【自动化】开关电源的建模与设计

武汉理工大学毕业设计（论文）开关电源建模与设计学院（系）自动化学院专业班级电气0906班学生姓名王文娜指导教师黄亮学位论文原创性声明本人郑重声明所呈交的论文是本人在导师的指导下独立进行研究所取得的研究成果。除了文中特别加以标注引用的内容外，本论文不包括任何其他个人或集体已经发表或撰写的成果作品。本人完全意识到本声明的法律后果由本人承担。作者签名年月日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解学校有关保障、使用学位论文的规定，同意学校保留并向有关学位论文管理部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权省级优秀学士论文评选机构将本学位论文的全部或部分内容编入有关数据进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论文。本学位论文属于1、保密囗，在年解密后适用本授权书2、不保密囗。（请在以上相应方框内打“”）作者签名年月日导师签名年月日武汉理工大学本科生毕业设计（论文）任务书学院自动化专业班级电气0906班姓名王文娜学号0120911350633毕业设计（论文）题目开关电源建模与设计任务书含以下方面的内容（一）设计（论文）主要内容主要设计一个中小功率的开关电源，主要技术指标为输入为220V交流市电，输出电压为24V/12V两档，输出电压精度85典型值，输出功率350W。具体研究内容为单端正激变换器建模与控制研究；MOS管建模与特性分析；电路设计及试验。（二）要求完成的主要任务1、完成不少于2万印刷符，且与选题相关的英文文献翻译工作；2、查阅相关文献资料（论文参考文献不低于中文13篇，英文2篇）；3、撰写开题报告；4、掌握正激变换技术；5、根据系统要求，完成正激变换主电路和控制电路的硬件设计，主要器件的参数选型；6、完成的控制器的控制策略设计；7、MATLAB建模并完成系统仿真。（三）进度安排第1周指导教师与学生见面，指导学生选题，初步查找，收集相关资料。第2周由指导教师下达毕业论文（设计）任务书，制定毕业论文（设计）相关计划。第34周,学生应完成开题报告,并交给指导教师审阅。第58周,学生自行设计毕业设计的实现思路，查找相关资料，做出PPT。第9周，组织毕业论文设计中间检查,检查内容主要是让学生展示PPT，指导老师从旁纠正其中的思路缺陷，指引学生进行下一步工作。第1014周完成论文设计初稿,并交给指导教师审阅。第15周学生根据指导教师提出的修改意见对论文设计进行修改，并完成论文的最终定稿，并准备毕业论文答辩。第16周进行毕业论文设计答辩。（四）必读参考资料及主要参考文献1孙余凯,吴鸣山,项绮明,等稳压电源设计与技能实训教程北京电子工业出版社,20072林渭勋现代电力电子电路杭州浙江大学出版社,20023周志敏开关电源实用技术北京人民邮电出版社,20054王兆安,刘进军电力电子技北京机械工业出版社,20095刘胜利开关电源设计与制作实践北京电子工业出版社,2011指导教师签名年月日系主任签名年月日院长签名（章）年月日武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告1、目的及意义（含国内外的研究现状分析）一般的电源，如直接从市电或电池吸取的原生态电能，在某种意义上来说是一种质量较差的“粗电”，这些“粗电”必须要经过转换才能成为满足于设备要求的“精电”。开关电源就是把市电的“粗电”转换成直流电压稳定的“精电”的一种电源设备。本论文的目的就是查阅相关资料，掌握开关电源的内部结构，学习怎样设计单端正激开关电源的方法，提高自身的能力。当代许多高新技术均与电源的电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理。因此，电源技术不但本身是一种高新技术，而且还是其评它多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来为深远的影响。自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标，为搭载火箭而开发研制首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。随着集成电路的发展，开关电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化。近20年来，集成开关电源沿两个方向发展。第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成脉宽调制PWM控制器集成电路，近些年来，国外相继研制出开关频率达1MHZ的高速PWM、PFM芯片。第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。1994年，美国电源集成公司POWERINTEGRATIONS在世界上率先研制成功三端隔离式PWM型单片开关电源，其属于AC/DC电源变换器。之后一系列升级产品。意法半导体公司也开发出VIPER100、VIPER100A、VIPER100B等中、小功率单片电源系列产品，并得到广泛应用。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现在己经成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。与国外开关电源技术相比，国内从1977年才开始进入初步发展期，起步较晚、技术相对落后。目前国内DC/DC模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产DC/DC产品所代替。开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。由于变换效率提高，能耗减少，降低了电源周围环境的室温，改善了工作人员的环境。我国邮电通信部门广泛采用开关电源，从而极大地推动了它在其它领域的广泛应用。目前，国产开关电源已占据了相当市场，一些大公司自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始对外出口。2、基本内容和技术方案本次毕业设计的题目是开关电源建模与设计，要求是设计一个中小功率的开关电源。主要技术指标为输入为220V交流市电，输出电压为24V/12V两档，输出电压精度85典型值，输出功率350W。具体研究内容包括单端正激变换器建模与控制研究，MOS管建模与特性分析，电路设计及试验。开关电源就是通过电路控制开关管的导通与截止。将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比50HZ高很多所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热，成本低。基本组成模块有输入端滤波电路、输入桥式整流电路、高频变压器、功率开关管、PWM控制器、反馈控制电路。基本工作流程是1、交流电源输入经整流滤波成直流；2、通过单端正激电路进行DC/DC变换；3、通过高频PWM脉冲宽度调制信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上；4、开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载；输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的。交流电源输入时一般要经过扼流圈一类的东西,过滤掉电网上的干扰,同时也过滤掉电源对电网的干扰；在功率相同时,开关频率越高,开关变压器的体积就越小,但对开关管的要求就越高。开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头,以得到需要的输出。一般还应该增加一些保护电路,比如空载、短路等保护,否则可能会烧毁开关电源。3、进度安排第1周指导教师与学生见面，指导学生选题，初步查找，收集相关资料。第2周由指导教师下达毕业论文（设计）任务书，制定毕业论文（设计）相关计划。第3、4周,学生应完成开题报告,并交给指导教师审阅。第58周,学生自行设计毕业设计的实现思路，查找相关资料，做出PPT。第9周，组织毕业论文设计中间检查,检查内容主要是让学生展示PPT，指导老师从旁纠正其中的思路缺陷，指引学生进行下一步工作。第1014周完成论文设计初稿,并交给指导教师审阅。第15周学生根据指导教师提出的修改意见对论文设计进行修改，并完成论文的最终定稿，并准备毕业论文答辩。第16周进行毕业论文设计答辩。4、阅读的参考文献（15篇）1全聪大功率高压直流电源D硕士学位论文西安西安电子科技大学,20122马敏新型高频开关电源的研制D硕士学位论文天津天津大学,20033PRODICA,MAKSIMOVICDDIGITALPWMCONTROLLERANDCURRENTESTIMATORFORALOWPOWERSWITCHINGCONVERTERCOMPUTERINPOSERELECTRONICS,2000COMPEL2000,THE7THWORKSHOPON1618JULY2000,2001231284刘胜利开关电源设计与制作实践M北京电子工业出版社,201127385DAWANDEMS,DUBEYGKPROGRAMMABLEINPUTPOWERFACTORCORRECTIONMETHODSFORSWITCHMODERECTIFIERS,IEEETRANS,POWERELECTRON,1996,I15855916杨显彬几个EMI测量问题的分析与处理J现代电子技术,2012,3522,1721767宋艳单端正激式高频开关电源设计D硕士学位论文西安西安电子科技大学,20108徐德鸿,沈旭,杨成林,等开关电源设计指南M北京机械工程出版社,20042042089孙余凯,吴鸣山,项绮明,等稳压电源设计与技能实训教程M北京电子工业出版社,2007319410王京梅,兰中文,余忠,等高频开关电源变压器的优化设计J电子科技大学学报,2002,436236511王晓容基于AP法的70KHZDC/DC开关变换器主变压器设计及应用J西南民族大学学报,2009,354,84985212王兆安,刘进军电力电子技术M北京机械工业出版社,200916318413杨贵恒,龙江涛,龚伟,等常用电源元器件及其应用M北京中国电力出版社,201227436714唐爱霞单端正激变换器的本案特性研究D硕士学位论文辽宁辽宁工程大学,201015梁伟恩,付翔,杨军开关电源中RC缓冲电路的设计J电子元器件应用,2010,6404216周志敏开关电源实用技术北京人民邮电出版社,200526237817张德丰MATLAB/SIMULINK建模与仿真M北京电子工业出版社,200912505、指导教师意见指导教师签名年月日目录摘要IABSTRACTII第1章绪论111课题研究背景112课题研究目的与意义113开关电源的基本原理114开关电源发展概况2141国外开关电源发展概况2142国内开关电源发展概况315本文主要研究内容4第2章主电路拓扑结构选型521开关电源基本结构522几种基本的DCDC变换器6221降压（BUCK）型变换器6222单端反激（FLYBACK）式变换器7223推挽（PUSHPULL）式直流变换器8224单端正激（FORWARD）式直流变换器923主电路结构选择1224本章小结12第3章输入、输出整流滤波电路的设计1331EMI滤波器13311EMI滤波器的基本结构13312EMI滤波器的设计1432整流电路的选择16321单相半波整流电路16322单相桥式整流电路17323二极管的选择18324电源滤波电容的计算1933输出级设计20331正激式滤波扼流圈的设计20332滤波电容的设计21333死电阻的设计21334输出整流和续流二极管的选择2234本章小结23第4章变压器的设计2441变压器的工作原理2442高频变压器的设计方法2543高频变压器的选择2744本章小结31第5章控制电路、反馈电路和开关管设计3251电压型和电流型控制分析比较3252UC3844工作原理33521引脚说明34522工作原理3453外围电路的设计38531启动电路的设计39532振荡器频率的设置40533电流检测电阻和滤波网络的设计4054MOSFET开关管的选择41541功率MOSFET的工作原理41542功率MOSFET的选择42543开关管的缓冲电路4255反馈电路的设计44551器件TL43144552器件PC81745553电压反馈电路4656本章小结47第6章系统的建模与仿真4861MATLAB简介4862系统电路原理图4963系统的建模4964仿真结果5065结果分析5766本章小结57结论58致谢59参考文献60摘要电源设备用以实现电能变换和功率传递，是各种电子设备正常工作的基础，而高频高效的小型开关电源又是开关电源的必然趋势，在通信、军事装备、交通设施、仪表仪器、工业设备、家用电器等领域得到了越来越多的广泛应用。本文首先分析了开关电源的工作原理，并阐述了针对设计题目想出的基本思路，绘制出清晰易懂的设计框图。随后，对每个组成部分电路分别进行了介绍，说明了为什么选择这一电路，详细讲解电路设计的理论依据和电路工作原理以及性能要求。接着给出了整个设计的总图，在整个电路的设计上，主要介绍了输入整流滤波电路、高频变压器、功率开关管、PWM控制器、反馈控制电路、输出整流滤波电路、复位电路、缓冲电路等。最后，论文在整体电路原理分析和子电路的设计基础上，应用MATLAB仿真软件对子电路模块和整体电路进行功能仿真验证，仿真结果满足要求。进一步验证理论分析和设计的正确性，也是设计理论与实践仿真相结合的一次有意义的尝试。关键词单端正激式开关电源仿真高频变压器ABSTRACTPOWERSUPPLYEQUIPMENTFORELECTRICALENERGYCONVERSIONANDPOWERTRANSMISSION,ISTHEFOUNDATIONOFALLKINDSOFELECTRONICEQUIPMENTTOWORKNORMALLY,ANDHIGHFREQUENCYEFFICIENCYBESIDES,THEREISATRENDFORSWITCHPOWERSUPPLYTOBESMALLINSIZEANDSWITCHPOWERSUPPLYHASBEENWIDELYUSEDINCOMMUNICATION,MILITARYFACILITIES,TRANSPORT,APPARATUS,INDUSTRIALFACILITIES,HOUSEHOLDAPPLIANCES,ETCTHISPAPERFIRSTANALYZESTHEWORKINGPRINCIPLEOFSWITCHINGPOWERSUPPLY,EXPLAINSTHEBASICIDEAANDDRAWSACLEARANDEASYTOUNDERSTANDDESIGNDIAGRAMSUBSEQUENTLY,EACHCOMPONENTPARTOFTHECIRCUITISEXPLAINEDINDETAILANDDESCRIBESTHETHEORETICALBASISOFCIRCUITDESIGN,CIRCUITWORKSANDPERFORMANCEREQUIREMENTSTHENGIVENAGENERALDIAGRAMOFTHEENTIREDESIGN,LIKETHEINPUTRECTIFIERFILTERCIRCUIT,HIGHFREQUENCYTRANSFORMERS,POWERSWITCH,THEPWMCONTROLLER,FEEDBACKCONTROLCIRCUIT,THEOUTPUTFILTERCIRCUIT,RESETCIRCUIT,THEBUFFERCIRCUITANDETCFINALLY,BYUSINGTHESOFTWARENAMEDMATLAB,WECANFINDTHATSIMULATIONRESULTSMEETTHEREQUIREMENTSTHEWHOLEPROGRESSNOTONLYFURTHERVALIDATESTHECORRECTNESSOFTHETHEORETICALANALYSISANDDESIGN,BUTALSOBEAMEANINGFULATTEMPTTOCOMBINATIONOFTHEORYANDPRACTICEKEYWORDSSINGLEENDEDFORWARDPOWERSUPPLYSIMULATIONHIGHFREQUENCYTRANSFORMER第1章绪论11课题研究背景开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。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，并在功率铁氧体材料上加大科技创新，以便在高频率和较大磁通密度下获得高的磁性能。同时电容器的小型化也是一项关键技术。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的应力，使得产品的可靠性大大提高。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N1冗余电源系统，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，使得该项技术得以实用化1。12课题研究目的与意义一般的电源，如直接从市电或电池吸取的原生态电能，在某种意义上来说是一种质量较差的“粗电”，这些“粗电”必须要经过转换才能成为满足于设备要求的“精电”。开关电源就是把市电的“粗电”转换成直流电压稳定的“精电”的一种电源设备。本论文的目的就是查阅相关资料，掌握开关电源的内部结构，学习怎样设计单端开关电源的方法，提高自身能力。13开关电源的基本原理开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的工作原理可以用图11进行说明。图中输入的直流不稳定电压UI经开关S加至输出端，S为受控开关，VD是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压UI变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压UO。图11开关电源的工作原理为了方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下11TDON式中，T表示开关S的开关重复周期；TON表示开关S在一个开关周期中的导通时间。开关电源直流输出电压UO与输入电压UI之间有如下关系12IO由式11和式12可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间TON，即可改变脉冲占空比D，从而达到调节输出电压的目的。T不变，只改变TON来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调制PWM。由于PWM式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，因此PWM式开关电源用得较多。若保持TON不变，利用改变开关频率实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压UO稳压的方法，叫做脉冲频率调制PFM。由于该方式的开关频率不固定，因此输出滤波电路的设计不易实现最优化。既改变TON，又改变T，实现脉冲占空比调节的稳压方式叫做脉冲调频调宽方式。在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节的稳压方式均有应用。14开关电源发展概况当代许多高新技术均与电源的电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理。因此，电源技术不但本身是一种高新技术，而且还是其它多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来为深远的影响。141国外开关电源发展概况自1957年第一只可控硅SCR问世后，可控硅取代了效率低下的硒或氧化亚铜整流器件。在随后的20年内，由于半导体工艺的进步，可控硅的电压、电流额定值及其它特性参数得到了不断提高和改进，满足了通信设备不断发展的需要。因此，直到70年代，发达国家还一直将可控硅整流器作为大多数通信设备的一次电源使用。虽然可控硅整流器工作稳定，能满足通信设备的要求，但它是相控电源，工作于工频，有庞大笨重的电源变压器、电感线圈、滤波电容，噪声大，效率低，功率因数低，稳压精度也较低。因此，自1947年肖克莱发明晶体管，并在随后的几年内对晶体管的质量和性能不断完善提高后，人们就着力研究利用晶体管进行高频变换的方案。1955年美国罗耶GHROGER发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换电路的开始。1957年美国科学家又发明了自激式推挽双变压器变换器电路。在此基础上，1964年美国科学家提出了取消工频变压器的串联开关电源的设想，并在NEC杂志上发表了“脉宽调制应用于电源小型化”等文章，为使电源实现体积和重量的大幅下降提供了一条根本途径2。随着大功率硅晶体管的耐压提高和二极管反向恢复时间的缩短等元器件性能的改善，1969年终于做成了25KHZ的开关电源。电源界把开关电源的频率提高到20KHZ以上称为电源技术的“20KHZ革命”。经过几年的努力，从开关电源的电路拓扑形式，到与之相配套的元器件等研究都取得了相当大的进展。随后大功率晶体管GTR和功率场效应管MOSFET相继被研制出来，其电压、电流额定值大为提高，工作频率也提高较多，可靠性也显著增加。到80年代中后期，绝缘栅型双极性晶体管IGBT已研制出来并投入了市场，各种通信设备所需的一次电源大多采取PWM集成控制芯片、双极型晶体管、场效应管、绝缘栅双极晶体管。随着微电子学的发展和元器件生产技术的提高，相继又开发出了耐压高的功率场效应管VMOS管和高电压、大电流的绝缘栅型双极性晶体管IGBT，具有软恢复特性的大功率高频整流管，各种用途的集成脉宽调制控制器和高性能的铁氧体磁芯，高频用的电解电容器，低功耗的聚丙烯电容等。随着通信用开关电源技术的广泛应用和不断深入，实际工作中人们对开关电源提出了更高的要求，提出了应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化、产品性能的绿色化，新一代电源的技术含量大大提高，使之更加可靠、稳定、高效、小型、安全。在高频化方面，为了提高开关频率并克服一般的PWM和准谐振、多谐振变换器的缺点，又开发了相移脉宽调制零电压开关谐振变换器。这种电路克服了PWM方式硬开关造成的较大的开关损耗的缺点，克服了准谐振和多谐振变换器工作频率变化及电压、电流幅度大的缺点，采用这种工作原理，大大减小了开关管的损耗，不但提高了工作频率，更降低了变换电路对分布参数的敏感性，拓宽了开关器件的安全工作区，在一定程度上降低了对器件的要求，从而显著提高了开关电源的可靠性3。142国内开关电源发展概况在我国，建国初期，邮电部门的科研技术人员开发了以国产大功率电动发电机组为主的成套设备作为通信电源。在引进原民主德国FGD系列和前苏联BCC51系列自动化硒整流器基础上，借鉴国外先进技术，与工厂共同研制成功国产XZL系列自动化硒整流器，并在武汉通信电源厂批量生产，开始用硒整流器装备通信站，替换原有的电动发电机组。但后来，我国的通信电源发展相当缓慢。1963年开始研制和采用可控硅SCR整流器,1965年着手研制逆变器和晶体管DC/DC变换器。除了可控硅整流器于1967年在武汉通信电源厂开始形成系列化生产，供通信设备作一次电源使用，并不断得到改进，性能和质量逐步提高外，其它方面进展十分缓慢。一直到80年代才开始生产20KHZDC/DC变换器，但由于受元器件性能的影响，质量很不稳定，无法作为通信设备的一次电源使用，只是作为通信设备的二次电源使用4。由于通信事业发展的需要，八十年代后期第一批引进了澳大利亚生产的48V/50A开关频率为40KHZ和48V/100A开关频率为20KHZ的高频开关电源，在吸收国外先进技术的基础上，投入较大的力量，开始研制自己的开关电源。邮电部武汉电源厂、通信仪表厂等厂家开发出了自己的以PWM方式工作的开关电源，并推向电信行业应用，取得了较好的效果。随后邮电部对电源提出了更新换代和实现监控包括远程监控的要求，众多厂家都投入力量研制开发，推出了采用PWM技术的高频开关电源，有些厂家还推出了实现远程监控的解决方案。短短几年后，电信部门所用的一次通信电源几乎都更换成了采用PWM集成控制芯片、大功率晶体管、功率场效应管、绝缘栅型双极晶体管的半桥或全桥电路，其开关频率为几十至100KHZ、效率高于90、功率因数接近1。稳压精度优于05,模块化组合的高频开关电源，电信行业成套电源技术提高到了一个崭新的水平。目前，开关电源的发展趋势继续向高频、高效、高可靠、高密度化、低耗、低噪声、抗干扰和模块化发展5。15本文主要研究内容设计一个中小功率的开关电源，主要设计要求和技术指标为输入为220V交流市电，输出电压为24V/12V两档，输出功率350W；输出电压精度85典型值研究内容主要是分析、掌握该课题总体方案，广泛阅读相关技术资料，掌握开关电源的工作原理。研究主电路变换器的控制方式，分析MOS管特性。最后，对电路进行设计并仿真，使系统达到设计要求。第2章主电路拓扑结构选型本章主要介绍了几种常用的开关电源拓扑结构和各自的工作原理，指出各种拓扑结构的优缺点，并根据各电路的特征和课题的要求选出了最合适的主电路拓扑结构。21开关电源基本结构从大的方面讲，开关电源可分成机箱或机壳、电源主电路、电源控制电路三部分。机箱既可起到固定的作用，也可起到屏蔽的作用。电源的主电路是负责进行功率转换的部分，通过适当的控制电路可以将市电转换为所需的直流输出电压。而控制电路则根据实际的需要产生主电路所需的控制脉冲和提供各种保护功能。开关电源的基本结构框图如图21。图21开关电源基本结构框图从图中可以看出，开关电源的主电路可以分为输入整流滤波电路、高频变压器、输出整流滤波、吸收和复位电路、开关控制电路、隔离反馈电路等六个部分。前级整流滤波电路用来消除电网的干扰，它将交流电通过整流模块变换成含有脉动成分的直流电，然后通过输入滤波使得脉动直流电变为较平滑的直流电，它还能防止开关电源产生的高频噪声向电网扩散。吸收和输入滤波可以对浪涌电流和尖峰电压进行抑制和吸收，保证电路的正常工作，降低纹波的影响。变压器是电路的核心部分，它把经过滤波整流的低频电压转换成高频电压，同时隔离输入与输出。输出整流滤波电路能实现要求得到的直流电压，同时防止高频噪声对负载的干扰。反馈电路通过检测输出电压，并与基准电压进行比较，将结果传递给PWM控制器，从而调节开关管的占空比，达到稳压的目的。22几种基本的DCDC变换器221降压（BUCK）型变换器降压（BUCK）型变换器的电路图如图22所示。图22降压型变换器电路图它由功率开关管VT（图中为N沟道增强型VMOS功率场效应晶体管）、储能电感L、续流二极管VD、输出滤波电容C以及控制电路组成，RL为负载电阻。输入直流电源电压为UI，输出直流电压（即瞬时输出电压的平均值）用UO表示，输出直流电流为21LOI功率开关管VT的导通与截止受控制电路输出的驱动脉冲控制。当控制电路有脉冲输出时，VT导通，续流二极管VD反偏截止，VT的漏极电流通过储能电感L向负载供电，此时L中的电流逐渐上升，在L两端产生左端正右端负的自感电势抗拒电流上升，L将电感转化为磁能储存起来。经过TON时间后，控制电路无脉冲输出，使VT截止，但L中的电流不能突变，这时L两端产生右端正左端负的自感电势抗拒电流下降，使VD正向偏置而导通，于是L中的电流经VD构成回路，其电流值逐渐下降，L中储存的磁能转化为电能释放出来供给负载，于是L中的电流经VD构成回路，其电流值逐渐下降，L中储存的磁能转化成电能释放出来供给负载。经过TOFF时间后，控制电路输出脉冲又使VT导通，重复上述过程。滤波电容C是为了降低输出电压的脉动而加入的。续流二极管VD是必不可少的元件，倘若无此二极管，电路不仅不能正常工作，而且在VT由导通变为截止时，L两端将产生很高的自感电势而使功率开关管击穿损坏。降压变换器的优点是输出电压脉动较小，并且带负载能力强；对功率开关管和续流二极管的耐压要求较低，它们承受的最大电压为输入最高电源电压。缺点是非隔离，且输入电流不连续，是脉冲电流，这对输入电源不利，加重了输入滤波的任务；功率开关管和负载是串联的，如果功率开关管击穿短路，负载两端电压便升高到输入电压，可能使负载因承受过电压而损坏。222单端反激（FLYBACK）式变换器单端反击式变换器由功率开关管VT、高频变压器T、整流二极管VD和滤波电容C、负载电阻RL以及控制电路组成。当VT导通时，VD截止，故称为反激式变换器。在这种电路上，变压器既起变压作用，又起储能电感的作用。所以人们把这种电路称为电感储能式变换器。功率开关管VT的导通与截止由加于栅源极间的驱动脉冲电压控制。TON期间，VT受控导通，忽略VT压降，可以近似认为输入直流电压全部加在变压器一次绕组两端，变压器一次电压等于输入电压。此时变压器一次绕组电压极性为上端正下端负，二次绕组的电压极性由同名端决定，为下端正上端负，故VD反向偏置而截止，二次绕组中无电流通过。此时能量储存在变压器的激磁电感中，即储存在磁芯和气隙的磁场中。TOFF期间，VT受控截止，变压器一次电感产生感应电势反抗电流减小，使变压器一、二次电压方向（一次绕组电压极性变为下端正上端负，而二次绕组电压极性变为上端正下端负），于是VD正向偏置而导通，储存在磁场中的能量释放出来，对滤波电容C充当，并对负载供电，输出电压等于滤波电容两端电压。由于这种直流变换器当功率开关期间VT导通时，整流二极管VD截止，电源不直接向负载传送能量，而由变压器储能；当VT变为截止时，VD导通，储存在变压器磁场中的能量释放出来供给负载和输出滤波电容，因此称为反激式变换器。单端反激（FLYBACK）式变换器的简化电路图如图23所示。图23单端反激式变换器简化电路图它的性能特点是利用高频变压器一、二次绕组间电气绝缘的特点，当输入直流电压是由交流电网电压直接整流滤波获得时，可以方便地实现输出端和电网之间的电气隔离；能方便地实现多路输出，只需在变压器上多绕几组二次绕组，相应地多用几只整流二极管和滤波电容，就能获得不同极性、不同电压值的多路直流输出电压；保持占空比D在最佳范围内的情况下，可适当选择变压器的变比，使直流变换器满足对输入电压变化范围的要求。223推挽（PUSHPULL）式直流变换器推挽式直流变换器电路图如图24所示。VT1和VT2为特性一致、受驱动脉冲控制而轮换工作的功率开关管，每管每次导通时间小于05周期；高频变压器一次绕组NP1NP2NP，二次绕组NS1NS2NS；VD1和VD2为整流二极管，L为储能电感，C为输出滤波电容，电路是对称的。在双端直流变换器中，为了防止“共同导通”，要求功率开关管的存储时间尽可能小；同时，必须限制驱动脉冲的最大宽度，以保证一对晶体管在开关工作中有共同的截止时间。驱动脉冲宽度在半个周期中达不到的区域称为“死区”。在提供驱动脉冲的控制电路中，必须设置适当宽度的“死区”，即驱动脉冲的死区时间要大于功率管的“关断时间”。图24推挽式变换器电路图推挽变换器的优点是变压器磁芯利用率高，输出功率较大，输出纹波电压较小；两只功率开关管的源极是连在一起的，两组栅极驱动电路有公共端而无需绝缘，因此驱动电路简单。缺点是高频变压器绕组利用率低；功率开关管截止时承受2倍电源电压，因此对功率开关管的耐压要求高。尽管选用功率管时两管是配对的，但在整个工作温度范围内，两管的导通压降、存储时间等不可能完成一样，这将造成变压器一次电压正负半周波形不对称。只要变压器的正负半周电压波形稍有不对称，磁芯中便产生“单向偏磁”，形成直流磁通。虽然开始时直流磁通不大，但经过若干周期后，就可能使磁芯进入饱和状态。一旦磁芯饱和，则变压器激磁电感减至很小，从而使功率开关管承受很大的电流电压，耗散功率增大，管温升高，最终导致功率开关管损坏。解决单向励磁的措施可以是采用电流型PWM集成控制器使两管电流峰值自动均衡，或是在变压器磁芯的磁路中加适当气隙，用以防止磁芯饱和。推挽式直流变换器用一对功率开关管就能获得较大的输出功率，适宜在输入电源电压较低的情况下应用。224单端正激（FORWARD）式直流变换器单端正激式直流变换器，简称单端正激变换器。它既可采用单个功率晶体管电路，也可采用双功率晶体管电路。功率开关管VT1和VT2受控同时导通或截止，但两个栅极驱动电路必须彼此绝缘。当功率开关VT1和VT2受控导通时，整流二极管VD1也同时导通，电源向负载传送能量，电感L储能。当VT1和VT2受控截止时，VD1承受反压也截止，续流二极管VD2导通，L中的储能通过续流二极管VD2向负载释放。输出滤波电容C用于降低输出电压的脉动。图25双晶体管单端正激变换器电路图单端正激（FORWARD）式直流变换器电路图如图25所示。在TON期间，VT1和VT2导通，变压器一、二次绕组电压极性均为上端正下端负，整流二极管VD1正向偏置而导通，电源向负载传送能量，储能电感L储能，同时高频变压器中的激磁电感储能。在TOFF期间，VT1和VT2截止，VD1承受反压而截止，续流二极管VD2导通，L中储能释放出来供给负载。VD3和VD4用于实现磁通复位，有钳位作用。在TON期间他们承受反压（其值为UI）而截止；当VT1和VT2受控由导通变为截止时，变压器一、二次绕组电压极性均变为下端正上端负，VD3和VD4正向偏置而导通，变压器激磁电感中的储能经VD3和VD4回送给电源。为了保证磁通复位，必须满足TOFFTVD3TON也就是说，必须占空比D05。在TVD3结束至TOFF期末这段时间，变压器激磁电感的储能已经释放完毕而VT1和VT2尚未受控导通，变压器一、二次绕组的电压均为零。在单端反激变换器中，TON期间的变压器一次电流就是磁化电流，由于通过电流在激磁电感中储能来供给负载，因此磁化电流的最大值较大，为了防止变压器磁芯饱和，磁芯中的气隙应较大。而在单端正激变换器中，变压器激磁电感的储能不用于供给负载，故磁化电流应相应小，变压器磁芯中的气隙也就较小。双功率晶体管单端正激变换器电感电流连续模式的输出电流电压为22NDUIO23TTO式中，占空比D05。如前所述，单端正激变换器中的整流二极管VD1，在功率开关管导通时导通，功率开关管截止时截止。若把整流二极管VD1看成输出回路中的功率开关，把高频变压器二次绕组电压看成输出回路的输入电压，则单端正激变换器的输出回路不仅在电路形式上和降压变换器的主回路一样，而且工作原理也相同。图26单晶体管单端正激变换器电路图单端正激式直流变换器具有类似降压变换器输出电压脉动小、带负载能力强等特点。但高频变压器磁芯仅工作在磁滞回线的第一象限，其利用率较低。采用单个晶体管的单端正激变换器电路图如图26所示。图中N3是变压器中的去磁绕组，通常这个绕组和一次绕组的匝数相等，并且保持紧耦合，它和储能反馈二极管VD3用以实现磁通复位（VD3在VT由导通变截止后导通）。当电路不设去磁绕组N3时，VT截止期间，在T中存储的能量将导致VT承受很高的电压幅值；并且在瞬态过程中高频变压器的漏感也引起关断电压尖峰叠加在VT上，易击穿主功率开关管。所以必须采用带有去磁绕组的二极管钳位电路，以便把原边高压限制在允许范围内。当VT导通时，输入电压加在原边绕组上，而副边绕组的感应电动势幅值为ENS/NP（EUI），其电流增长规律为24OPSLSILTUNEI/设原边绕组的电感量为LP，在VT导通期间去磁绕组中的励磁电流I将按ET/LP规律增大，导通结束后的幅值为ETON/LP，开关管电流即是I与折算负载电流和折算副边电感电流增量之和。当VT截止后，原边绕组上的电压极性反向，其幅值被二极管VD3钳位在输入电压值E，励磁电流I经去磁绕组和二极管VD3继续流动，并且按照如下规律减小25TLETIPONVD3显然，当VT截止时间与导通时间相等时，励磁电流下降到零，磁芯磁通复位结束，原边绕组上的感应电动势消失，VT施加的电压为E。可见导通脉宽不能超出周期的一半，以便满足磁通复位的条件。这种电路的UO仍用（22）和（23）计算，同样必须满足D05。为了表征各种电压或电流波形的好坏，一般都是拿电压或电流的幅值、平均值、有效值、一次谐波等参量互相进行比较。在开关电源之中，电压或电流的幅值和平均值最直观，因此，我们用电压或电流的幅值与其平均值之比，称为脉动系数S；也有人用电压或电流的有效值与其平均值之比，称为波形系数K。因此，电压和电流的脉动系数SV、SI以及波形系数KV、KI分别表示为26APU27AMIIS28ADVUK29ADII脉动系数S和波形系数K都是表征电压或者电流好坏的指标，S和K的值，显然是越小越好。S和K的值越小，表示输出电压和电流越稳定，电压和电流的纹波也越小。正激式开关电源正好是在变压器的初级线圈被直流电压激励时，变压器的次级线圈向负载提供功率输出，并且输出电压的幅度是基本稳定的，此时尽管输出功率不停地变化，但输出电压的幅度基本还是不变，说明正激式开关电源输出电压的瞬态控制特性相对来说比较好。只有在控制开关处于关断期间，功率输出才全部由储能电感和储能电容两者同时提供，此时输出电压虽然受负载电流的影响，但如果储能电容的容量取得比较大，负载电流对输出电压的影响也很小。如果要求正激式开关电源输出电压有较大的调整率，在正常负载的情况下，控制开关的占空比最好选取在05左右，或稍大于05，此时流过储能滤波电感的电流才是连续电流。当流过储能滤波电感的电流为连续电流时，负载能力相对来说比较强6。23主电路结构选择由于，直流电源变换器按其输入与输出是否进行电气上隔离，可分非隔离式变换器电路和隔离式变换器电路。两者除了均有变压功能外，后者还有输入电量与输出电量在电气上的隔离，以满足某些场合的需要。所以应该选择隔离式变换器电路。反激式开关电源虽然电路简单、元件数较少，成本相对较低，但是它比较适用于200W以下的小功率供电。而且，当控制开关的占空比为05时，正激式开关电源输出电压的幅值正好等于电压平均值的两倍，流过滤波储能电感电流的最大值也正好是平均电流（输出电流）的两倍。因此，正激式开关电源的电压和电流的脉动系数S都约等于2，而与反激式变压器开关电源的电压和电流的脉动系数S相比差不多小一倍，说明正激式变压器开关电源的电压和电流输出特性要比反激式变压器开关电源好很多。推挽式开关电源的缺点是两个开关器件需要很高的耐压，其耐压必须大于工作电压的两倍。因此，推挽式开关电源在220V交流供电设备中很少使用。因此，本次设计选用的是单端正激电路。正激电路又通常有单晶体管单端正激电路和双晶体管单端正激电路两种形式。双管电路相当于把两个单管串联起来使用，由于用两个二极管钳位，使两个开关管的耐压可以降低一倍，但是效率也会大大降低。单晶体管单端正激电路更符合设计的需要。24本章小结本章主要介绍了几种基本的变换器结构，它们的工作方式和优缺点。根据设计要求和它们各自的优缺点，最终选择出了适合本次设计的主电路拓扑结构。第3章输入、输出整流滤波电路的设计本章将主要分析输入整流滤波电路和输出整流滤波电路的组成部分和各自的工作原理，同时依据原理进行了选型和计算。在设计之前，需要对两个输出端的功率分配问题进行规定，设24V输出端功率为288W，输出电流为12A；12V输出端功率为60W，输出电流为5A。这样两个输出端加起来输出功率就是348W，与设计要求350W相差不大。31EMI滤波器电磁干扰（ELECTROMAGNETICINTERFERENCE，简写为EMI）是指任何能中断、阻碍、降低或限制电气、电子设备有效性能的电磁能量。电磁干扰信号是复杂多变,包括各种电磁噪声、有意电磁发射信号、连续波骚扰以及射频脉冲骚扰等。即使同样的干扰源,考虑到不同的应用环境,其测试需求也不同。电磁干扰分为传导干扰和辐射干扰。按频带分，可分为宽带干扰与窄带干扰。传到干扰又可分为共模干扰和差模干扰。辐射干扰也可分为共模干扰和差模干扰7。EMI形成的三个因素，如图31所示。图31电磁干扰三要素电磁干扰源，指产生EMI的组件、器件、设备、分系统、系统或自然现象。电磁干扰源有自然干扰源和人为干扰源。雷电放电，沙漠地区的沙暴和尘暴产生的局部EMI等。天电干扰源以及电阻等电子元器件产生的热噪声等属于自然干扰源。常见的人为干扰源包括电力线干扰源、旋转机械干扰源、点火系统干扰源和功能干扰源。敏感设备，指对电磁干扰发生回应的设备。耦合路径或称为耦合通道，指把能量从干扰源耦合或传输到敏感设备上，并使该设备产生相应的媒介。传导干扰和辐射干扰就是按照耦合路径来进行划分的。传导干扰是通过导线进行传播的，辐射干扰是通过“场”进行传播的。因此，分析传导干扰使用“电路”理论，而分析辐射干扰就必须采用电磁场理论。由此可见，要消除电磁干扰，可以采用去掉干扰源、切断干扰路径以及降低敏感设备的敏感度这三种办法中的一种即可8。311EMI滤波器的基本结构滤波是抑制EMI的措施之一。滤波器可以分为低通。高通。带通、带阻等类型。按照滤波器的结构可以分为T、型等。如图32所示。图32（A）与图32（B）中的电容器C能滤除串模干扰，区别仅是图（A）将C接在输入端，图（B）则接到输出端。图32（C）、图32（D）所示电路较复杂，抑制干扰的效果更佳。图32（C）中的L、C1和C2用来滤除共模干扰，C3和C4滤除差模干扰。C1和C2采用薄膜电容器，容量范围大致是001F047F。C3和C4选用陶瓷电容，容量范围是2200PF01F。R为泄放电阻，可将C3上的累计电荷泄放掉，避免因电荷积累而影响滤波特性；断电后还能使电源的进线端L、N不带电，保证使用的安全性。图32（D）则是把共模干扰滤波电容C3和C4接在输出端。（A）（B）（C）（D）图32EMI滤波器典型电路312EMI滤波器的设计本文选用图32（D）的电路结构，具体如图33所示。该五端器件有两个输入端、两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地。电路中包括共模扼流圈（亦称共模电感）L、滤波电容C1C4。共模滤波器L主要滤除在两条功率线路与大地之间产生的噪声。共模滤波器中的“变压器”绕组是同相的，但是流经绕组的交流电流是反相的。结果是两股相反方向的电流在磁心内产生的交流磁通量相互抵消。L对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。它的两个线圈分别绕在低损耗、高导磁率的铁氧体磁环上，当有电流通过时，两个线圈上的磁场就会互相加强，L的电感量与EMI滤波器的额定电流I有关。需要指出的是，当额定电流较大时，共模扼流圈的线径也要相应增大，以便能承受较大的电流。此外，适当增加电感量，可改善低频衰减特性。图33EMI滤波电路在开始计算元件值之前，需要测量未滤波前传导噪声频谱，或者做出一些假设。这是为了确定共模滤波器在哪些频率上需要多少衰减。一个合理的假设是在开关电源的开关频率处需要大概24DB的衰减。当绕，实际使用时需要按照实际的传导噪声频谱