DC-DC 开关电源设计报告

. ;. DC-DC 开关电源设计 摘要摘要 : :随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的 广泛应用, 人们对其需求量日益增长, 并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方 面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步 取代了效率低、又笨又重的线性电源。 电力电子技术的发展，特别是大功率器件 IGBT 和 MOSFET 的迅速发展，将开关电 源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源 技术的主要用途之一是为信息产业服务。 本文介绍了一款基于 PWM 技术的 DC-DC 开关稳压电源。输出纹波小，电压稳定可 靠. 关键词关键词 ：开关电源，：开关电源，DC-DCDC-DC，AP1501AAP1501A，高频变压器，高频变压器 Abstract : With the switching power supply in the computer, communications, aerospace, instruments and household appliances such as extensive use of the growing demand of its people, and the efficiency of the power, volume, weight and reliability, raised more high demand. Switching power supply with its high efficiency, small size and light weight advantages of gradually replaced in many ways inefficient, heavy, clunky, linear power supply. The development of power electronics technology, particularly high-power IGBT and MOSFET devices the rapid development of the switching power supply operating frequency up to very high level where it has a high stability and high cost performance and other characteristics. Switching power supply technology is one of the main uses for the information industry services. This article describes a technique based on the PWM DC-DC switching power supply. Output ripple voltage is stable and reliable. Keywords: switching power supply, DC-DC, AP1501A, high frequency transformer . ;. 目 录 1 1前言前言 .1 1.1课题背景.1 1.1.11 开关电源的三个重要发展阶段.1 1.2开关电源技术的亮点.2 1.2.1功率半导体器件性能.2 1.2.2开关电源功率密度.2 1.3DC-DC 发展概况 .3 1.3.1DC/DC转换器对工艺技术提出新要求.3 1.3.2DC/DC转换器对电路设计的新要求.4 1.3.3DC/DC控制器向数字多相发展.5 1.4本论文的内容及研究意义.6 2 2开关电源的分类及主要应用开关电源的分类及主要应用 .6 2.1开关电源的分类.6 2.1.1常见的开关电源型式.6 2.1.2DC/DC 变换.7 2.2开关电源的主要应用技术.7 2.2.1高频磁性元件.7 2.2.2软开关技术.7 2.2.3同步整流技术.8 2.2.4功率因数校正(PFC)变换器.8 2.2.5电磁兼容性.8 2.2.6系统集成技术.9 3 3系统方案设计系统方案设计 .9 3.1系统框图.9 3.2DC-DC 芯片选型 .10 3.2.1DC-DC选型的基本原则.10 3.3本系统 DC-DC 选型 .10 4 4系统硬件设计系统硬件设计 .11 4.1电路原理简介.11 4.2AP1501A 简介.11 4.3220V 转 DC12V 电路设计.12 4.3.1AC-DC电压变换电路原理图设计.12 4.4DC-DC 原理图设计 .13 4.5效率的分析及计算.13 5 5结论与展望结论与展望 .14 6 6鸣鸣 谢谢 .15 7 7参考文献参考文献 .15 . ;. 8附附 录：总电路图录：总电路图 .16 . ;. 1前言 1.1 课题背景课题背景 开关稳压电源(以下简称开关电源)问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源 和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿， 但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制(PWM)技术的发展，PWM 开关电源问世， 它的特点是用 20kHz 的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达 65%70%，而线性电源 的效率只有 3040。因此，用工作频率为 20 kHz 的 PWM 开关电源替代线性电源， 可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为 20kHz 革命。 随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不断减 小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池 的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的电源。因此， 对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。此外，还 要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。这一切高新要求便促进了开关 电源的不断发展和进步。 1.1.11.1.1 1 1 开关电源的三个重要发展阶段开关电源的三个重要发展阶段 40 多年来，开关电源经历了三个重要发展阶段。 第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GT0)发展为 MOS 型器件 (功率 MOS-FET、IGBT、IGCT 等)，使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低 导通损耗，电路也更为简单。 第二个阶段自 20 世纪 80 年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变 换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去 20 年国际电力电子 界研究的热点之一。 第三个阶段从 20 世纪 90 年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子模块 (IPEM)技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。 . ;. 1.2 开关电源技术的亮点开关电源技术的亮点 1.2.11.2.1 功率半导体器件性能功率半导体器件性能 1998 年，Infineon 公司推出冷 MOS 管，它采用“超级结”(Super-Junction)结构， 故又称超结功率 MOSFET。工作电压 600800V，通态电阻几乎降低了一个数量级，仍保 持开关速度快的特点，是一种有发展前途的高频功率半导体器件。 IGBT 刚出现时，电压、电流额定值只有 600V、25A。很长一段时间内，耐压水平 限于 12001700V，经过长时间的探索研究和改进，现在 IGBT 的电压、电流额定值已分 别达到 3300V1200A 和 4500V1800A，高压 IGBT 单片耐压已达到 6500V，一般 IGBT 的工作频率上限为 2040kHz，基于穿通(PT)型结构应用新技术制造的 IGBT，可工作于 150kHz(硬开关)和 300kHz(软开关)。 IGBT 的技术进展实际上是通态压降，快速开关和高耐压能力三者的折中。随着工 艺和结构形式的不同，IGBT 在 20 年的发展进程中，有以下几种类型：穿通(PT)型、非 穿通(NPT)型、软穿通(SPT)型、沟漕型和电场截止(FS)型。 碳化硅(SiC)是功率半导体器件晶片的理想材料，其优点是禁带宽、工作温度高 (可达 600)、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN 结耐压高等， 有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。 可以预见，碳化硅将是 21 世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料。 1.2.21.2.2 开关电源功率密度开关电源功率密度 提高开关电源的功率密度，使之小型化、轻量化，是人们不断追求的目标。这对 便携式电子设备(如移动电话，数字相机等)尤为重要。使开关电源小型化的具体办法 有以下几种。 一是高频化。为了实现电源高功率密度，必须提高 PWM 变换器的工作频率、从而 减小电路中储能元件的体积重量。 二是应用压电变压器。应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高 功率密度。压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压-振动”变换和“振动-电压” 变换的性质传送能量，其等效电路如同一个串并联谐振电路，是功率变换领域的研究 热点之一。 三是采用新型电容器。为了减小电力电子设备的体积和重量，须设法改进电容器 的性能，提高能量密度，并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器，要 . ;. 求电容量大、等效串联电阻(ESR)小、体积小等。 1.3 DC-DC 发展概况发展概况 近几年由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广，DC/DC 转换器的应 用越来越广，其增幅已经超出了一次电源。 随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用，DC/DC 转换器功率密度越来 越大，转换效率越来越高。据专业电源市场调研公司 VDC 公司预测，全球 DC/DC 转换 器出货量由 2002 年的 20 亿增长到 2007 年的 25 亿(见图 1)。在全球 DC/DC 转换器市场 迅速增长的同时，以下几个发展趋势值得关注： 低电压大电流的需求推动模块电源的不断发展。比如数据通讯领域中 5V 输出所占 的比例从 30%下降到 11%。 非隔离式 DC/DC 转换器比隔离式增长更快。 分布式电源比集中式电源发展快，其中 IBA 系统会成为主要方式。 DC/DC 转换器对工艺技术提供新的要求，并采用一些创新的封装。 混合集成技术、高频化技术的不断发展将导致功率密度进一步提高。 设计日趋标准化，控制电路倾向于采用数字控制方式。 控制器件向多相位发展，目前已有 6 相产品。 我们将对其中一些趋势展开分析，并对用户选择 DC/DC 转换器提供建议。 1.3.11.3.1 DC/DCDC/DC 转换器对工艺技术提出新要求转换器对工艺技术提出新要求 DC/DC 转换器的发展与半导体集成、封装技术以及电路拓扑的发展联系紧密，并对 半导体工艺提出了新的要求，包括： 1. 降低热阻，改善散热降低热阻，改善散热 虽然中大功率 DC/DC 转换器的效率有了很大提高，但由于功率密度较大，如果发热 元件的热量不能及时散出，就会严重影响模块的寿命，甚至会因为过热造成失效。为 改善散热，目前中大功率转换器大都采用多块基板叠合封装技术，控制电路采用普通 印制板置于顶层，而功率电路采用导热性能优良的板材置于底层。早期的中大功率转 换器先后采用陶瓷基板、直接键合铜技术(Direct Copper Bond，DCB)和绝缘金属基板 (Insutalted Mental Substrate，IMS)来改善散热。现在，前两种已很少采用，而绝 . ;. 缘金属基板方式由于绝缘性能好、机械强度高、导热性能好而得到一致认可，成为转 换器结构的主流及提高转换器功率密度的关键。 随着分布式供电方式的大量运用和系统小型化需求越来越多，用户在使用时不希望 给转换器添加散热器，而靠系统的强制风冷给转换器进行散热，因此敞开式高效低造 型转换器成为发展的主流。这种转换器采用一块多层厚铜箔 PCB 代替常规的多块 PCB 层叠结构，通过多层厚铜箔 PCB 为载体将功率器件、磁性器件和控制电路集成在一起。 这种结构可以减少磁性器件的焊点或消除焊点、减少寄生参数、提高转换器效率；另 外通过电路和器件的适当选择，多层厚铜箔线路的适当分布，可以使转换器模块的温 度均匀分布，提高模块的可靠性。缺点就是对外界散热条件依赖比较大，使用时要求 比较大的功率降额。随着系统散热问题的解决，这种结构的转换电源将会得到越来越 广泛的使用。 2. 混合集成技术的采用混合集成技术的采用 为提高功率密度，近年开发的 DC/DC 转换模块无一例外地采用表面贴装技术。而转 换器中的器件主要分为控制器件和功率器件，要提高功率密度就必须从这两方面入手。 由于控制电路不能提供输出功率，因此应尽量减小其所占体积；同时随着集成电路工 艺的发展，由分立器件组成的控制电路可被集成为一个控制芯片，从而进一步提高转 换器的功率密度。但由于功率器件设计时考虑的是几百伏电压、几百安电流、闪电式 诱发瞬变以及每微秒几百安的负载瞬变，研制完美性能的功率器件是较困难的，而要 大量生产就更加困难。所以为进一步减小体积，混合集成技术发展也很快，它指直接 购置裸片，经组装成为功能模块后封装，焊接于印制板上。这一方式功率密度更高， 寄生参数更小，因为采用相同材料的基片，不同器件的热匹配更好，提高了转换模块 的抗冷热冲击能力。 3. 采用扁平变压器和磁集成技术采用扁平变压器和磁集成技术 在中大功率转换器中，为满足标准高度的要求，大部分生产厂家自己定做磁芯。扁 平磁芯的变压器绕组制作存在一定难度，但采用这种磁芯可以进一步减小体积、缩短 引线长度、减小寄生参数。为减小焊点接触电阻，采用多层印制板的磁集成技术近年 来也得到了广泛的应用。 . ;. 1.3.21.3.2 DC/DCDC/DC 转换器对电路设计的新要求转换器对电路设计的新要求 DC/DC 转换器对电路设计也出了新的要求，包括高频化、软开关和低压输出等技术。 1. 高频化技术高频化技术 为缩小开关转换器的体积、提高功率密度、改善动态响应速度，小功率 DC/DC 转换 器的开关频率将由现在的 200-500KHz 提高到 1MHz 以上。但高频化又会产生新的问题， 如：开关损耗以及无源元件的损耗增大、高频寄生参数以及高频 EMI 等问题，这必须 通过合理的设计进行抑制。 2. 软开关技术软开关技术 为提高效率，各种软开关技术得到大量应用，包括无源无损(吸收网络)软开关技术 与 ZVS/ZCS 谐振、准谐振、恒频零开关技术等有源软开关技术。目的是为了减小开关 损耗以及开关应力，以实现高效率的高频化。 3. 低压输出技术低压输出技术 目前大量的低压器件应用，如 PDA、远程控制器、数码相机以及手机等便携式设备， 都是用电池经 DC/DC 变换进行供电的。其特点是负载变化大，多数情况下工作低于备 用模式，长期轻载运行。这就要求 DC/DC 变换器具有如下特征：a)负载变化的整个范 围内效率高。b)输出电压低，CMOS 电路的损耗与电压的平方成正比，供电电压低，则 电路损耗小。c)功率密度高。这种模块采用集成芯片的封装形式。低压输出技术的关 键是如何提高转换器的效率，降低转换器的纹波，提高系统的响应速度。 1.3.31.3.3 DC/DCDC/DC 控制器向数字多相发展控制器向数字多相发展 控制器件作为 DC/DC 转换器中的重要器件之一，向数字多相化发展已成为必然趋势。 单芯片多相控制器和类似产品成为组成高电流 DC/DC 转换器和 200A 电压调节模块(VRM)的 基本元素。因此，控制器供应商也在为推出多相产品而比拼。比如安森美近期推出的 NCP5316 芯片，该芯片的每相工作频率最高达 1MHz，据安森美称它是业内第一个 4/5/6 相控制器。 . ;. 美信推出的 MAX8525 是一种隔行扫描的 2 到 4 相器件，每相工作频率最高为 1.2MHz，也可以在 VRM10 主/从配置下达到 2 至 8 相。该公司表示，MAX8525 具有平均 电流模式控制器的电流共享精度，以及峰值电流模式控制器的瞬时响应。在 4 相模式 运行时，有效开关频率高达 4.8MHz，8 相模式下更是高达 9.6MHz。 为了解决用传统拓扑架构搭建可升级系统所面临的困难，国际整流器公司(IR)在去年 早些时候推出的 Xphase 架构，在这方面向前迈进了一步。该设计具有面向 n 相系统的 内置同步。在具有板外控制/同步 MOSFET 的典型操作中，一个 6 相转换器的效率可达 84%。 其它产品包括飞兆半导体的 FAN53168，它可以工作在 4 相模式，面向 VRM/VRD10 应用；Semtech 的 SC4201，这是一种最多具有 4 相控制的多相连接控制器，每相的工 作频率为 2MHz。 在低压便携应用方面，凌特推出了 LTC3425 DC/DC 控制器，它最多具有 4 相，输入 为 0.54.5V 时，提供 3A 和 5V 输出，用于便携式电脑和接口电子器件。 1.4 本论文的内容及研究意义本论文的内容及研究意义 开关电源体积小、效率高，被誉为高效节能电源，现己成为稳压电源的主导产品。 当今开关电源正向着集成化、智能化的方向发展。高度集成、功能强大的开关型稳压 电源代表着开关电源发展的主流方向。本论文主要围绕当前流行的集成开关电源芯片 进行了小功率开关型稳压电源特性的研究。 2 2开关电源的分类及主要应用开关电源的分类及主要应用 2.1 开关电源的分类开关电源的分类 边开发开关变频技术，人们开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件。两者相互促进 推动着开关电源每年以逾越两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方 向发展。开关电源可分为 AC/DC 和 DC/DC 两大类， DC/DC 变换器现已实现模块化，且设计 技术及生产工艺在国内外均已幼稚和标准化，并已得到用户的认可，但 AC/DC 模块化，因其 自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开 . ;. 关电源的结构和特性作以阐述。 2.1.12.1.1 常见的开关电源型式常见的开关电源型式 AC-DC：如个人用、家用、办公室用、工业用(电脑、周边、传真机、充电器) DC-AC：如车用转换器(12V115/230V) 、通信交换机振铃信号电源 AC-AC：如交流电源变压器、变频器、UPS 不间断电源 DC-DC：如可携带式产品(移动电话、笔计本电脑、摄影机，通信交换机二次电源) dc-dc 是指直流转换开关电源,在移动电话、笔计本电脑、摄影机等产品中,需将低压 直流电压变成高压直流电压,即进行 DC-DC 变换。 2.1.22.1.2 DC/DCDC/DC 变换变换 也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种， DC/DC 变换是将固定的直流电压变换成可变 的直流电压。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： 其输出平均电压 1 Buck 电路 降压斩波器。 U0 小于输入电压 Ui 极性相同。 其输出平均电压 2 Boost 电路 升压斩波器。 U0 大于输入电压 Ui 极性相同。 其 3 Buck Boost 电路 降压或升压斩波器。 电感传输。 输出平均电压 U0 大于或小于输入电压 Ui 极性相反。 其输出平均电 4 Cuk 电路 降压或升压斩波器。 电容传输。 压 U0 大于或小于输入电压 Ui 极性相反。 2.2 开关电源的主要应用技术开关电源的主要应用技术 2.2.12.2.1 高频磁性元件高频磁性元件 电源系统中应用大量磁元件，高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元 件，有许多问题需要研究。对高频磁元件所用的磁性材料，要求其损耗小、散热性能 . ;. 好、磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，纳米结晶软磁材料也 已开发应用。 2.2.22.2.2 软开关技术软开关技术 频化以后，为了提高开关电源的效率，必须开发和应用软开关技术。它是过去几 十年国际电源界的一个研究热点。 PWM 开关电源按硬开关模式工作(开关过程中电压下降上升和电流上升下降 波形有交叠)，因而开关损耗大。高频化虽可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了。 为此，必须研究开关电压电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关(ZVS)零电流 开关(ZCS)技术，或称软开关技术，小功率软开关电源效率可提高到 800%85%。上世纪 70 年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础。随后新的软开关技术不断涌现，如准 谐振(上世纪 80 年代中)全桥移相 ZVS-PWM，恒频 ZVS-PWMZCS-PWM(上世纪 80 年代末) ZVS-PWM 有源嵌位；ZVT-PWMZCT-PWM(上世纪 90 年代初)全桥移相 ZV-ZCS-PWM(上世 纪 90 年代中)等。我国已将最新软开关技术应用于 6kW 通信电源中，效率达 93。 2.2.32.2.3 同步整流技术同步整流技术 对于低电压、大电流输出的软开关变换器，进一步提高其效率的措施是设法降低 开关的通态损耗。例如同步整流(SR)技术，即以功率 MOS 管反接作为整流用开关二极 管，代替萧特基二极管(SBD)，可降低管压降，从而提高电路效率。 2.2.42.2.4 功率因数校正功率因数校正(PFC)(PFC)变换器变换器 由于 ACDC 变换电路的输入端有整流器件和滤波电容，在正弦电压输入时，单相 整流电源供电的电子设备，电网侧(交流输入端)功率因数仅为 0.6-0.65。采用功率因 数校正(PFC)变换器，网侧功率因数可提高到 0.950.99，输入电流 THD10。既治理 了对电网的谐波污染，又提高了电源的整体效率。这一技术称为有源功率因数校正 (APFC)，单相 APFC 国内外开发较早，技术已较成熟；三相 APFC 的拓扑类型和控制策 略虽然已经有很多种，但还有待继续研究发展。 一般高功率因数 ACDC 开关电源，由两级拓扑组成，对于小功率 ACDC 开关电 源来说，采用两级拓扑结构总体效率低、成本高。如果对输入端功率因数要求不特别 高时，将 PFC 变换器和后级 DCDC 变换器组合成一个拓扑，构成单级高功率因数 ACDC 开关电源，只用一个主开关管，可使功率因数校正到 0.8 以上，并使输出直流 电压可调，这种拓扑结构称为单管单级 PFC 变换器。 . ;. 2.2.52.2.5 电磁兼容性电磁兼容性 高频开关电源的电磁兼容(EMC)问题有其特殊性。功率半导体器件在开关过程中所 产生的 didt 和 dvdt，将引起强大的传导电磁干扰和谐波干扰，以及强电磁场(通 常是近场)辐射。不但严重污染周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，还可 能危及附近操作人员的安全。同时，电力电子电路(如开关变换器)内部的控制电路也 必须能承受开关动作产生的 EMI 及应用现场电磁噪声的干扰。上述特殊性，再加上 EMI 测量上的具体困难，在电力电子的电磁兼容领域里，存在着许多交叉学科的前沿课题 有待人们研究。国内外许多大学均开展了电力电子电路的电磁干扰和电磁兼容性问题 的研究，并取得了不少可喜成果。 2.2.62.2.6 系统集成技术系统集成技术 电源设备的制造特点是非标准件多、劳动强度大、设计周期长、成本高、可靠性 低等，而用户要求制造厂生产的电源产品更加实用、可靠性更高、更轻小、成本更低。 这些情况使电源制造厂家承受巨大压力，迫切需要开展集成电源模块的研究开发，使 电源产品的标准化、模块化、可制造性、规模生产、降低成本等目标得以实现。 实际上，在电源集成技术的发展进程中，已经经历了电力半导体器件模块化，功 率与控制电路的集成化，集成无源元件(包括磁集成技术)等发展阶段。近年来的发展 方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上，可以使电源产品更为紧凑，体积更小， 也减小了引线长度，从而减小了寄生参数。在此基础上，可以实现一体化，所有元器 件连同控制保护集成在一个模块中。 上世纪 90 年代，随着大规模分布电源系统的发展，一体化的设计观念被推广到更 大容量、更高电压的电源系统集成，提高了集成度，出现了集成电力电子模块(IPEM)。 IPEM 将功率器件与电路、控制以及检测、执行等单元集成封装，得到标准的，可制造 的模块，既可用于标准设计，也可用于专用、特殊设计。优点是可快速高效为用户提 供产品，显著降低成本，提高可靠性。 3 3系统方案设计系统方案设计 3.1 系统框图系统框图 构思整个系统由哪些功能模块组成，以及各个功能模块之间的互相控制关系，将各功 能模块联系起来画出总体功能模块图。 . ;. 3.2 DC-DC 芯片选型芯片选型 目前市场上 DC/DC 转换模块的品牌和种类繁多，国际大厂商包括 Tyco, Vicor, Emerson, Power-one, SynQor 和 Artesyn 等公司，表 1 列出了北美和欧洲 DC/DC 转换 器的前 10 名供应商(2003 年 5 月排名)。此外，中国本地较大的 DC/DC 转换器厂商还包 括：艾默生网络能源、北京新雷能、北京迪赛和中兴通讯等公司。其中，艾默生网络 能源的销售额远远多于其它厂商。 3.2.13.2.1 DC-DCDC-DC 选型的基本原则选型的基本原则 1. 根据需要选择适当的产品根据需要选择适当的产品 在选择产品之前要明确知道自己的切实需求，否则选用的产品不能充分体现其使用 价值，实际上是增加了设计和材料成本。 2. 选型必须符合电源的发展趋势选型必须符合电源的发展趋势 最好是选用符合电源发展趋势的产品，这种转换器一般更能符合用户的需求，同时 为一种模块多个用途打下良好的基础；另外该类转换器技术应比较成熟、可靠性高、 价格相对合理、货源比较充足，产品生命周期也比较长。如果选择非主流产品，以后 在采购、生产和维护中会出现一系列的问题，会影响系统的可靠性和竞争力。 3. 新系列的选型必须慎重，应兼顾标准封装和可靠性问题新系列的选型必须慎重，应兼顾标准封装和可靠性问题 电源输入DC-DC 电源模块 补偿采样 滤波电路滤波电路 . ;. 转换器的可靠性总是处于第一位的，在新系列选型时要对转换器的可靠性进行充分 论证和测试，可靠性不能保证的产品即使价格再低也是不值得考虑的。另外还应该考 虑转换器的封装和功能是否是兼容的，如果该转换器封装和功能很特殊，没有其它品 牌的产品与之兼容，使用这种转换器会遭受独家垄断所带来的一切负面影响。 3.3 本系统本系统 DC-DC 选型选型 AP1501A 大电流 DC/DC 降压 5A PWM 降压 DC/DC，TO263/220，输入 3.6-45V，转 换效率高达% . 4 4系统硬件设计系统硬件设计 4.1 电路原理简介电路原理简介 开关管开通和关断的时间比率，开关电源是利用现代电力电子技术。维持稳定输出电压的 一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（ PWM 控制 IC 和 MOSFET 构成。开关电源和线性 电源相比，二者的利息都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源本钱在 某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为利息反转点。随着电力电子技术的发展和 创新，使得开关电源技术也在不时地创新，这一利息反转点日益向低输出电力端移动，这为开 关电源提供了广阔的发展空间。 高频化使开关电源小型化，开关电源高频化是其发展的方向。并使开关电源进入更广泛的 应用领域，特别是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、节约资源及维护环境方面都具有重要的意义。 开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、 IGBT 和 MOSFET GP 驱动困难， SCR 开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用。开关频率低，逐 渐被 IGBT 和 MOSFET 取代。 开关电源的三个条件 1 开关：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态 . ;. 2 高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频 3 直流：开关电源输出的直流而不是交流 4.2 AP1501A 简介简介 本设计利用 1501A 作为主控芯片,AP1501A 是一颗性能优良的 DC-DC 集成芯片,其输 出电压稳,电流可达 3-5A,纹波小，现在已成为很经典的低电压 DC-DC 应用 ICAP1501 是一颗 150KHz 3A PWM Buck DC/DC Converter ，其电能转换效率 (Conversion Efficiency) 最高可达 90% 以上。 AP1501 内建 Switch 来驱动 3A 的负载电流，可 省去外挂的电晶体，其切换频率 (Switching Frequency) 达 150KHz ，可大为降低搭 配的电感和电容的乘积，从而有效节省 PCB 的使用面积。 AP1501 系列提供固定电压 与可调电压二种工作方式，方便于系统设计人员的弹性运用。固定电压方式的 AP1501 接受 4.5V 到 45V 的输入电压，而提供稳定的 3.3V ， 5V 及 12V 的输出电压。可 调电压方式的 AP1501 则随系统设计需要提供 1.23V 至 42V 的任意输出电压，并保 证最大总体误差为 4% 。 AP1501 具备限流 (Current Limit) 与热停机 (Thermal Shutdown) 等保护功能， 并额外建置外部控制的开 / 关 (On/Off Logic) ，使得系统设计人员可以容易地启动 省电 (Stand-by) 方式，在省电方式下， AP1501 的功耗仅有 150A ，多用于车载 电子产品如 Car DVD 、 LCD Monitor(TV) 、 XDSL 等； AP1501 采用标准的 5-Lead TO220 和 5-Lead TO263 封装，完全兼容国半的 LM2596 、 LM2576 。此系列的其它 型号 AP1506(7) 相对 AP1501 只是最高的输入电压为 24V ，在低压输入的情况下提 供成本更好的解决方案，其中 AP1507 采用标准的 TO252 封装，兼容 PQ1CG2032 。 4.3 220V 转转 DC12V 电路设计电路设计 4.3.14.3.1 AC-DCAC-DC 电压变换电路原理图设计电压变换电路原理图设计 . ;. 本电路设计为后续的 DC DC 电路供电。 AC220 市电经 220V9V 变压器变压，然 后经桥式整流电路，再经电容滤波电路，变成直流 12.6 左右给后面的 DC-DC 电路作为 输入电压。 流程图如下图所示： 在系统中，重点是讲述 DC-DC 电路的设计,故这一部分电路在实际电路制作中未制作,用 AC220V-DC12V 的电源适配器代替。 4.4 DC-DC 原理图设计原理图设计 开关电源是一种比较新型的电源。它具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功 率大等优点。但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。 如上图所示，D2 为防反接的保护二极管,D4 为 TVS 管,防止干扰损坏 IC 或者破坏 整机性能.E1,E2,C2,C3 为滤波电容，SS34 为续流二极管. 当开关闭合时，电感 L1 给负载供电，并将部分电能储存在电感 L1 以及电容 E4 中。由于电感 L1 的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到 电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感 L1 的自感作用（可以比较形象的认为 电感中的电流有惯性作用） ，将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流 过负载，从地线返回，流到续流二极管 D5 的正极，经过二极管 D5，返回电感 L1 的 左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间（即 PWM脉冲宽度 调制） ，就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输 出电压不变，这就实现了稳压的目的。 AC220V 交流电降压 整流 滤波 . ;. 在开关闭合期间，电感存储能量；在开关断开期间，电感释放能量，所以电感 L1 叫做储能电感。二极管 D5 在开关断开期间，负责给电感 L1 提供电流通路，所