开关电源的设计修订版

1、物理与机电工程学院（2015 2016学年第 二 学期）综合设计报告开关电源的设计专 业：电子信息科学与技术 学 号：2014216010姓 名：侯涛指导教师：石玉军开关电源的设计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MOSFE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

2、途之一是为信息产 业服务。信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求， 从而促进了开关电源 技术的发展。开关电源的高频变换电路形式很多，常用的变换电路有推挽、全桥、 半桥、单端正激和单端反激等形式。本文章是基于芯片UC3842的小功率咼频开关电源系统设计。关键词开关电源半桥 全桥高频变压器1、引言1.1研究的背景随着大规模和超大规模集成电路的快速发展， 特别是微处理器和半导体存储 器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。 显然，那种体积大而笨重的使用 工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率 高的隔离式开关电源。开关电源技术发展趋势可以归纳以下几点: 小型化、薄

3、型化、轻量化、高频化是开关电源的主要发展方向。 提高可靠性，提高集成度，增加保护功能，拓宽输入电压围，提高平均无故障时间。 随着频率提高， 开关电源的噪声随之增大， 降低噪声也是高频开关电源的 研究方向。 提高电源装置和系统的电磁兼容性 (EMC) 。 用计算机软件进行辅助设计与控制， 具有高效、 高精度、 高经济性和高可 靠性的优点， 可以使开关电源具有最佳电路结构与最佳工作状况。 开关电源高频 化的实现，与磁性元件和半导体功率器件的发展状况有着密切的关系。隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。 它使交流电源高效率地产 生一路或多路经调整的稳定直流电压。 早在 70 年代，随着电子技术

4、的不断发展， 集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、 彩色电视机、卫星通信设备、 程控交换机、 精密仪表等电子设备。 这是由于开关电源能够满足现代电子设备对 多种电压和电流的需求。随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管 使 无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展 又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础， 适应各类开关电源控制要求的集成 开关稳压器应运而生， 其功能不断完善， 集成化水平也不断提高， 外接组件越来 越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前 己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近年来高反压 MOS 大功率

5、管的 迅速发展，又将开关电源的工作频率从 20kHz提高到150200kHz，其结果是使 整个开关电源的体积更小， 重量更轻， 效率更高。 开关电源的性能价格比达到了 前所未有的水平， 使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。 当然开关电源能被 工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。在 70 年代后期，功率在 100W 以上开关电源是有竞争力的。到 1980 年，功率在 50W 以上就具有竞争力 了。随着开关电源性能的改善，到 80 年代后期，电子设备的消耗功率在 20W 以 上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率围成本较高，但进入 90 年代后，其成本下降非常显着，当然这

6、包括了功率组件，控制组件和磁性组 件成本的大幅度下降。 此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。1.2 研究的目的及意义1.2.1 研究的目的 随着社会经济的发展，人类已经进入工业时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期， 电源是向负载提供优质电能的供电设备， 是工业的基础。 本论 文的目的就是查阅相关资料， 掌握开关电源的部结构， 学习怎样设计小功率开关 电源的方法，这以后从事相关事业打下基础，开阔视野，从而提高自身的能力。1.2.2 研究的意义课题研究的意义在于：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

7、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。1.3 高频开关电源的发展情况1.3.1开关电源的发展情况目前我国通信、 信息、 家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源， 相 控电源将逐渐被淘汰。 国开关电源技术的发展， 基本上起源于 20世纪 70 年代末 和 80 年代初。当时引进的开关电源技术，在高等院校和一些科研院所停留在实 验开发和教学阶段。 20世纪 80 年代中期开关电源产品

8、开始推广和应用。 20 世纪 80 年代开关电源的特点是采用 20kHz 脉宽调制（ PWM ）技术，效率可达 65%70%。经过 20 多年的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。新型 功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率 MOSFET 和 IGBT 可使小型开 关电源的工作频率达到 400kHz（AC/DC）或1MHz（DC/DC）;软开关技术使高频开 关电源的实现有了可能， 它不仅可以减少电源的体积和重量， 而且提高了电源的 效率（国产 6kW 通信开关电源采用软开关技术，效率可达 93%）；控制技术的 发展以及专用控制芯片的生产， 不仅使电源电路大幅度简化， 而且使开关电源的

9、 动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术（ APFC）的开发，提高了 AC/DC 开关电源的功率因数，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的 整体效率。1.3.2高频开关电源的主要新技术标志新型磁性材料和新型变压器的开发、新型电容器和 EMI 滤波器技术的进步 以及专用集成控制芯片的研制成功，使开关电源实现了小型化，并提高了 EMC 性能。微处理器监控技术的应用， 提高了电源的可靠性， 也适应了市场对其智能 化的要求。新型半导体器件的发展是开关电源技术进步的龙头。 目前正在研究高 性能的碳化硅半导体器件， 一旦开发成功， 对电源技术的影响将是革命性的。 此 外，平面变压器、 压电变

10、压器及新型电容器等元器件的发展， 也将对电源技术的 发展起到重要作用。 另外，集成化是开关电源的一个重要发展方向。 通过控制电 路的集成、驱动电路的集成以及保护电路的集成，最后达到整机的集成化生产。 集成化和模块化减少了外部连线和焊接， 提高了设备的可靠性， 缩小了电源的体 积，减轻了重量。目前。总之，回顾开关电源技术的发展过程， 可以看到， 高效率、小型化、集成化、 智能化以及高可靠性是大势所趋， 也是今后的发展方向， 因此高频开关电源的发 展很具研究意义！在开关电源领域， 我国的民族产业在国一直占有举足轻重的地位。 在开关电 源应用的起步阶段，很多生产厂家采取的都是小作坊的生产模式。经过

11、20余年 的不懈努力，逐步向大规模生产转化，产品也从单一品种走向系列化。现在，我 国已形成一批上亿元甚至 10 亿元以上产值的电源企业，有些产品已进入国际市 场。这是我国开关电源技术不断成熟的表现。从技术上看，几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的主要标志 如下所述：（1）新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可能功率 MOSFET 和 IGBT 已完全可以取代功率晶体管和晶闸管， 从而使中小型开关电源 工作频率可以达到 400KHz（AC-DC） 和 1MHz（DC-DC） 的水平。超快恢复功率极 管，MOSFET同步整流技术的开发也使高效低电压输出（例如3V）开关电源的

12、研 制有了可能。现在正在探索研制耐高温的高性能炭化硅功率半导体器件。（2） 软开关技术使高频率开关变换器的实现有了可能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。开关电源高频化可以缩减体积重量，但开关损耗却更大了（功率与频率成正比 ）。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以提 高到 80-85%。70 年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础，以后新的软开关 技术不断涌现， 如准谐振（80 年代中）， 全桥 ZVS-PWM

13、 、恒频 ZVS-PWM/ZCS-PWM（80 年 代 末 ） 、 ZVS-PWM 有 源 钳 位 ； ZVT-PWM/ZVCT-PWM（90 年代初 ）；全桥移相 ZV-ZCS-PWM（90 年代中 ）等，我 国己将最新软开关技术应用于 6KW 通信电源中，效率达 93%。（3）控制技术研究的进展，例如电流型控制及多环控制，电荷控制，一周期控制，功率因数控制，DSP控制及相应专用集成控制芯片的研制成功等，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。（4）有源功率因数校正技术（APFC）开发，提高了 AC-DC开关电源功率因 数，由于输入端有整流电容组件， AC-DC 开关电源及一大类整流

14、电源供电的电 子设备（如逆变器，UPS）等的电网侧功率因数仅为0.65。80年代用APFC技术后 可以提高到 0.95-0.99。既治理了电网的谐波 “污染”，又提高了开关电源的整体效 率。（ 5）磁性组件新型材料和新型变压器的开发， 例如集成磁路， 平面型磁心， 超薄型（Low profile）变压器。新型变压器如压电式，无磁心印制电路（PCB）变压器 等，使开关电源的尺寸重量都可减少许多。（6）新型电容器和 EMI 滤波器技木的进步，使开关电源小型化并提高了 EMC 性能。（7）微处理器监控和开关电源系统部通信技术的应用，提高了电源系统的 可靠性。 90 年代末又提出了新型开关电源的研制开

15、发，这也是新世纪开关电源 的远景。如用一级 AC-DC 开关变换器实现稳压或稳流，并具有功率因数校正功 能，称为单管单级（Single Switch Single Stage或4S高功率因数AC-DC开关变换 器；输出1V, 50A的低电压大电流DC-DC变换器，又称电压调节模块 VRM，以 适应下一代超快速微处理器供电的需求。2、设计容和要求2.1初始条件：输入交流电源：单相 220V,频率50Hz。2.2主要任务：1、输出两路直流电压：12V, 5V。2、直流最大输出电流1A。3、完成总电路设计和参数设计。3、方案的论证和选择3.1方案一：电源输入，即单相交流电压。输出为：12V、5V直流

16、电压，最大电流1A。交 流电220V经过一个整流滤波电路后得到直流电压，送入DC-DC降压斩波电路，控制电路提供控制信号控制 MOSFE管的关断，调节直流电压的占空比，最后经 过LC滤波电路得到所需电压。通过对输出电压的取样，比较和放大，调节控脉 冲的宽度，以达到稳压输出的目的。开关电源原理框图如图1所示。整流部分是利用具有单向导通性的二极管构成桥式电路来实现的；滤波部分是利用电容电感器件的储能效应，构成 LC电路来实现的；降压部分是利用降压 斩波电路来实现，控制方式为脉宽调制控制（PWM,即在控制时对半导体开关 器件的导通和关断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲 用这些脉

17、冲来代替正弦波或其他所需要的波形。 本次设计的开关电源控制时首先 保持主电路开关元件的恒定工作周期 （T=Ton+Toff），再由输出信号与基准信号 的差值来控制闭环反馈，以调节导通时间 Ton,最终控制输出电压（或电流）的 稳定。3.2方案二：首先对输入的220V,50Hz的交流电源进行整流滤波，得到直流电压，再经过 高频逆变得到高频交流电压，然后在经过高频变压器降压，再经过高频整流得到 脉动直流，最后经过滤波器得到要求的直流电。整体设计方框图如图 2所示：12V、5V DC图2整体设计方框图整流部分是利用具有单向导电性质的二极管构成的桥式电路来实现；滤波 部分则是利用电容电感器件的储能效应

18、，构成 LC电路来实现的；高频逆变电路 则是通过开关电力电子器件的开通关断性质实现的； 高频变压器降压则是通过互 感变压器实现降压的；高频整流则是通过整流器件实现交流变脉动直流的；而滤波器则是通过电容的滤波效应实现脉动直流向直流的转化的。由于方案一，方案二均设计难度大，不易操作，故采用方案三（见系统框图）4、系统框图开关电源通常由六大部分组成，如图 3所示。V第一部分是输入电路，它包含有低通滤波和一次整流环节。 220V交流电直 接经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压 Vi，此电压送到第二部分进 行功率因数校正，其目的是提高功率因数，它的形式是保持输入电流与输入电压同相。功率因数校正的方

19、法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。所谓有源功率因数校正，是指电源在校正过程中常采用三极管和集成电路。开关电源电路常采用有源功率因数校正。 第三部分是功率转换，它是由电子开关 和高频方波脉冲电压。第四部分是输出电路，用于将高频方波脉冲电压经整流滤 波后变成直流电压输出。第五部分是控制电路，输出电压经过分压、采样后于电 路的基准电压进行比较、放大。第六部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波 段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制， 达到脉冲宽度可调。有了高频振 荡才有电源变换，所以说开关电源的实质是电源变换。5、硬件系统的设计5.1启动电路5.2 PWM脉冲控制驱动电路CiNL)实验总

20、电路图GNDGN flDCR15.3电路输出部分的设计根据设计要求，输出电路部分采用升压式斩波电路。这一部分电路由电感、 续流二级管、电容及负载电阻组成。升压斩波电路的基本原理：开关管以UC3842设定的频率周期开闭，使电感 L储存能量并释放能量。当 开关管导通时，电感以Vi/L的速度充电，把能量储存在L中。当开关截止时， L产生反向感应电压，通过二极管D把储存的电能以(VO-Vi) /L的速度释放到输 出电容器C2中。输出电压由传递的能量多少来控制，而传递能量的多少通过电 感电流的峰值来控制。DC-DC勺输入电5.4电路图由三部分组成:(1) 启动电路，即降压整流滤波电路，这部分主要是得到压

21、和为UC3842提供驱动电压。（2）PWM脉冲控制驱动电路，它的主体是一个 UC3842芯片，以及它的外围 电路组成。用它的脚的输出脉冲控制 MOS管的工作，并且它自带保护脚，简 单方便。（3）输出部分，它是由一个升压直流斩波电路构成，结构原路简单。6、软件系统的设计6.1开关电源的基本原理开关稳压电源（简称开关电源）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。开关电源一般多采用脉冲宽 度调制（PWM控制方式。随着电力电子技术的发展和创新，开关电源逐步向高 频化方向发展。高频化使开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点，因此， 研究、开发高质量的开关电

22、源就变得十分必要，尤其在节约能源、节约资源及保 护环境方面都具有重要的意义。开关稳压电源具有， 效率高，输出功率大，输入电压变化围宽， 节约能 耗等优点， 而被广泛使用在各个行业和领域中。开关电源的工作原理就是通过 改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即占空比来改变输出电压，通常有 6.2三种调制方式：脉冲宽度调制（PWM）、脉冲频率调制（P F M）和混合调制。P W M调 制是指开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式，因为周期恒定，滤波电路的设计容易，是应用最普遍的调制方式。开关稳压电源的主回路框图如 图 所示，由隔离变压器产生一个1 8 V的交流，经过整流滤波成一个直流，去控

23、制开关电源管的导然后再进行D C - D C 变换，有P W M的驱动电路, 通和截止， 而产生出一个稳定的电压源，如图所示：开式福乐电測i7、测试结果OIMCi T?-T IFnco2.5-50 b减蓝_5一壬MO sQ.OCO QO.D0O V冏AJk1-辽1召：.J 1壬tJrtH4U1位魅对占o*iaOR那U1 7cI V/T aflt=盘淖0直忍-*次正JS自*壬a滤波整流电路波形图仿真结果，经过整流滤波后的输出电压是18.7V8、结论在这个实验中，我知道了开关电源的概念、分类以及如何设计一个简易的开 关电源；当然通过这个实验我知道了成功是建立在失败的基础之上的，没有不经历失败就可以直接把实验做成功的； 只有通过自己的努力，才会获得相对应的收 获。这个实验更加让我对 Multisim、Altium Desiger 软件的学习与应用；我大 概也知道了制PCB板时板尺寸大小以及合理的放置元件，相信我在以后的实验中 会做的更好。此次开关电源，其工作原理是 PWM即脉宽调制法。在这种工