出的 该公司 还 于 1998 年 、 2001 年分别开发出 高效率、低功率、低价格的 型单片开关电源。 美国摩托罗 拉 (司于 1999 年推出 列五端单片开关电源，也称为高压功率开关调节器（ 括 6 种规格、 17 种型号。 列可广泛用于办公自动化设备、仪器仪表、无线通信设备及消费类电子产品中，构成高压隔离 式 C 电源变换器。在作特殊应用时，还可去掉高频变压器的反馈绕组及快恢复二极管、滤波电容，改用稳压管或双极型晶体管、 行串联调整。此外，利用这种 芯片还能制作高压步进电源。 荷兰飞利浦（ 公司于 2000年研制成功 列单片开关电 开关电源应用 的电源设计 - 5 - 源，它属于反激式开关电源，其中， 最大输出功率为 50W。该公司还开发出 大输出功率可达 125W。 美国安森美（ 导体公司在 1998 年 2001年期间 ，也相继开发出 列单片开关电源。其最大输出功率为 40W，可广泛用于家用电器的辅助电源、便携式电池充电器、调制解调器、消费类电子产品的备用电源。此外，该公司最近还研制成功 正器专用集成电路 5 。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 6 - 第 二 章 开关电源的电路原理与设计 本章主要是对开关电源电路中 常见的 不同电路拓扑结构、调制方法、控制方式的工作原理及电路结构作了简单地介绍。 关电源的电路拓扑结构 开关电源 的电路拓扑结构主要是 对 变换电路来说的，即输入电压到输出电压变换电路的结构类型 6 。 感、电容、二极管型 这是一种应用较多的电路形式，适合于负载电流较大的场合，它又可以分为 3种基本形式 6 。 压型（ 换器） 其电路结构 构图 如图 2示。当开关 S 闭合时， 生的电流 过电感 L 流入负载及电容 C。此时二极管 D 截止。当开关 S 断开时，储存于电感 L 中的释能产生一个电流 C 和负载 的 电流不至 于中断。与此同时，二极管 D 因电感 L 产生的自感应电压（极性左负右正）而导通，为电感中的电流 供通路，使之续流，故将二极管 感 在开关 S 闭合时，输入电压 于电感 L 上自感应电压（极性左正右负）与负载上的电压 将这种拓扑结构称为升压型变换电路。 图 2转型（ 换器） 其电 路结构 框图 如图 2开关 过电感 时二极管 开关 过 两端的自感应电压的极性为上负下正，二极管 负载电流 负载上的电压 性 （下正上负） 与输入电压相反，大小根据 开关通断时间的不同可能大于 可能小于 将这种拓扑结构称为反转型变换电路，或者称为升降压型变换电路。 图 2压器耦合式直流变换电路 这种拓扑结构与上面提到 的拓扑结构相比，具有输出电压可任意选择（升压、降压或多路输出），以及可以实现与市电电网隔离两大特点，因此是应用最广泛的电路拓扑结构。这种变换电路大致可以分为单端反激式、单端正激式、推挽式、半桥式及全桥式 5类，下面逐一进行介绍 6 。 端反激式变换电路 单端反激式变换电路，是指它的电路形式与功率放大电路中的单端甲类放大 相似，它福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 8 - 们的变压器铁芯（或磁芯）仅工作于磁滞回线的一侧，并且初级线圈只有一个接地端（称为冷端）和一个非接地端（称为热端）。 其基本原理框图 如图 2开关 级线圈 有电流 过，储存能量。与此同时，整流二极管 D 截止，负载 无电流 ， ； 而当开关 级线圈电感 中储存的能量通过次级线圈 关 总是交替导通或截止，故称之为反激式。电路中二极管 s 上电压极性决定，而该电压极性则由变压器初、次级线圈的同名端接法决定，如图中小圆点所示。 这种单端反激式变换器 电路结构简单、紧凑、工作可靠、成本低，输出 功率一般为几瓦到一百多瓦，广泛用于电子计算机和彩色电视机电源电路 中。 图 2端反激变换器原理 框 图 端正激式变换电路 单端正激式变换电路与单端反激式电路相似，但工作方式完全不同， 其结构原理框 图如图 2开关 流二极管 流流过负载 ，同时将能量储存于滤波电感 流二极管 L 中的能量向负载释放，保证负载中电流连续。必须指出，在这种单端正激式变换电路中，由于 S 和 同时导通，同时截止的，故在 作为 此 在脉冲变压器中增加了钳位线圈 与初级线圈样在 一点靠线圈的同名端接法保证），使闭合时存储的一部分能量，在 3返回给电源。钳位线圈有两个作用，一是将 是使变压器的磁通复位。 单端正激式变换电路是在 的输出功率比单端反激式大一些， 但它的变压器结构稍微复杂，磁芯仍工作在磁滞回线的一侧，也属于单端式，所以应用不及其他形式普遍。 与单端反激 式 相比，单端正激 式 开关电流小、输出纹波小、 更容易适应高频化。 开关电源应用 的电源设计 - 9 - 图 2端正激变换器原理 框 图 挽式变换电路 推挽式变换电路的工作方式与变压器耦合推挽功率放大电路相似，开关 2轮流导通， 其原理框图 如图 2属于双端式变换电路，变压器磁芯工作于磁滞回线的两侧。作为开关的电子器件要承受 2峰值电压，这种 电路输出功率较大，可达 500极管 2 构成全波整流电路，电感 为滤波电路。 图 2挽变换器原理 框 图 桥式变换电路 半桥式变换电路的工作方式类似于功率放大器的 原理框图 如图 2中电容 2将 成相等的两半，开关 2轮流导通。 在这种变换电路中，变压器的初级线圈 在整个周期中都有电流，磁芯利用更充分。作为功率开关的器件所承受的最高反向工作电压不会超过 入电容 2的耐压也小于 由于 电压的幅值为 推挽式变换电路相比，欲输出相同的功率，则开关器件需要提供两倍的电流。这种电路的输出功率目前可以做到近 1000W。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 10 - 图 2桥式变换器原理框图 桥式变换电路 全桥式变换电路的工 作方式类似于功率放大电路中的 式推挽电路）， 其原理框 图 如图 2示。 时导通，同时截止； 时导通，同时截止。这种电路的优点是输出功率大，可达 1000 2000W，它对开关器件的耐压要求也 不高 。 其缺点是驱动电路较复杂，原因是目前 沟道半导体器件的耐压不能满足要求，故 同类型的器件，故需要四组彼此绝缘的驱动电路。 图 2桥式变换器原理框图 关电源调制方法 开关电源电路的调制方式主要有 ： 脉冲宽度调制 (式，其开关频率恒定，通过调节导通 脉冲宽度来改变占空比，从而实现对电能的控制，称之为“定频调宽”； 脉冲频率调制 (式 ， 其脉冲宽度恒定，通过调节开关频率改变通断比，从而实现对电能的控制，称之为 “定宽调频”； 脉冲跨周调制 (式， 其脉冲宽度 和频 率 都恒定，选择性地 跳过某些工作周期 来 调节电能输出 7 。 开关电源应用 的电源设计 - 11 - 制方法 图 2示 为 制方法的工作原理 及其波形示意 图。 当输出电压 参考电压e 时，该误差信号和三角波或锯齿波信号 到 c。其中 开关管截止时间， 图可知，当输出电压 生变化，导致输出误差 化时， 制信号 的 脉冲宽度将发生相应的 变化， 从而开关管的导通时间也发生变化 ，达到使输出稳定的目的， 但其工作频率不变。 图 2制方法 图 2 制方法的工作原理 框 图。 它基于恒宽变频 调制脉冲去控制功率管的导通，从而实现调节输出电压的目的。 即 过改变脉冲的频率来调节输出电压。由于 变换器在低负载下表现出很低的 变换效率，而 这一不足 之处 。 由图可知，通过调频调制器用载波对变换器的输出误差进行调制， 然后通过过零比较器得到 然，由于脉宽不变，所以当频率高时，在特定时间内的开关管导通时间就多一点，反之则少一点，从而可以达到稳定输出的目的。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 12 - 图 2制方法 图 2 波形示意 图。 工作原理为 ： 控制器对输出电压进行检测，如果在一个时钟周期内输出 电压 于额定值 则让这个时钟周期 内的脉冲信号通过控制器去控 制开关管工作，否则跨过这个时钟周期的脉冲信号不用，使开关不工作， 这样就可以达到使输出电压稳定的目的。 图 2工作 原理 及波形示意 图 开关电源应用 的电源设计 - 13 - 种不同调制方法比较 制原理简单，电路易于实现，而且 冲控制信号的谐波都集中在其基波的整数倍处，只要知道了 续滤波器容易设计 。 但 制方法具有线性调整率较差、轻负载时效率低等缺点。 有在负载较轻 时效率很高 ，工作频率高，频率特性好，电压调整率高，适合于电压或者电流控制方 式。但其负载调整范围窄，而且由于 高次谐波分量离散，所以使其后续滤波器较难实现，成本较高。 法的效率很高，而 且几乎与负载无关，当负载变换时，效率是一个恒定值。换器具有轻 负载效率高、响应速度快的特点，是小功率变换器的一种理想的调制方法 。 但是其输出纹波大，输入电压调整能力差。 关电源控制方式 选择 合适的 控制方式 极其重要。对于一个电源电路， 如果 控制方式 选择不正确，会使电源工作不稳定而浪费宝贵 的时间。设计者要知道各种控制方式之间细微的差别。 总体上说，正激式拓扑 常 用电压型控制器，升压式拓扑通常用电流型控制 器 。但这不是一成不变的规则，因为 每一种控制方式 都可以用到各种拓扑中去，只是得到的结果不一样而已 8 。 压控制方式 图 2示为电压控制方式开关电源原理 框 图。电压型 制的基本原理是 ： 电源输出 取样 电压 到误差信号 较后 ， 些脉冲的宽度随误差信号 这些脉冲宽度 控制 开关管的导通时间，从而 决定了输出能量的大小。当 输出电压下降 时，脉冲宽度增大， 增加导通时间 ， 使输出电压升高； 反之， 输出脉冲宽度 变窄 ， 减少导通时间，使输出电压下降， 从而 达到使输出电压稳 定 的目的 。这种电压控制开关电源只需要一个反馈信号，用于实现整个电路的负反馈 而维持输出稳 定。在整个控制电路中只有一个反馈环路，是一种单环控制系统。 电压控制型开关电源是一个二阶系统，它有两个状态变量，即输出滤波电容器上的电压和输出滤波电感中的电流。二阶系统是一个有条件稳定系统， 只 有 对控制回路进行精心设计，在满足一定条件下，闭环系统才 能稳定工作。我 们 都 知道，开关电源的电流都要通过电感，对于电压信号有 090 的相位延迟。而 对于整个稳压电源系统来说，实际上是通过初级的励磁电流 变高频变压 器中的磁通，以适应输入电压和负载的变化而保持输出电压稳定的要求。这种采样输出电压的方法来实现控制，在调节过程中存在一定滞后，结果必然是响应速度慢、稳定性差，甚至在大信号变动时容易产生振荡。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 14 - 图 2压控制方式原理框图 流控制方式 针对上述电压型控制 方式 的缺点，最近十几年发展起来了电流型控制技 术。电流控制型开关变换器正是在传统的电压控制型的基础上，增加了一个内环 电流反馈环，使其成为一个双环控制系统，让电感上的电流不再是一个独立变量，从而使开关变换器的二阶模型去掉了电感电流而成为一阶系统。图 2示为电流型控制方式的原理 框 图。电流信号 输出脉冲与 时钟信号） 加到脉宽调制锁存电路 得到开 关 管控制信号 控制开关 管 的 导通 时间。当 电源回路中的电流脉冲逐渐增 大， 电流在采样电阻 宽比较器状态翻转，开关管截止。线路就是这样逐个 地检测 比较 电流 信号与误差信号来调整控制信号的脉宽 ， 以达到稳定 输出 电压 的目的。 图 2流控制方式原理框图 开关电源应用 的电源设计 - 15 - 可见，无论是理论分析还是电路测试，都证明电流 控制 型 比电压型控制 型 有许多 优点： (1)对输入电压变化响应快，抗干扰性能强 。电源输入电压发生 变化，必然会 引起变压器初级电流上升的斜率发生 变化，如电压升高，则电流增长变快，反之 则变慢。但是只要电流信号 达到了预定的幅度，电流控制回路就动作，使得 控制 脉冲宽度发生改变，保证输出电压的稳定。在电压型控制电路中，检测电路对输 入电压的变化没有直接反应， 要到输出电压发生 变化后，一般要在 5 (2)具有过流保护和可并联性。在电流控制型 C 变换 器中，由于内环采用了直接的电流峰值控制技术，它可以及时、准确地 检测输出或变压器以及开关管中的瞬态电流，自然形成了逐个电流脉冲检测电路。只要给定或限制参考电流，就可以准确地限制流过开关管和变压器中的最大电流，从而在输出过载或短路时保护了开关管和变压器，也可以有效地克服因输入电压的浪涌产生很大的尖峰电流而损坏功率开关管的缺陷。同时，由于有了这个逐个电流脉冲限制的电流环，当多台 开关电源并联运行时，每台电源都有独立的电流负反馈，并联输出电压有一个总的电压负反馈控制电路，使各个电流反馈系统有相同的电流参考值，这样就可以实现多台开关电源之间并联均流。这在当今电源规格要求繁多、电子设备整机可靠性要求提高的形势下，为模块化电源系统和电源冗余结构设计提供了捷径。 (3)变压器的磁通平衡 。 在半桥、全桥和推挽变换器中，电压型控制不能完全克服偏磁现象 ， 电流 控制 型 可以自动解决磁通不平衡的问题， 这是因为它 的内部电流环 使 得即使电流脉冲宽度不同， 幅值 也 肯定相同。 (4)回路稳定性好、负载响 应快 。 电流 控制 型 可以看作是一个受输出电压控制的电流源，而电流源的电流大小就反映了电源输出电压的大小。这是因为电感中电流脉冲的幅值是与直流输出电流的平均值成比例的，因而电感的延迟作用就没有了。电流控制型和电压控制型的开关电源相比有许多优点，但其本身也有缺点，如电感峰值电流与平均电流有误差 ， 直流开环负载调整率较差。这些问题绝大部分可以采取适当措施后得到满意地解决，这就为电流型开关电源的普及和发展创造了条件。 (5)根本消除了 关电源存在的磁通量失衡问题。磁通量失衡会 减弱电感的承压能力， 导致功率管电流不断增大并最终烧毁。电流控制方 式在每个周期都限定功率管峰值电流，能彻底杜绝磁通量失衡。 (6)电压调整率显著减小。当输入电压波动时， 图 2 的电流检测电阻 立即检测到峰值电流的变化，快速调整占空比，使输出电压稳定。 (7)简化了反馈电路的设计。 在电压 控制方式中， 波电路在频率达到共鸣频率2/ 后，相移会接近最大值 0180 ，输入到输出的增益会随着频率的升高而迅速减小，这就增加了开关电源反馈电路设计的 复杂程度。在电流 控制方式 中，滤波电感的小信号阻抗几乎为零，这样就只能产生最大 090 相移，增益随频率升高而下降的速度也减小为实际 此反馈电路的设计可以大幅 度 简化 。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 16 - 第 三 章 的开源设计 述 本文主要是为 设计开关电源电路。该电源提供单组 34W 的稳定输出。根据前两章对开关电源不同的电路拓扑结构、调制方法、控制方式的比较，结合实际设计电路的性能要求及条件， 为使电源结构简单、紧凑 、 工作可靠、减少成本， 本文采用单端反激式电流 控制型脉宽调制方式的原理 电路模型来实现。 本章将对整个开关电源的输入电路、 变换电路 、控制电路、输出电路及保护电路设计进行详细介绍 。 入电路设计 本开关电源的输入电路包括冲击电流抑制电 路、 输入滤波电路、输入整流电 路三部分。 击电流抑制电 路 设计 浪涌电流 （又称冲击电流） 是指电网中出现的短时间 像 “ 浪 ” 一样的高电压引起的大电流。当某些大容量的电气设备接通或断开时间，由于电网中存在电感，将在电网产生 “ 浪涌电压 ” ，从而引发浪涌电流。 为了对输入保险 丝、整流器进行保护，同时要减少对其他电子设备造成恶 劣的影响，需要接入冲击 电流抑制回路， 把冲击电流抑制在允许范围内。根据 各厂家要求不同，一般是抑制在交流输入电流 倍以下。 冲击电流抑制回路实例如图 3入电容充电结束的必要时间 由 相时， 为（ 3 5） 相时为（ 2 3） 冲击电流抑制电路有多种实现方式，如串联电阻方式、功率热敏电阻方式、双向晶闸管开关元件方式和晶闸管方式， 本次设计电路采用功率热敏电阻方式 。输入电流 大），最大输入电压为 240V。接通时电流 输入电压峰值为2 240=340V， 必需接入的电阻 45 （以上） （ 3 其中 2 5 6 945 )3 4 0(U p p ) 221 （ 3 开关电源应用 的电源设计 - 17 - 根据以上计算，结合实际设计需要，选择热敏电阻 1，见附 录 1所示。 其实，抑 制浪涌电流的最简单方法 就 是在系统 实为负温度系数之意 ） 热敏电阻。由于在冷启动时， 而将使 涌入 电流得到限制。而当电流的热效应使 敏元件的温度升高， 值急剧下降时，对系统的电流限制作用会较小。 但是 ，由于 敏电阻在热态下的阻抗并不是零，故会产生功率损耗，从而 影响系统的运行效率。还有一个问题是浪涌电流起不到限制作用。 图 3击电流抑制电路原理图 入滤波电路设计 输入滤波电路有两种作用：其一，是防止输入电源噪声 窜入 电路中 ；其二，是抑制开关电源产生的噪声反馈到输入电源。根据噪声规制一般是两种作用的回路结构。 如图 3 该电路 是一种复合式 1 构成第一级滤波， 用高频特性较好的薄膜电容。电阻 免因电容上的电荷积累影响滤波器的工作特性 ，断电后还能使电源的进线端不带电，保证使用的安全性 。 共模电感 2、 有效抑制共模干扰。 具体的参数选择： （ 1）电容的选择： 用 高频特性较好的 薄膜电容器，容量大约在 1理论上越小越好，大约在 100k 10M；为了减少漏电流， 量大约在 220030 250 （ 2）电感的选择： 电感 的 选 择 原则 从以下几个方面考虑：第一 ，磁芯材料的频率范围要宽，要保证最高频率在 1在很宽的频率范围内有比较稳定的磁导率。第二，磁导率高，但是在实际中很难满 足这一要求，所以，磁导率往往是分段考虑的。磁芯材料一般是铁氧体 ； 电感量的估算 考虑阻抗和频率 ， 共模扼流圈取 值大约在 1 15 在实际的输入滤波电路设计中， 往往是根据实际的滤波效果和电路结构安排来选择电路结构和参数，本文设计中在允许情况下去掉了 3， 仅用共模电感 2来滤除共模干扰。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 18 - 图 3入滤波回路原理图 入整流电路的设计 整流电路有 电容输入型与扼流圈输入型两种， 开关电源一般采用电容输 入型 的整流电路，整流方式一般采用全波整流。所以，本文设计的整流回路就是 典型的 电容输入型桥式全波整流电路，其原理图如图 3 工作原理： 四只整流二极管接成电桥形式，故称桥式整流。在 输入电压 正半周， 3导通， 流由 信号源 正 端 （上端） 经 号源负端（下端） ，在负载 在 输入信号 的负半周， 止， 流 信号源正端（下端） 经 到 信号源负端（ 上端 ） ，在负载 样就在负载 电流的计算与全波整流相同，即 L， 流过每个二极管的平均电流 = L， 每个二极管所承受的最高反向电压为 2 目前，小功率桥式整流电路的四只整流二极管，被接成桥路后封装成一个整流器件，称 硅桥 或 桥堆 ，使用方便 。如附录 1使用的 桥式整流 电路克服了全波整流电路要求变压器次级有中心抽头和二极管承受反压大的缺点，但多用了两只二极管。 （ 1） 具体选择整流桥时，应考虑的主要参数是：正向平均电流 浪涌电流流击穿电压 预期的耗散功率 即每个二极管要满足： ( (5 （ 2） 输入 滤波 电容由输出保持时间以及直流输入电压要求的纹波大小决定，而且流经电容的纹波电流 应 在电容允许值范围内。 对电源寿命有很大影响，应特别注意。 输入滤波电容的选择主要考虑三个方面：能满足期望电压纹波的电容值；电容的额定电压；电容的额定纹波电流。 开关电源应用 的电源设计 - 19 - 对于交流离线变换器，纹波电压一般设计为输入交流电压峰值 的 5% 8%。对于 入滤波电容的大小可以从下式得到： )(2( m ( （ 3 其中， 离线式电源输入交流电压最小额定频率； ( 交流输入整流电压的最小峰值； )( 输入电容上要得到的电压纹波峰峰值 。 根据设计经验， C 的电容值 C=2 其中， 位为 W， f ，所以 这里 2 34=68 f 。因为当输入电压为 240V 时，峰值为 2 240=340V，所以要求 40V 以上，这里选取 400V， 68 f 的电解电容，如附 录 1中所示 的 9 。 图 3入整流电路原理图 换电路设计 通过第 2章中对各种不同变换器比较，我们知道单端反激式变换器电路结构简单、紧凑、工作可靠、 成本低，输出功率一般为几瓦到一百多瓦，适合于低功率输出的开关电源 。所以，本文设计的 电源电路就采用单端反激式变换电路，变换电路部分如图 310 。 其中变压器 即 当 开关管 储存能量 ，与此同时，二极管 载中没有电流。当 开关管 ， 1向 放能量 ，从而提供负载工 作 。 这个电流将会持续到下次开关管截止时 (若到下次开关管截止前电流已下降到零则电路工作于电流断续模式，否则工作于电流连续模式 )，从而保证负载电流持续不断。 福州大学本科生毕业设计 (论文 ) - 20 - 电路中输入端的 C、 组成 峰吸收电路 。 因为 开关导通期间是在变压器漏感中蓄积能量的。这时，与次级绕组之间没有耦合，因此，导通期间能量不能传到次级线圈。开关管
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