准谐振开关电源的设计毕业论文.doc

长春工程学院毕业设计 论文 毕业设计 论文 毕业设计 论文 准谐振开关电源的设计准谐振开关电源的设计 Design of Quasi resonant switching power supply 长长 春春 工工 程程 学学 院院 耿 锟 电气与信息学院 电子信息工程 0641 周文良 教 授 2010 年 6 月 22 日 学生姓名 所在院系 所学专业 所在班级 指导教师 教师职称 完成时间 教师职称 完成时间 长春工程学院毕业设计 论文 摘摘 要要 本文介绍了目前开关电源领域的发展概况 和典型开关电源主电路的拓扑结 构 分析了存在于开关电源中的影响电源效率的因素 提出了当今高效率功率变 换要解决的问题 那就是开关管的开关损耗问题 分析了一种提高开关电源效率 的实现方法 准谐振开关电源 论文针对主电路中各主要元件参数进行了具体计算 确定各分电路和所选元 器件 在控制电路设计中 经过综合比对选用开关电源专用芯片 UC3867 作为主 要控制芯片 结合信号检测技术 设计具有完善控制和保护功能的电源系统 开 关电源的效率达到 85 以上 关键词关键词 变换器 软开关 效率 Abstract The current development of switching power supply field is introduced And various topology structures of main circuits of Switch power supply SPS Ingredients that affect the efficiency of SMPS are analized Major problems that need to be solved in high efficiency power convert are put forward include loss of switch loss while switching on and etc High efficiency power convert idea is put forward quasi resonant switching power supply the parameters of main components of main circuit are computed Determine the sub circuit and the selected components At the same time it points out the key factors After comprehensive comparison UC3867 chip is selected as the main control chip in designing of control circuit The technology of detection is combined to compose the power supply system which designs the perfect control and protection function The efficiency of switching power supply is more than 85 长春工程学院毕业设计 论文 Keywords converter soft switching technology efficiency 长春工程学院毕业设计 论文 目目 录录 1 绪论绪论 1 1 1 引言 1 1 2 选题的目的和意义 2 1 3 课题可行性分析 3 2 开关电源开关电源 4 2 1 开关电源的种类及特点 4 2 2 开关电源的效率分析 14 3 电路设计电路设计 16 3 1 软开关电路的种类 特点 16 3 2 软开关电路的选用原则 19 4 准谐振开关电源的设计准谐振开关电源的设计 22 4 1 主电路的设计 22 4 2 软开关的设计 24 4 3 控制电路的设计 27 4 4 交流滤波整流输入的设计 34 5 结论结论 37 参考文献参考文献 38 致致 谢谢 39 附录一附录一 控制电路图控制电路图 40 附录二附录二 原理图总图原理图总图 41 长春工程学院毕业设计 论文 1 1 绪论 1 1 引言 随着电力电子技术的告诉发展 电力电子设备与人们的工作 生活的关系日益密切 而 电子设备都离不开可靠的电源 进入 80 年代计算机电源全面实现了开关电源化 率先完成 计算机的电源换代 进入 90 年代开关电源相继进入各种电子 电器设备领域 程控交换机 通讯 电子检测设备控制设备等都已广泛地使用了开关电源 正是由于开关电源的广泛应用 和普及 使开关电源技术得到迅速发展 开关电源是利用现代电力电子技术 控制和调节开 关晶体管开通和关断 维持输出电压稳定的一种电源 开关电源和线性电源相比 二者的成 本都随着输出功率的增加而增长 但二者增长速率各异 随着集成电路的集成度的提高 微型计算机的体积也随之不断的减小 这时线性直流稳 压电源已不再适应现代设备的工作应用 于是 开关型直流稳压电源替代了线性电源 并使 微型计算机实现了微型化 时至今日 几乎所有的微机 笔记本电脑的电源适配器都是开关 电源的电路结构 直流电源是将工频电网电能转变成直流形式电源的一种电子仪器设备 直流电源已经广 泛应用于各行各业 随着科学技术的不断发展进步 科学研究和工程应用实践对电源的需求 逐年增多 对其精度 性能 规格 品种 类型 体积 智能化操作等方面都提出了许多新 的要求 现有的直流电源已经不能满足各领域中的许多要求 研究和开发适合要求的多种新 型直流电源已经成为一种客观需求 而且其社会效益和经济效益都比较显著 近几年 随着电力电子技术的发展 新一代功率器件 如 MOSFET IGBT 等应用 高频 逆变技术的逐步成熟 出现了大功率 高密度的开关电源 同线性电源相比较高频率开关电 源的突出特点是 效率高 体积小 重量轻 设计制造周期短 由于它的优越特性 现在已 逐渐取代了传统的线性直流电源 采用脉宽调制技术 实现了对输出电压稳压和输出电流的 限流功能 本设计采用的是半桥变换器和零电流软开关技术结合 将工频电压双路整流 一路作为 半桥功率变换的功率输入 一路经滤波稳压后为 PWM 控制电路提供稳定工作电压 设计具有 完善控制和保护功能的电源系统 使我们设计的开关电源的效率达到 85 以上 通过这次设 计使我们掌握了开关电源设计技术 提高我们综合运用知识的能力以及设计和开发能力 为 以后进一步学习和工作打下良好的基础 长春工程学院毕业设计 论文 2 1 2 选题的目的和意义 1 2 1 选题目的 准谐振开关电源广泛应用于电子 IT 等产业 尤其随着电力电子器件和相关应用技术的 发展 作为用电设备心脏的电源系统发生了很大的变化 以开关方式工作的直流稳压电源以 其体积小 重量轻 效率高 稳压效果好等特点 正逐步取代传统电源的位置 成为了电源 行业的主流形式 通常 把开关元件上的电压波形为正弦波状的变换器称为电压谐振变换器 即以零电压 开关 ZVS Zero Voltage Switching 方式工作 把流过开关的电流波形为正弦波状的称为 电流谐振变换器 即以零电流开关 ZCS Zero Current Switching 方式工作 以上两种变 换器均称为准谐振变换器 谱振仅在开关管导通或截止时发生 使用了这类开关的变换器称 为部分谐振变换器 部分谐振变换器叫做准谐振变换器 其中的零电压开关和零电流开关叫 做软开关 20 世纪 70 年代世界电源史上发生了一场革命 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 进而缩小电源体积 高频化使电源体积大幅度的减小 轻巧便携 实用性和使用方便性明显得到改善 实现准谐 振开关电源的发展要求 1 2 2 选题意义 随着电力电子应用技术的迅速发展 要求电子仪器和设备的可靠性不断提高 功能不断 增加 使用趋向自动化及智能化 体积小型化 开关电源的优势便显示出来 它已经广泛应 用于以电子计算机为主导的各种终端设备 通信设备中 是当今电子信息产业飞速发展不可 缺少的支撑 另一方面 由于集成电路技术的普及及应用 也促进了电子设备的小型化和多 功能化 使电子仪器和设备的成本不断降低 但限制开关电源体积减小和重量减轻 主要是 开关电源的变压器 电抗器等磁性元件和平滑波形的电容器作用 虽说可通过提高开关频率 减小磁性元件和平滑电容器的尺寸 却带来元器件损耗增大 温升增高 同时经开关频率提 高后 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 而且还会大大降低电源装置本身的可靠性 目前 提高开关电源工作频 率的最有效的方法 是采用软开关技术 即在开关管导通时加在开关两端的电压或通过开关 的电流呈正弦波 这样既可以减少开关损耗 又可以控制浪涌的发生 使得噪声很小 开关电源高频化是其发展的方向 高频化使开关电源小型化 并使开关电源进入更广泛 长春工程学院毕业设计 论文 3 的应用领域 特别是在高新技术领域的应用 推动了高新技术产品的小型化 轻便化 另外 开关电源的发展与应用在节约能源 节约资源及保护环境方面都具有重要的意义 基于以上考虑 针对于准谐振式开关电源的设计 既可以采用零电压开关 也可以采用 零电流开关 使整个电源达到体积小 重量轻 电磁兼容性好 成本低 可靠性高等特点 1 3 课题可行性分析 目前 世界各国正在大力研制开发新型准谐振开关电源 包含新的电源理论 新型模块 化电路 新型电子器件等 以满足电子设备小型化 高效化和高性能化的时代发展要求 如何进一步提高开关稳压电源的效率 经历了谐振式开关模式 无源无损耗缓冲电路和 同步整流器等几个过程 最初 阻碍开关稳压电源效率提高的最主要的因素是开关管的开关 损耗 因此在这一阶段 提高开关稳压电源效率是以减小或消除开关损耗为目的 这种电路 拓扑可以与 PWM 控制方式兼容 在这个时期 还有最具代表性的电路拓扑 移相零电流开关 半桥变换器电路拓扑 电路拓扑得到了比较广泛的应用 开关电源效率的进一步提高成为社 会需求的更高目标 用原有的改善效率的解决方案无法达到目的 需要重新以电子器件的最 新发展为基础 研究高效率功率变换的基本思想和实现方式 通过上述的措施可以将开关电 源的效率提高到 85 以上 减小开关损耗的各种软开关技术受到了人们的青睐 软开关技术使开关管工作在零开关 状态 从而大大减小了开关损耗 提高了开关变换器的效率 准谐振开关技术结合了谐振技 术和PWM技术的优点 代表了开关电源的一个发展方向 但在整机产品的普及方面还需要许 多工作 本文以UC3867为核心芯片设计了一款零电流准谐振开关电源 长春工程学院毕业设计 论文 4 2 开关电源 2 1 开关电源的种类及特点 顾名思义 开关电源就是利用电子开关器件 如晶体管 场效应管 可控硅闸流管等 通过控制电路 使电子开关器件不停地 接通 和 关断 使电子开关器件对输入电压进 行脉冲调制 从而实现 DC AC DC DC 电压变换 以及输出电压可调和自动稳压 开关电源一般有三种工作模式 频率可变 脉冲宽度固定模式 频率固定 脉冲宽度可变模 式 频率 脉冲宽度可变模式 频率可变 脉冲宽度固定模式多用于 DC AC 逆 变 电 源 或 DC DC 电压变换 频率固定 脉冲宽度可变模式和频率 脉冲宽度可变模式多用于开 关稳压电源 同样 前一种工作方式多用于 DC AC 逆变电源 或 DC DC 电压变换 后两种 工作方式多用于开关稳压电源 根据开关器件在电路中连接的方式 目前比较广泛使用的开关电源 大体上可分为 串 联式开关电源 并联式开关电源 变压器式开关电源等三大类 其中 变压器式开关电源 后面简称变压器开关电源 还可以进一步分成 单端变换和双端变换等多种 根据变压器 的激励和输出电压的相位 又可以分成 正激式 反激式 自激式和它激式等多种 下面我们先对串联式 并联式 变压器式等三种最基本的开关电源工作原理进行简单介 绍 其它种类的开关电源也将逐步进行详细分析 2 1 1 串联式开关电源的工作原理 图 2 1 a 是串联式开关电源的最简单工作原理图 图 2 1 a 中 Ui 是开关电源的工作电压 即 直流输入电压 K 是控制开关 R 是负载 当控制开关 K 接通的时候 开关电源就向负 载 R 输出一个脉冲宽度为 Ton 幅度为 Ui 的脉冲电压 Up 当控制开关 K 关断的时候 又相 当于开关电源向负载 R 输出一个脉冲宽度为 Toff 幅度为 0 的脉冲电压 这样 控制开关 K 不停地 接通 和 关断 在负载两端就可以得到一个脉冲调制的输出电压 uo 图 2 1 b 是串联式开关电源输出电压的波形 由图中看出 控制开关 K 输出电压 uo 是一 个脉冲调制方波 脉 冲 幅 度 Up 等于输入电压 Ui 脉冲宽度等于控制开关 K 的接通时间 Ton 由此可求得串联式开关电源输出电压 uo 的平均值 Ua 为 1 i on ia UD T T UU 长春工程学院毕业设计 论文 5 uo Ui Up Ua TonToff T b 0 图 2 1 串联式开关电源电路图及其输出波形 式中 Ton 为控制开关 K 接通的时间 T 为控制开关 K 的工作周期 改变控制开关 K 接通 时间 Ton 与关断时间 Toff 的比例 就可以改变输出电压 uo 的平均值 Ua 一般人们都把 称 为占空比 Duty 用 D 来表示 即 2 T T D on 3 offon on TT T D 串联式开关电源输出电压 uo 的幅值 Up 等于输入电压 Ui 其 输 出电 压 uo 的平均值 Ua 总是小于输入电压 Ui 因此 串联式开关电源一般都是以平均值 Ua 为变量输出电压 所 以 串联式开关电源属于降压型开关电源 串联式开关电源也有人称它为斩波器 由于它工作原理简单 工作效率很高 因此其在 输出功率控制方面应用很广 例如 电动摩托车速度控制器以及灯光亮度控制器等 都是属 于串联式开关电源的应用 如果串联式开关电源只单纯用于功率输出控制 电压输出可以不 用接整流滤波电路 而直接给负载提供功率输出 但如果用于稳压输出 则必须要经过整流 滤波 串联式开关电源的缺点是输入与输出共用一个地 因此 容易产生 EMI 干扰和底板带电 当输入电压为市电整流输出电压的时候 容易引起触电 对人身不安全 2 1 2 反转式串联开关电源的工作原理 图 2 2 是另一种串联式开关电源 一般称为反转式串联开关电源 这种反转式串联开关 电源与一般串联式开关电源的区别是 这种反转式串联开关电源输出的电压是负电压 正好 长春工程学院毕业设计 论文 6 与一般串联式开关电源输出的正电压极性相反 并且由于储能电感 L 只在开关 K 关断时才向 负载输出电流 因此 在相同条件下 反转式串联开关电源输出的电流比串联式开关电源输 出的电流小一倍 在一般电路中大部分都是使用单极性电源 但在一些特殊场合 有时需要两组电源 其 中一组为负电源 因此 选用图 2 2 所示的反转式串联开关电源作为负电源是很方便的 图 2 2 中 Ui 为输入电源 K 为控制开关 L 为储能电感 D 为整流二极管 C 为储能滤波电 容 R 为负载电阻 当控制开关 K 接通的时候 输入电源 Ui 开始对储能电感 L 加电 流过 储能电感 L 的电流开始增加 同时电流在储能电感中也要产生磁场 当控制开关 K 由接通转 为关断的时候 储能电感会产生反电动势 使电流继续流动 并通过整流二极管 D 进行整流 再经电容储能滤波 然后向负载 R 提供电流输出 控制开关 K 不断地反复接通和关断过程 在负载 R 上就可以得到一个负极性的电压输出 图 2 2 反转式串联开关电源电路图 2 1 3 并联式开关电源的工作原理 并联式开关电源的工作原理比较简单 工作效率很高 因此应用很广泛 特别是在一些 小电子产品中 并联式开关电源作为 DC DC 升压电源应用最广 例如 很多使用干电池的 手提式电器 由于干电池的电压一般只有 1 5V 或 3V 为了提高工作电压 都是使用并联式 开关电源把工作电压提高一倍 并联式开关电源的缺点是输入与输出共用一个地 因此 容 易产生 EMI 干扰 图 2 3 a 中 Ui 是开关电源的工作电压 L 是储能电感 K 是控制开关 R 是负载 图 2 3 b 中 Ui 是开关电源的输入电压 Uo 是开关电源输出的电压 Up 是开关电源输出的峰值电 压 Ua 是开关电源输出的平均电压 长春工程学院毕业设计 论文 7 当控制开关 K 接通时 输入电源 Ui 开始对储能电感 L 加电 流过储能电感 L 的电流开 始增加 同时电流在储能电感中也要产生磁场 当控制开关 K 由接通转为关断的时候 储能 电感会产生反电动势 反电动势产生电流的方向与原来电流的方向相同 因此 在负载上会 产生很高的电压 uo Up Ua TonToff T b Ui 0 t 图 2 3 a 是并联式开关电源的最简单工作原理图 b 是并联式开关电源输出电压的波形 在 Ton 期间 控制开关 K 接通 储能滤波电感 L 两端的电压 eL 正好与输入电压 Ui 相 等 即 K 接通期间 4 UidtLdieL 对上式进行积分 可求得流过储能电感 L 的电流为 K 接通期间 5 0 0 it L U dt L U i i t i L 式中 iL 为流过储能电感 L 电流的瞬时值 t 为时间变量 i 0 为流过储能电感的初始 电流 即 开关 K 接通前瞬间流过储能电感的电流 一般当占空比 D 小于或等于 0 5 时 i 0 0 由此可以求得流过储能 电感 L 的最大电流 ILm 为 K 接通期间 D 0 5 6 on i Lm T L U I 式中 Ton 为控制开关 K 接通的时间 当图 2 3 a 中的控制开关 K 由接通状态突然转为关 断时 储能电感 L 会把其存储的能量 磁能 通过反电动势进行释放 储能电感 L 产生的反 电动势为 K 关断期间 7 UiiLRdtLdieL 长春工程学院毕业设计 论文 8 式中负号表示反电动势 eL 的极性与 4 式中的符号相反 即 K 接通与关断时电感的 反电动势的极性正好相反 对 7 式阶微分方程求解得 K 关断期间 8 t L R i L Ce R U i 式中 C 为常数 把初始条件代入上式 就很容易求出 C 由于控制开关 K 由接通状态突 然转为关断时 流过储能电感 L 中的电流 iL 不能突变 因此 i Ton 正好等于流过储能电 感 L 的最大电流 ILm 所以 8 式可以写为 K 关断期间 9 t L R on iii L i eT L U R U R U i 图 2 3 a 并联式开关电源输出电压 uo 等于 K 关断期间 10 t L R on i iio i eT L RU UUiLRu 由 10 式可以看出 当 t 0 时 即 K 关断瞬间 输出电压有最大值 K 关断瞬间 11 on i p T L U RU 当 t 等于很大时 并联式开关电源输出电压的值将接近输入电压 Ui 但这种情况一般不 会发生 因为控制开关 K 的关断时间等不了那么长 从 11 式可以看出 当并联式开关电源的负载 R 很大或开路时 输出脉冲电压的幅度 将非常高 因此 并联式开关电源经常用于高压脉冲发生电路 2 1 4 正激式变压器开关电源 正激式变压器开关电源输出电压的瞬态控制特性和输出电压负载特性 相对来说比较好 因此 工作比较稳定 输出电压不容易产生抖动 在一些对输出电压参数要求比较高的场合 经常使用 所谓正激式变压器开关电源 是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时 变压器 的次级线圈正好有功率输出 图 2 4 是正激式变压器开关电源的简单工作原理图 图 2 4 中 Ui 是开关电源的输入电 压 T 是开关变压器 K 是控制开关 L 是储能滤波电感 C 是储能滤波电容 D2 是续流二 极 管 D3 是削反峰二极管 R 是负载电阻 在图 2 4 中 需要特别注意的是开关变压器初 次级线圈的同名端 如果把开关变压器 长春工程学院毕业设计 论文 9 初线圈或次级线圈的同名端弄反 图 2 4 就不再是正激式变压器开关电源了 图 2 4 正激式变压器开关电源电路图 我们可知 改变控制开关 K 的占空比 D 只能改变输出电压的平均值 Ua 而输出电压 的幅值 Up 不变 因此 正激式变压器开关电源用于稳压电源 只能采用电压平均值输出方 式 图 2 4 中 储能滤波电感 L 和储能滤波电容 C 还有续流二极管 D2 就是电压平均值 输出滤波电路 其工作原理与图 2 2 的串联式开关电源电压滤波输出电路完全相同 这里不 再赘述 正激式变压器开关电源有一个最大的缺点 就是在控制开关 K 关断的瞬间开关电源变压 器的初 次线圈绕组都会产生很高的反电动势 这个反电动势是由流过变压器初线圈绕组的 励磁电流存储的磁能量产生的 因此 在图 2 4 中 为了防止在控制开关 K 关断瞬间产生反 电动势击穿开关器件 在开关电源变压器中增加一个反电动势能量吸收反馈线圈 N3 绕组 以及增加了一个削反峰二极管 D3 反馈线圈 N3 绕组和削反峰二极管 D3 对于正激式变压器开关电源是十分必要的 一方 面 反馈线圈 N3 绕组产生的感应电动势通过二极管 D3 可以对反电动势进行限幅 并把限幅 能量返回给电源 对电源进行充电 另一方面 流过反馈线圈 N3 绕组中的电流产生的磁场 可以使变压器的铁心退磁 使变压器铁心中的磁场强度恢复到初始状态 由于控制开关突然关断 流过变压器初级线圈的励磁电流突然为 0 此时 流过反馈线 圈 N3 绕组中的电流正好接替原来励磁电流的作用 使变压器铁心中的磁感应强度由最大值 Bm 返回到剩磁所对应的磁感应强度 Br 位置 即 流过反馈线圈 N3 绕组中电流是由最大值 长春工程学院毕业设计 论文 10 逐步变化到 0 的 由此可知 反馈线圈 N3 绕组产生的感应电动势在对电源进行充电的同时 流过反馈线圈 N3 绕组中的电流也在对变压器铁心进行退磁 2 1 5 反激式变压器开关电源工作原理 反激式变压器开关电源工作原理比较简单 输出电压控制范围比较大 因此 在一般电 器设备中应用最广泛 uo Upa Ua TonToff T 0 Upa Up Uo Ua Up t 图 2 5 反激式变压器开关电源电路图 所谓反激式变压器开关电源 是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时 变压器 的次级线圈没有向负载提供功率输出 而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载 提供功率输出 这种变压器开关电源称为反激式开关电源 图 2 5 a 是反激式变压器开关电源的简单工作原理图 图 2 5 a 中 Ui 是开关电源的输 入电压 T 是开关变压器 K 是控制开关 C 是储能滤波电容 R 是负载电阻 图 2 5 b 是反 激式变压器开关电源的电压输出波形 把图 2 5 a 与图 2 4 a 进行比较 如果我们把图 2 5 a 中开关变压器次级线圈的同名端对 调一下 原来变压器输出电压的正 负极性就会完全颠倒过来 图 2 5 b 所示的电压输出波 形基本上就是从图 2 5 b 的波形颠倒过来的 不过 因为图 2 5 b 的波形对应的是纯电阻负 载 而图 2 5 b 的负载是一个储能滤波电容和一个电阻并联 由于储能滤波电容的容量很大 其两端电压基本不变 变压器次级线圈输出电压 uo 相当于被整流二极管和输出电压 Uo 进行 限幅 因此 图 2 5 b 中输出电压 uo 的脉冲尖峰完全被削除 被限幅后的剩余电压幅值正好 等于输出电压 Uo 的最大值 Up 同时也等 于变压器次级线圈输出电压 uo 的半波平均值 Upa b 长春工程学院毕业设计 论文 11 2 1 6 双端式变压器开关电源 所谓双端式变压器开关电源 就是指在一个工作周期之内 变压器的初级线圈分别被直 流电压正 反激励两次 与单激式变压器开关电源不同 双端式变压器开关电源一般在整个 工作周期之内 都向负载提供功率输出 双端式变压器开关电源输出功率一般都很大 因此 双端式变压器开关电源在一些中 大型电子设备中应用很广泛 这种大功率双激式变压器开 关电源最大输出功率可以达 300 瓦以上 甚至可以超过 1000 瓦 推挽式 半桥式 全桥式等变压器开关电源都属于双激式变压器开关电源 1 推挽式变压器开关电源 在双激式变压器开关电源中 推挽式变压器开关电源是最常用的开关电源 由于推挽式 变压器开关电源中的两个控制开关 K1 和 K2 轮流交替工作 其输出电压波形非常对称 并且 开关电源在整个工作周期之内都向负载提供功率输出 因此 其输出电流瞬间响应速度很高 电压输出特性也很好 推挽式变压器开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源 它在输入电压很 低的情况下 仍能维持很大的功率输出 所以推挽式变压器开关电源被广泛应用于 DC AC 逆 变器 或 DC DC 转换器电路中 2 半桥式变压器开关电源 半桥式变压器开关电源也属于双激式变压器开关电源 从原理上来说 半桥式变压器开 关电源也属于推挽式变压器开关电源 它是多种推挽式变压器开关电源家庭成员之一 在半 桥式变压器开关电源中 也是两个控制开关 K1 和 K2 轮流交替工作 开关电源在整个工作周 期之内都向负载提供功率输出 因此 其输出电流瞬间响应速度很高 电压输出特性也很好 由于半桥式变压器开关电源的两个开关器件工作电压只有输入电压的一半 因此 半桥 式变压器开关电源比较适用于工作电压比较高的场合 图 2 6 是交流输出半桥式变压器开关电源的工作原理图 图中 K1 K2 是两个控制开关 它们工作的时候 总是一个接通 另一个关断 两个控制开关轮流交替工作 电容器 C1 C2 是储能滤波电容 同时也是电源分压电容 它们把电源电压一分为二 一个充满电的电容 我们可以把它看成是一个电源 因此 我们可以把电容器 C1 C2 看成是两个电源串联对变 压器负载供电 T 为开关变压器 N1 为变压器的初级线圈 N2 为变压器的次级线圈 Ui 为 长春工程学院毕业设计 论文 12 直流输入电压 R 为负载电阻 uo 为输出电压 io 为流过负载的电流 从图 2 6 原理图中可以看出 电容器 C1 和 C2 与控制开关 K1 和 K2 正好组成一个电桥的 两臂 变压器作为负载被跨接于电桥两臂的中间 但由于电容器 C1 和 C2 的参数或电压基本 上没有跟随控制开关 K1 和 K2 的导通和截止同步变动 并且在实际应用中为了节省成本 经 常只使用一个电容器 C1 或 C2 因此 我们把图 2 6 的电路称为半桥式开关电源电路 或半 桥式变压器开关电源 图 2 6 中 电容器 C1 C2 首先要被输入电源 Ui 充电 两个充满电的电容器相当于两个 电源串联 当控制开关 K1 接通时 电容器 C1 两端的电压被加到变压器初级线圈 N1 绕组的 a b 两端 电容器 C1 将通过变压器初级线圈 N1 绕组进行放电 同时 由于互感的作用在变 压器次级线圈 N2 绕组的两端也会输出一个与 N1 绕组输入电压成正比的电压 并加到负载 R 的两端 使开关电源输出一个正半周电压 当控制开关 K1 由接通转为关断时 控制开关 K2 则由关断转为接通 电容器 C2 两端的 电压被加到变压器初级线圈 N1 绕组的 b a 两端 电容器 C2 也将通过变压器初级线圈 N1 绕 组进行放电 同理 由于电磁感应的作用在变压器次级线圈 N2 绕组的两端也会输出一个与 N1 绕组输入电压成正比的电压 并加到负载 R 的两端 使开关电源输出一个负半周电压 由于电容器 C1 放电电流的方向正好与电容器 C2 放电电流的方向相反 因此 在变压器 次级线圈 N2 绕组的两端输出电压 uo 是一个脉冲宽度与控制开关 K1 或 K2 接通时间对应 的方波 由于输入电源 Ui 直接与串联电容器 C1 和 C2 连接在一起 因此 在任一时刻 当一个 电容器在进行放电的时候 另一个电容器就会进行充电 两个电容器充 放电的电荷总是相 等 长春工程学院毕业设计 论文 13 图 2 6 半桥式变压器开关电源 半桥式变压器开关电源与推挽式变压器开关电源一样 由于两个开关管轮流交替工作 相当于两个开关电源同时输出功率 其输出功率约等于单一开关电源输出功率的两倍 因此 半桥式变压器开关电源输出功率很大 工作效率很高 经桥式整流或全波整流后 输出电压 的电压脉动系数 Sv 和电流脉动系数 Si 都很小 仅需要很小的滤波电感和电容 其输出电压 纹波和电流纹波就可以达到非常小 半桥式变压器开关电源最大的优点是 对两个开关器件的耐压要求比推挽式变压器开关 电源对两个开关器件的耐压要求可以降低一半 因为 半桥式变压器开关电源两个开关器件 的工作电压只有输入电源 Ui 的一半 其最高耐压等于工作电压与反电动势之和 大约是电 源电压的两倍 这个结果正好是推挽式变压器开关电源两个开关器件耐压的一半 因此 半 桥式变压器开关电源主要用于输入电压比较高的场合 一般电网电压为交流 220 伏供电的大 功率开关电源大部分都是用半桥式变压器开关电源 半桥式开关电源的变压器初级线圈只需 要一个绕组 这也是它的优点 这对小功率开关电源变压器的线圈绕制多少带来一些方便 但对于大功率开关电源变压器的线圈绕制没有优势 因为 大功率开关电源变压器的线圈需 要用多股线来绕制 半桥式变压器开关电源的缺点主要是电源利用率比较低 因此 半桥式变压器开关电源 不适宜用于工作电压较低的场合 另外 半桥式变压器开关电源中的两个开关器件连接没有 公共地 与驱动信号连接比较麻烦 半桥式开关电源最大的缺点是 当两个控制开关 K1 和 K2 处于交替转换工作状态的时候 两个开关器件会同时出现一个很短时间的半导通区域 即两个控制开关同时处于接通状态 这是因为开关器件在开始导通的时候 相当于对电容充电 它从截止状态到完全导通状态需 要一个过渡过程 而开关器件从导通状态转换到截止状态的时候 相当于对电容放电 它从 导通状态到完全截止状态也需要一个过渡过程 当两个开关器件分别处于导通和截止过渡过程时 即两个开关器件都处于半导通状态时 半导通状态时 相当于两个控制开关同时接通 它们会造成对电源电压产生短路 此时 在 两个控制开关的串联回路中将出现很大的电流 而这个电流并没有通过变压器负载 因此 在两个控制开关 K1 和 K2 同时处于过渡过程期间 两个开关器件将会产生很大的功率损耗 为了降低控制开关过渡过程产生的损耗 一般在半桥式开关电源电路中 都有意让两个控制 长春工程学院毕业设计 论文 14 开关的接通和截止时间错开一小段时间 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 这是它 的优点 另外 单电容半桥式变压器开关电源刚开始工作的时候 输出电压差不多比双电容 半桥式变压器开关电源是输出电压高一倍 这种特点最适用于作为荧光灯电源 例如 节能 灯或日光灯以及 LCD 显示屏的背光灯等 3 全桥式变压器开关电源 全桥式变压器开关电源也属于双激式变压器开关电源 它同时具有推挽式变压器开关电 源电压利用率高 又具有半桥式变压器开关电源耐压高的特点 因此 全桥式变压器开关电 源经常用于工作电压高 输出大功率大的场合 2 2 开关电源的效率分析 现在的电源对于效率的要求越来越高了 从节能方面的要求讲也是希望提高效率 但是 效率提高的随之带来的是成本的提高 所以在效率与成本的权衡下选择效率提高的方式 下 面简单介绍一下开关电源中提高效率的方法 2 2 1 开关损耗 开关电源中的开关损耗占得比重是很大的 包括开关元器件 MOSFET 和次级 Diode 的开 关损耗 所以为了减小开关损耗 我们可以通过更改 Mosfet 的驱动电路来实现 使 Mosfet 的上升速度和下降速度比较快 这个样子可以实现开关损耗的减小 另外 Mosfet 的选取也是 比较重要的 我们应该选取一些极间寄生电容比较小的 Mosfet 这样子也是可以提高开关速 度 对于次级 Diode 的选取的话 我们可以通过选取一些 Trr 短的二极管 肖特基二极管 另外影响开关损耗的另一个关键的因素是变压器的漏感 如果可能的情况下 我们可以通过 减小变压器的漏感来减小整个开关电源的开关损耗 还有就是开关电源工作的时候 我们应 该设计的回路 尽可能的减小磁滞回线包含的面积 这个样子也能减小开关电源的损耗 提 高效率 还有就是选用谐振模式或者准谐振模式的电路拓扑结构 一样可以减少开关损耗 2 2 2 导通损耗 由于各个元器件并不是理想的元器件 所以工作的时候都有压降 这个过程中就产生了 导通损耗 对于 Mosfet 来说 他有个阈值电压 当 Gs 电压大于阈值电压时 就认为 Mosfet 打开了 但是我们要让他们工作在过驱动状态 这个样子能减小通态电阻 减小导通损耗 还有就是一个次级的整流二极管的导通损耗 很显然 减小 Vf 可以降低导通损耗 对于变压器来说 提高线径 可以减少 DCR 进而减小导通损耗 长春工程学院毕业设计 论文 15 2 2 3 其它的因素 对于整流来说 我们可以采用同步整流的方法 用 Mosfet 来做 这个样子 可以减少用 二极管来整流的导通损耗 长春工程学院毕业设计 论文 16 3 电路设计 3 1 软开关电路的种类 特点 新型的软开关电路根据发展历程可分成三类 一类是以谐振技术为代表的准谐振电路 一 般采用变频控制 PFM 第二类是零开关电路 第三类是零转换电路 第二类和第三类一般采 用脉冲宽度控制 PWM 3 1 1 准谐振型电路 准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波 因此称之为准谐振 准谐振电路可以分为 零电压开关准谐振电路 零电流开关准谐振电路 零电压开关多谐振电路 图 3 1 所示为准谐 振电路的基本开关单元 图 3 1 b 所示为零电压开关准谐振电路及工作波形 电路中所增加 的谐振电感 Lr 和谐振电容 Cr 与电路中的滤波电容 C 和滤波电感 L 相比要小得多 当软开关 电路中 S 关断后 谐振电感 Lr 和谐振电容 Cr 发生谐振 电路中电压或电流的波形类似于正 弦半波 开关 S 两端的电压在开通前就已经降为了零 从图 3 1 b 可以看出谐振的引入使得 电路的开关损耗和开关躁声都大大下降 但也带来一些负面问题 谐振电压峰值高 要求电力 电子器件的耐压必须提高 而谐振电流的有效值很大 电路中存在大量的无功功率的交换 导 致电路导通损耗加大 谐振周期随输入电压 负载变化而变化 a 零电压开关准谐振电路的基本开关单元 b 零电流开关准谐振电路的基本开关单元 c 零电压开关多谐振电路的基本开关单元 图 3 1 准谐振电路的基本开关单元 3 1 2 零开关 PWM 电路 这类电路中引入了辅助开关来控制谐振的开始时刻 使谐振仅发生于开关过程前后 零 开关 PWM 电路可分为零电压开关 PWM 电路 ZVS PWM 和零电流开关 PWM ZCS PWM 图 3 2 所示为零电压开关和零电流开关 PWM 电路基本开关单元 其中 S1 为主开关 S2 为 长春工程学院毕业设计 论文 17 辅助开关 a 零电压开关 PWM 电路基本开关单元 b 零电流开关 PWM 电路基本开关单元 图 3 2 零电压开关和零电流开关 PWM 电路基本开关单元 Vgs1 Vgs2 Vg1 Vg2 Ig1 Ig2 b a ZCS PWM 的电路 b ZCS PWM 的波形图 图 3 3 ZCS PWM 电路及波形图 长春工程学院毕业设计 论文 18 图 3 3 所示为 ZCS PWM 电路及波形图 为了使主开关 S1 零电流关断 又引入了辅助 开关 S2 主开关 S1 首先开通 通过开关 S1 的电流逐渐增加至输入电流值 此时二极管 VD1 VD2 关断 电容 Cr 反向充电至 Vo 辅助开关 S2 开通后 电容 Cr 与 Lr2 谐振 当电 容 Cr 两端电压降至零时 二极管 VD1 导通 电容 C r 与电感 Lr1 Lr2 谐振至二极管 VD3 VD4 开通 两开关 S1 S2 实现 ZCS 关断 此电路可以使开关 S1 S2 实现了 ZCS 关 断 但两开关是硬开通 电容 Cr 与电感 Lr2 电容 Cr 与电感 Lr1 Lr2 的谐振回路要通过输出 端 会增大输出端的电压波动 从图 3 3 可以看出 零开关电路同谐振电路相比有很多明显优势 电压和电流基本上是方 波 只是上升沿和下降沿较缓 开关承受的电压明显降低 电路可以采用开关频率固定的 PWM 控制方式 3 1 3 零转换 PWM 电路 这类软开关电路仍然采用辅助开关控制谐振的开始时刻 谐振电路是与主开关并联的 因此输入电压和负载电流对电路的谐振过程影响很小 电路在很宽的输入电压范围内从零负 载到满载都能工作在软开关状态 电路中无功功率的交换被削减到最小 这使得电路效率有 了进一步提高 此类电路可分为零电压转换 PWM ZVT PWM 和零电流转换 PWM ZCT PWM 如图 3 4 所示为零电压转换和零电流转换 PWM 电路的基本开关单元 a 零电压转换基本开关单元 b 零电流转换基本开关单元 图 3 4 零电压转换和零电流转换 PWM 电路基本开关单元 图 3 5 所示电路为 ZVT PWM 电路及波形图 主开关 S1 关断后 其寄生电容 Cr1 被恒 流充电至输出电压 VO 为辅助开关 S2 提供 ZV ZCS 关断 此时二极管 VD0 及 VD4 导通 开 关 S2 关断后 电感 Lr 与开关 S2 寄生电容 Cr2 发生谐振至开关 S2 两端电压等于 VO 二极管 VD3 导通 当流过电感 L r 的电流减少至零时 电感 Lr 与开关 S1 S2 的寄生电容 Cr1 Cr2 长春工程学院毕业设计 论文 19 谐振 谐振结束时 开关 S 1 和 S 2 两端电压与流过两开关的电流均为零 开关 S 1 和 S 2 实 现了 ZV ZCS 开通 此电路使开关 S 1 S 2 实现 ZV ZCS 开通 S1 实现了 ZV S 关断 二极管的反向恢复得到抑制 开关电压电流应力较小电路结构简单 但电感 L r 始终有电流 流过 导致电流中环流较大 增大通态损耗 Vgs1 Vgs2 Vg1 Vg2 Ig1 Ig2 b a ZVT PWM 的电路 b ZVT PWM 的波形图 图 3 5 ZVT PWM 电路及波形图 3 2 软开关电路的选用原则 开关电源在输入抗干扰性能上 由于其自身电路结构的特点 多级串联 一般的输入 干扰如浪涌电压很难通过 在输出电压稳定度这一技术指标上与线性电源相比具有较大的优 长春工程学院毕业设计 论文 20 势 其输出电压稳定度可达 0 5 1 开关电源模块作为一种电力电子集成器件 在选用 中应注意以下几点 3 2 1 输出电流的选择 因开关电源工作效率高 一般可达到 80 以上 故在其输出电流的选择上 应准确测量 或计算用电设备的最大吸收电流 以使被选用的开关电源具有高的性能价格比 通常输出计 算公式为 Is KIf 式中 Is 开关电源的额定输出电流 If 用电设备的最大吸收电流 K 裕量系数 一般取 1 5 1 8 3 2 2 接地 开关电源比线性电源会产生更多的干扰 对共模干扰敏感的用电设备 应采取接地和屏 蔽措施 按 ICE1000 EN61000 FCC 等 EMC 限制 形状开关电源均采取 EMC 电磁兼容措施 因此开关电源一般应带有 EMC 电磁兼容滤波器 如利德华福技术的 HA 系列开关电源 将其 FG 端子接大地或接用户机壳 方能满足上述电磁兼容的要求 3 2 3 保护电路 开关电源在设计中必须具有过流 过热 短路等保护功能 故在设计时应首选保护功能 齐备的开关电源模块 并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配 以避免 损坏用电设备或开关电源 3 2 4 开关电源技术的发展动向 开关电源的发展方向是高频 高可靠 低耗 低噪声 抗干扰和模块化 由于开关电源 轻 小 薄的关键技术是高频化 因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智 能化的元器件 特别是改善二次整流器件的损耗 并在功率铁氧体 Mn Zn 材料上加大科 技创新 以提高在高频率和较大磁通密度 Bs 下获得高的磁性能 而电容器的小型化也是 一项关键技术 SMT 技术的应用使得开关电源取得了长足的进展 在电路板两面布置元器件 以确保开关电源的轻 小 薄 开关电源的高频化就必然对传统的 PWM 开关技术进行创新 实现 ZVS ZCS 的软开关技术已成为开关电源的主流技术 并大幅提高了开关电源工作效率 对于高可靠性指标 美国的开关电源生产商通过降低运行电流 降低结温等措施以减少器件 长春工程学院毕业设计 论文 21 的应力 使得产品的的可靠性大大提高 模块化是开关电源发展的总体趋势 可以采用模块化电源组成分布式电源系统 可以设 计成 N 1 冗余电源系统 并实现并联方式的容量扩展 针对开关电源运行噪声大这一缺点 若单独追求高频化其噪声也必将随着增大 而采用部分谐振转换电路技术 在理论上即可实 现高频化又可降低噪声 但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题 故仍需在这一 领域开展大量的工作 以使得该项技术得以实用化 长春工程学院毕业设计 论文 22 4 准谐振开关电源的设计 4 1 主电路的设计 准谐振开关电源是一个完整的闭环系统 它包括主回路 控制回路和保护环节等 准谐 振开关电源的系统图如图4 1所示 保护电路检测 整流 滤波 功率主回路 DC DC 变 换 输出整 流滤波 隔离驱动 控制电路反馈及零检测辅助电源 ACDC 图4 1 准谐振开关电源的系统框图 由图4 1可看出准谐振开关电源的组成与传统PWM开关电源的结构类似 有所不同的是准 谐振电源的功率环节是准谐振变换器 控制电路采用频率调制而不是脉宽调制 另外 准谐 振开关电源比PWM开关电源多了一个零检测环节 以实现零电压或零电流准谐振变换器 4 1 1 半桥变换器电路 半桥变换器电路如图 4 2 所示 图 4 2 半桥电路原理图 电路的工作过程 Sl 与 S2 交替导通 使变压器一次侧形成幅值为 Ui 2 的交流电压 改 变开关的占空比 就可以改变二次侧整流电压 Ud 的平均值 也就改变了输出电压 Uo 长春工程学院毕业设计 论文 23 S1 导通时 二极管 VD1 处于通态 S2 导通时 二极管 VD2 处于通态 当两个开关都关 断时 变压器绕组中的电流为零 VD1 和 VD2 都处于通态 各分担一半的电流 Sl 或 S2 1 N 导通时电感 L 的电流逐渐上升 两个开关都关断时 电感 L 的电流逐渐下降 S1 和 S2 断态 时承受的最高电压为 Ui 由于电容的隔离作用 半桥电路对由于两个开关导通时间不对称而 造成的变压器一次侧电压的直流分量有自动平衡作用 因此不容易发生变压器的偏磁和直流 磁饱和 当滤波电感 L 的电流连续时输出电压的计算 12 TN N Ui Uoton 1 2