DC-DC开关稳压电源毕业论文

装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 摘要摘要 1955 年美国的科学家罗那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进 行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的精益求精直流变 换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率 低的旋转和机械振子示换流设备。 70 年代以后，与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、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压器开关稳 压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视 机等领域，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源的佼佼者。真正实现直流 稳压电源效率高，体积小，重量轻的优点。 本课题应用 FAN4803 芯片实现直流电源的升压、降压或负电源的转换，可以选择 一种转换方式进行 DC-DC 开关电源转换并达到电源要求的各项性能指标。设计并制 作设计并制作 240W12V 直流开关电源，该电路可以应用到各类的电子设备和仪器 中。 关键字：直流开关电源、DCDC、FAN4803、电源重量轻、电源效率高。 共 20 页第 1页 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 Abstract 1955-U.S.scientiststhatGHRoyerthefirstsuccessfuldevelopment oftheuseofcoresaturationforself-oscillationofthetransistor DC converter. Since then, the use of this technology in various forms of excellence DC converter was continually developing and emerging, which replaced the early use of the short life, poor reliability, efficiency and low rotating mechanical oscillator show converter equipment. Afterthe 1970s, with such technology-related high-frequency, high-pressure power transistor, high-frequency capacitor, switching diodes, switches and other core components of the transformer has been developed and produced, so that no frequency transformer switching regulator Power has been the rapid development and was widely used in computers, telecommunications, space,colortelevisionsets,andotherfields,sothatnofrequency transformer switching power supply has become the leader in power. DC power supply to achieve truly high efficiency, small size, light weight advantages. Application of this issue FAN4803 chip DC power boost, buck or negative power conversion, the conversion can choose a form of DC-DC converters and switching power supply to the power requirements of the various performance indicators. Design and production design and production of 240 W/12V DC switching power supply, the circuit can be applied to all types of electronic equipment and instruments. Keyword:DC switchingpower supply, DC-DC, FAN4803, the power light weight, high power efficiency. 共 20 页第 2页 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 目目 录录 引 言4 1开关电源的原理及特点4 1.1工作原理 4 1.2常用电路及其 原理 5 1.3特点 9 2.FAN4803的主要特点10 3.FAN4803的结构原理11 4. 引脚功能和主要参数12 4.1引脚功能12 4.2主要参数12 5直流开关 电源电 路及其保护 13 5.1 240W 12V直流开关电源电路及电路图13 5.2开关电源电路保护16 6. 小结19 7. 感谢语19 8. 参考书目20 共 20 页第 3页 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 引引 言言 随着科学技术的发展，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，因此直流开关电源开始发挥着越来越重要的作用，并相 继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备 电源等都已广泛地使用了直流开关电源。 同时随着许多高新技术， 包括高频开关技术、 软开关技术、功率因数校正技术、同步整流技术、智能化技术、表面安装技术等技术 的发展，开关电源技术在不断地创新，这为直流开关电源提供了广泛的发展空间。 1 1 直流开关电源的原理及特点直流开关电源的原理及特点 1.11.1 工作原理工作原理 直流开关电源由输入部分、功率转换部分、输出部分、控制部分组成。功率转换 部分是开关电源的核心，它对非稳定直流进行高频斩波并完成输出所需要的变换功 能。它主要由开关三极管和高频变压器组成。图 1.1 画出了直流开关电源的原理图 及等效原理框图，它是由全波整流器，开关管 V，激励信号，续流二极管 Vp，储能 电感和滤波电容 C 组成。实际上，直流开关电源的核心部分是一个直流变压器。 共 20 页第 4页 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 图 1.1 直流开关电源原理 1.21.2 下面我重点介绍一下几个经常用到的电路以及其原理下面我重点介绍一下几个经常用到的电路以及其原理 1.2.11.2.1 推挽电路推挽电路: : 图 1.2 推挽电路图 工作过程: 推挽电路中两个开关 S1 和 S2 交替导通,在绕组 N1 和 N1 两端分别形成相位相反的 交流电压,改变占空比就可以改变输出电压. S1 导通时,二极管 VD1 处于通态,电感 L 的电流逐渐上升. S2 导通时,二极管 VD2 处于通态,电感 L 的电流也逐渐上升. 当两个开关都关断时,VD1和VD2都处于通态,各分担一半的电流.S1和S2断态时承受 共 20 页第 5页 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 的峰值电压均为 2 倍 Ui. S1 和 S2 同时导通,相当于变压器一次侧绕组短路,因此应避免两个开关同时导通. 1.2.21.2.2 全桥电路原理图全桥电路原理图: : 图 1.3 全桥电路原理图 工作过程: 全桥逆变电路中,互为对角的两个开关同时导通,同一侧半桥上下两开关交替导通,使 变压器一次侧形成幅值为 Ui 的交流电压,改变占空比就可以改变输出电压。 1.2.31.2.3 桥电路原理图桥电路原理图 图 1.4 桥电路原理图 工作过程: S1 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. S1 导通时,二极管 VD1 处于通态,S2 导通时,二极管 VD2 处于通态, 共 20 页第 6页 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 当两个开关都关断时,变压器绕组N1中的电流为零,VD1和VD2 都处于通态,各分担 一半的电流. S1 或 S2 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 断态时承受的峰值电压均为 Ui. 由于电容的隔直作用,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。 1.2.41.2.4 反激电路原理图反激电路原理图 1.5 反激电路原理图 反激电路中的变压器起着储能元件的作用,可以看作是一对相互耦合的电感. 工作过程: S 开通后,VD 处于断态,N1 绕组的电流线性增长,电感储能增加; S 关断后,N1 绕组的电流被切断,变压器中的磁场能量通过 N2 绕组和 VD 向输出端 释放.S 关断后的电压为:us=Ui+N1*Uo/N2 反激电路的工作模式: 电流连续模式:当 S 开通时,N2 绕组中的电流尚未下降到零. 输出电压关系:Uo/Ui=N2*ton/N1*toff 电流断续模式:S 开通前,N2 绕组中的电流已经下降到零. 输出电压高于上式的计算值,并随负载减小而升高,在负载为零的极限情况下, ,因此 共 20 页第 7页 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 反激电路不应工作于负载开路状态. 电路的工作过程: 开关 S 开通后,变压器绕组 N1 两端的电压为上正下负,与其耦合的 N2 绕组两端的电 压也是上正下负.因此 VD1 处于通态,VD2 为断态,电感 L 的电流逐渐增长; S 关断后,电感 L 通过 VD2 续流,VD1 关断.S 关断后变压器的激磁电流经 N3 绕组和 VD3 流回电源,所以 S 关断后承受的电压为. 变压器的磁心复位:开关 S 开通后,变压器的激磁电流由零开始,随着时间的增加而 线性的增长,直到 S 关断.为防止变压器的激磁电感饱和,必须设法使激磁电流在 S 关 断后到下一次再开通的一段时间内降回零,这一过程称为变压器的磁心复位. 图 1.6 变压器的磁心复位 变压器的磁心复位时间为: Tist=N3*Ton/N1 输出电压:输出滤波电感电流连续的情况下: 共 20 页第 8页 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 Uo/Ui=N2*Ton/N1*T 磁心复位过程: 图 1.7 磁心复位过程 1.31.3 特点特点 为了适应用户的需求， 国内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，特别是通过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下获得高的磁性能，同时 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。因此直流开关电源的发展趋势是高频、高可靠、低耗、低噪声、 抗干扰和模块化。 直流开关电源的缺点是存在较为严重的开关干扰， 适应恶劣环境和突发故障的能 力较弱。由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进 国家还有一定的差距，因此直流开关电源的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较 高，FAN4803 是为大功率直流开关电源应用而设计的控制芯片，该芯片将功率因数校 正（PFC）和脉冲宽度调制 PWM 功能集成在一起，同时具有功能多、效率高、谐波失 真小以及欠压锁定、过压保护、峰值电流限制等功能，并可最大限度地减小EMI 电磁 共 20 页第 9页 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 干扰。这里着重介绍 FAN4803 的主要特点、引脚功能和内部结构，并给出了一个用 PFC 和 PWM 组合控制的 240W12V 直流开关电源的实用电路。 2.FAN48032.FAN4803 的主要特点的主要特点 FAN4803 是的带有 PFC 和 PWM 功能的组合控制器。利用该芯片设计的直流大功率 开关电源的启动和操作电流都非常小。因为通过功率因数校正（PFC）技术可以使用 户在设计较低电压的直流大功率开关电源时使用小型低成本的滤波电容以减少电源 纹波， 更重要的是可以使用开关型场效应管来设计完全符合 IEC100032 标准的开 关电源。 FAN4803 控制器的内部电路在其前沿采用平均电流引导型 PFC 操作，而在其后沿 则执行 PWM 功能操作模式。 FAN4803 控制器有两种型号，分别为 FAN48031 和 FAN48032。其中 FAN4803 1 芯片中的 PFC 和 PWM 采用 67kHz 的相同频率进行操作，而 FAN48032 则自动将 其 PFC 操作频率设置在 PWM 操作频率 134kHz 的一半。也就是说，FAN48032 的 PWM 操作频率是 FAN48031 的 2 倍。这种较高频率的 PWM 操作可以使设计者通过较小的 PWM 电路成本来满足最优化的 PFC 频率操作。由于FAN4803 内部带有过压比较器，它 能在外部负载突然减小时关断器件内的 PFC 电路。同时，由于 FAN4803 内部 PFC 电路 中也包含有电流峰值限制电路，因此， FAN4803 具有很高的可靠性。 FAN4803 的工作温度范围为 070，具有 8 脚 PDIP 和 SOIC 两种封装形式。其 主要特点如下： 将同步的 PFC 和 PWM 功能集成在一个 8 引脚芯片内； 采用独特的专利型“单脚电压型差分放大器”和先进的输入电流波形技术； 可用峰值电流或平均电流两种形式连续推动前沿 PFC （即输入电流波形技术） ； 采用高频后沿电流型 PWM 模式； 具有较低的电源电流，FAN4803 的启动电流典型值为 150A，操作电流典型值 为 2mA； 具有同步的前、后沿调制方式； 器件工作时，在器件的 PFC 和 PWM 两部分之间，具有一定的存储电容，而且这 共 20 页第 10页 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 部分存储电容可用于减小电路的纹波电流； 内含过压、欠压关断保护电路； 可通过 PFC 软启动实现 PFC 电源的过压保护。 3. FAN48033. FAN4803 的结构原理的结构原理 FAN4803 的内部结构原理如图 3.1 所示。由图可见，该器件主要由单端误差放大 电路、前沿 PFC 电路和后沿 PWM 电路等三部分组成。 图 3.1FAN4803 的内部结构原理图 单端误差放大器是 FAN4803 控制器的一大特点，该部分电路的主要作用是将 PFC 输出的反馈信号通过 PFC 关断比较器进行比较处理，然后将处理后的信号送到 PFC 控制逻辑电路以保证 PFC 输出的稳定，同时，该部分电路还可用来完成过压保护并为 PFC 限流比较器提供参考信号。 前沿 PFC 电路部分主要由 PFC 限流比较器、PFCPWM 欠压锁定保护电路、过压 比较器、PFC 控制逻辑电路和电压参考电路等组成。该部分电路的作用除完成电路的 欠压、过压保护和限流控制以外，其最主要的作用是为 FAN4803 组成的整个 PFC 电路 共 20 页第 11页 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 提供稳定的功率因数校正输出。 后沿 PWM 电路主要由 PWM 控制逻辑电路、 器件软启动电路、 直流限流比较器、 PWM 比较器、振荡器和占空比限制电路等组成。该部分电路除主要完成 PWM 输出以外， 同时还为整个器件提供 PFC 和 PWM 振荡时钟及占空比控制。另外，FAN4803 的软启动 功能也是由该部分中的软启动电路来完成的。 4.4.引脚功能和主要参数引脚功能和主要参数 4 41 1 引脚功能引脚功能 FAN4803 的各引脚的功能说明如下： PFCOUT（1 脚）：大电流PFC 驱动输出，能够以大于1A的峰值电流直接驱动外 部功率 MOSFET 管。当为器件所提供的电源 VCC 低于欠压锁定门限电平时，该端输出 为低。 GND（2 脚）：接地端。需要说明的是：该端应可靠地接到低阻抗地电平上，并 应采用高频接地技术。 I SENSE（3 脚）：器件内部 PFC 限流比较器的电流检测输入。此端通常外接一个电 阻或电流检测变压器以检测 PFC 的输入电流。考虑到 FAN4803 的接地问题，此端一般 应为负极信号。 VEAO（4 脚）：PFC 输出电压反馈输入，内部接到单端误差放大器的输入端，以 用于将PFC输出调整到电路的设计值。 通常在外部用一个电阻与电路的PFC输出相连。 V DC（5 脚）：PWM 电压反馈输入。 I LIMIT（6 脚）：器件内部 PWM 限流比较器输入，可通过一个外接限流检测电阻与 PWM 输出端所驱动的 MOSFET 管的源极相连。VCC（7 脚）：器件电源。 PWMOUT：PWM 驱动输出，能够以大于1A 的峰值电流直接驱动功率 MOSFET 管。 当器件电源 VCC 低于欠压锁定门限时，该端输出为低电平。 共 20 页第 12页 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 4 42 2 主要参数主要参数 FAN4803 的主要参数如下： 平均电源电流 I CC：40mA 器件最高电源电压 V CC：183V 流检测脚电压范围：5V1V PFC 输出电流：1A PWM 输出电流：1A 器件过压保护门限电压典型值：163V PFC 限流比较门限电压典型值：1V 直流限流比较门限电压：15V 片内振荡器振荡频率：67kHz PFC 的占空比：095 PFC 低电平输出电压：小于 08V PFC 高电平输出电压：大于 145V PWM 占空比范围：050 器件电源钳位电压：175V 软启动电流：02mA 操作电流：25mA 欠压锁定输出极限电压：12V 欠压锁定输出延迟电压：29V 共 20 页第 13页 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 5 5直流开关电源电路及其保护直流开关电源电路及其保护 5.1 240W5.1 240W12V12V 直流开关电源电路及电路图直流开关电源电路及电路图 图 3 所示是由 FAN4803 组成的一个 12V240W 直流开关电源的实用电路。其中 FAN4803 的电源电压 VCC 由 R26、 R27、 R31、 CR9、 R21 组成的分压稳压电路和 C6、 C27、 C28 组成的旁路滤波电路来提供，该网络中的稳压管 CR9 可为 FAN4803 提供 175V 的稳定电压。由于该直流开关电源电路的功率较大，因此，电路中的限流检测电阻 R3 的额定功率应大于 3W。同时，电路中还增加了一个限流电阻 R4 以保证电路和器件 的安全。FAN4803 控制器的 PWM 输出中的一路经 R7、C7、T2 以及 Q1 和 Q4 所构成的 网络驱动后，与经过 L3 和 Q2、Q5 复合驱动后的 PFC 输出一起组成 PFC 和 PWM 复合输 出。PWM 输出中的另一路则经过 Q3、T1 及其后边的整流滤波电路处理后完成 12V 的 大功率直流开关输出。FAN4803 的限流控制信号直接通过 R11 从 Q3 的源极提取。而 FAN4803 的 PWM 电压反馈信号则通过 U2 开关控制器（RC431A）、U3 光耦及其它元器 件组成的反馈网络后由 R32 馈入 FAN4803 的 VDC 脚。电路中的 PFC 反馈信号通过 R12 和 R13 取自电路的 PFC 输出，同时在经过 C15、R25、C8 和一个 70V 的稳压二极管 所组成的电路处理后由 VEAO 脚馈入 FAN4803 内部的单端运算放大器的输入端。 图 5.1 电路中的 PFC 启动电路由 C23、CR16、R29、R19 和 C22 等元件组成。PFC 电 路的软启动功能主要由 C16 来完成。通过改变 C16 电容值的大小可以对电路的 PF 软 启动时间进行设定。 共 20 页第 14页 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 图 5.1 带有功率因数校正的 12V/240W 直流开关电源电路 由于开关电源中控制电路比较复杂，晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较 差，在使用过程中给用户带来很大不便。为了保护开关电源自身和负载的安全，根据 了直流开关电源的原理和特点，设计了过热保护、过电流保护、过电压保护以及软启 动保护电路。基于直流开关电源的特点和实际的电气状况，为使直流开关电源在恶劣 环境及突发故障情况下安全可靠地工作，本文根据不同的情况设计了多种保护电路。 共 20 页第 15页 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 5.25.2 开关电源电路保护开关电源电路保护 5.2.15.2.1 过电流保护电路过电流保护电路 在直流开关电源电路中，为了保护调整管在电路短路、电流增大时不被烧毁。其 基本方法是，当输出电流超过某一值时，调整管处于反向偏置状态，从而截止，自动 切断电路电流。如图 1 所示，过电流保护电路由三极管 BG2 和分压电阻 R4、R5 组成。电路正常工作时，通过 R4 与 R5 的压作用，使得 BG2 的基极电位比发射极 电位高，发射结承受反向电压。于是BG2 处于截止状态（相当于开路），对稳压电 路没有影响。当电路短路时，输出电压为零，BG2 的发射极相当于接地，则 BG2 处 于饱和导通状态（相当于短路），从而使调整管BG1 基极和发射极近于短路，而处 于截止状态，切断电路电流，从而达到保护目的。 图 5.2 输入过电流保护电路 5.2.25.2.2 过电压保护电路过电压保护电路 直流开关电源中开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保 护。如果开关稳压器所使用的未稳压直流电源（诸如蓄电池和整流器）的电压如果过 高,将导致开关稳压器不能正常工作,甚至损坏内部器件,因此开关电源中有必要使用 输入过电压保护电路。图 5.3 为用晶体管和继电器所组成的保护电路，在该电路中， 当输入直流电源的电压高于稳压二极管的击穿电压值时，稳压管击穿，有电流流过电 共 20 页第 16页 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 阻 R，使晶体管T 导通，继电器动作，常闭接点断开，切断输入。输入电源的极性保 护电路可以跟输入过电压保护结合在一起,构成极性保护鉴别与过电压保护电路。 图 5.3 输入过电压保护电路 5.2.35.2.3 软启动保护电路软启动保护电路 开关稳压电源的电路比较复杂，开关稳压器的输入端一般接有小电感、大电容的 输入滤波器。在开机瞬间,滤波电容器会流过很大的浪涌电流,这个浪涌电流可以为正 常输入电流的数倍。 这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化, 并使输入保险丝熔断。另外，浪涌电流也会损害电容器,使之寿命缩短,过早损坏。为 此,开机时应该接入一个限流电阻,通过这个限流电阻来对电容器充电。为了不使该限 流电阻消耗过多的功率， 以致影响开关稳压器的正常工作,而在开机暂态过程结束后， 用一个继电器自动短接它,使直流电源直接对开关稳压器供电，这种电路称之谓直流 开关电源的“软启动”电路 。 如图 5.4(a)所示，在电源接通瞬间，输入电压经整流桥（D1D4）和限流电 阻 R1 对电容器 C 充电，限制浪涌电流。当电容器C 充电到约 80额定电压时，逆 变器正常工作。经主变压器辅助绕组产生晶闸管的触发信号，使晶闸管导通并短路限 流电阻 R1，开关电源处于正常运行状态。为了提高延迟时间的准确性及防止继电器 动作抖动振荡，延迟电路可采用图 5.4(b)所示电路替代 RC 延迟电路。 共 20 页第 17页 装 订 线 毕业设计（论文）报告纸 图 5.4 软启动保护电路 5.2.45.2.4 过热保护电路过热保护电路 直流开关电源中开关稳压器的高集成化和轻量小体积， 使其单位体积内的功率密 度大大提高，因此如果电源装置内部的元器件对其工作环境温度的要求没有相应提 高，必然会使电路性能变坏，元器件过早失效。因此在大功率直流开关电源中应该设 过热保护电路。 图 5.5 过热保护电路 本文采用温度继电器来检测电源装置内部的温度，当电源装置内部产生过热时， 温度继电器就动作，使整机告警电路处于告警状态，实现对电源的过热保护。如图 5.5(a)所示，在保护电路中将 P 型控制栅热晶闸管放置在功率开关三极管附近，根 据 TT102 的特性（由 Rr 值确定该器件的导通温度，Rr 越大，导通温度越低），当 功率管的管壳温度或者装置内部的温度超过允许值时，热晶闸管就导通，使发光二极 管发亮告警。倘若配合光电耦合器，就可使整机告警电路动作，保护开关电源。该电 路还可以设计成如图 5.5(b)所示，用作功率晶体管的过热保护，晶体开关管的基极 共 20 页