DC-DC电源升压器设计与研究-文献综述

第1页文献综述1.引言DC/DC变换器是将一种直流电压变换为另一种所需的直流电压(固定或可调)。这种技术被广泛应用于计算机、办公自动化设备、工业仪器仪表、军事、航天等领域，涉及到国民经济的各行各业中，变换器还需要符合上述领域的安全标准。2.设计目的及意义现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整管工作在线性放大区，开关稳压电源的调整管工作在开关状态。传统的稳压电源虽然具有稳定性能好，输出纹波电压小，使用可靠的优点，但其通常需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器，并且功耗较大，电源率较低。相对的，DC-DC开关电源就可以适应现当代的电子设备对电源的要求，达成电子设备对电源的发展需求。其功耗小，效率可高达70%-95%。散热器的体积也随之减小，可直接对电网电压进行整流、滤波、调整。总体来说，它具有体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的30%）、效率高（线性电源只有40%），自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化等优点，又提高了整机的稳定性和可靠性，对电网的适应能力也有较大的提高。但也存在一些缺点：在隔离型开关电源中，由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰，需要良好的屏蔽及接地。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时音比率，维持稳定输出电压的一种电源。从上世纪90年代以来开关电源相继进入各种电子和电器设备领域，计算机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源。由于其高效节能可带来巨大效益，从而得到迅速推广。分布式电源的发展及与IT技术的结合，对传统的电路系统造成巨大的影响，带来了对电路系统概念的革新，在同一电路系统中越来越广泛地使用分布式开关电源，使电路技术产生显著进步，形成了新型的专项技术。DC-DC开关电源技术是分布式开关电源的关键技术，被誉为高效节能电源。它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达80%-90%，特别是目前便携式设备市场需求巨大，DC-DC开关电源的需求也越来越大，性能要求也越来越高，而DC-DC开关电源的设计也更具挑战性。第2页DC-DC开关电源的核心部分DC-DC转换器是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变Ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类：（1）Buck电路降压斩波器，其输出平均电压U0小于输入电压UI，极性相同。（2）Boost电路升压斩波器，其输出平均电压U0大于输入电压UI，极性相同。（3）Buck-Boost电路降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压UI，极性相反，电感传输。（4）电路降压或升压斩波器，其输出平均电压U0大于或小于输入电压UI,ukC极性相反，电容传输。3.发展趋势3.1.高效率、高功率密度如今通信产品日趋小型化，必然要求模块电源减小体积、提高功率密度，而提高效率是与之相辅相成的。目前的新型转换及封装技术可使电源的功率密度达到188W/立方英寸，比传统的电源功率密度增大不止一倍，效率得到极大提高。之所以能达到这些指标，应归功于微电子技术的发展使大量高性能的新型器件涌现出来，从而使损耗降低。较典型的是高性能的金属氧化物半导体场效应晶体管，其在同步整流器中取代了传统设计中使用的二极管，使压降0.4V降到0.2V；功率MOSFET制造商正在开发导通电阻越来越小的器件，其导通电阻已由0.18降到0.018；高度的硅晶片集成使元件数目减少2/3以上，结构紧密、相对于分立元件的布局减小了杂散电感和连线电阻。高效率可使功耗相对减少，工作温度降低，所需的输入功率减少，也提高了功率密度。3.2.低压大电流随着微处理器工作电压的下降，模块电源输出电压亦从以前的5V降到了现在的3.3V甚至1.8V，业界预测，电源输出电压还将降到1.0V以下。与此同时，集成电路所需的电流增加，要求电源提供较大的负载输出能力。对于1V/100A的模块电源，有效负载相当于0.01，传统技术难以胜任如此高难度的设计要求。在0.01负载的情况下，通往负载路径上的每0.001电阻都会使效率下降10%，印制电路板的导线电阻、电感器的串联电阻、MOSFET的导通电阻及MOSFET的管芯接线等对效率都有影响。新技术的发展能把对电路整体布局至关重要的功率半导体和无源元件集成在一起，构成第3页功能完善的基本模块，降低了通往负载路径上的电阻，从而降低了功耗并缩小了尺寸。利用基本模块组合起来的多相设计技术逐步得到推广。由于每相输出电流减小，可以采用较小的功率MOSFET和较小的电感器和电容器，这样也简化了设计。市场上已出现的基本功率模块封装只有11mm11mm大小，开关频1MHz，级联多个模块和相关元件，可获得大于100A的工作电流，与其它采用分立式元件的电路相比，其效率提高了6%，功率损耗降低25，器件尺寸缩小50%左右。3.3.体积成本最小化虽然便携产品的体积在不断缩小，成本也在不断降低，但是在保证性能的前提下体积更小、成本更低的产品必然更具竞争力。如何使电源管理IC的封装越来越小、封装的厚度越来越薄也是电源管理IC要解决的难题之一。而在缩减成本方面，相信没有哪个商家不精打细算，因为利润永远是商家追逐的目标。因此，电源管理面临的关键任务之一就是如何最大化产品的性价比。4.设计方案本论文将使用MC34063芯片作为开关实现间断性给电容充电从而实现电源升压，电源为3V，可升压范围为3V到9V。然后运用ATmega8实现模数转换，使用LCD直接有效查看转换电压数字。从而实现高效率的DCDC电源升压功能。第4页参考文献1.谭亚伟高效率升压式DC/DC转换器的设计.D华中科技大学.硕士学位论文.2006.2.成楠.升压式DC/DC变换器的研究与设计.D西安电子科技大学.硕士学位论文.2010.3.严仰光双向直流变换器南京：江苏科学技术出版社，2004：20.4.周志敏，周纪海,纪爱华现代开关电源控制电路设计及应用北京：人民电邮出版社，2005：25-355.张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计.北京：电子工业出版社，2004：35-40.6.高艳丽.一种DC-DC升压转换器的设计.D西北工业大学.硕士学位论文.2007.7.林春景.模拟电子线路.北