【《基于磷酸铁锂电池的开关电源设计》11000字】

（C月994．2021ChinaAcademicJournalElectronicPublishingHouse.Allrightsreserved.1.超前桥臂和滞后桥臂移相控制全桥变换器可以分为两种臀桥，分别是超前（Leading）桥臂和滞后(Lagging)臀桥。按照所给定的开通时序，如图4一3所示，左桥臂开关管Tr1、Tr3的开通分别超前于右桥臂开关管Tr2、Tr4.因此定义：Tr1、Tr3组成超前桥臂：Tr2、Tr4组成滞后桥臂。当开关管Tr1、Tr3相互转换时，变压器是处于能量传送阶段。此时输出滤波电感Lf很大，基本上可看做是恒流负载。开关管Tr2、Tr4相互转换时，高频变压器副边处于续流阶段。变压器漏电感释放电感储能，使谐振电容电压下降到零，从而能够实现ZVS。要满足的条件为电感储能能量必须大于所有参与谐振的电容能量。主电路上并联一个辅助谐振网络后，滞后臂开关管在轻载时亦能完美地实现ZVS，而且高频变压器副边占空比的丢失也明显地减少了，从而整个通信电源的输出功率也相应地提高了，极大地改善了电源的性能。而且增设的辅助谐振网络不会于扰主功率变换电路，并且功耗也小，其工作状态绝不会受到负载工作电流大小的影响。REF_Ref73904068\r\h[5]图3.8ZVS波形图在ZVS波形图中可以看出，超前桥臂开关管Q3在开通和关断过程中，都能够实现零电压图3.9ZCS波形图在ZCS波形图中可以看出滞后桥臂Q4管在开通和关断过程中都能实现零电流，变换器实现软开关4开关电源的主电路的设计4.2开关电源的工作原理开关电源是一种将交流电源电压转换为所需直流电压并引入电路隔离的电源装置。然后在高频交流时将均衡后的直流电转换为高频交流，控制电路的PWM脉冲工作周期由电压和功率输出决定。控制电路还包括控制芯片的剩余电源和正在使用的保护电路。变频器的高频交流电压也经过了补偿滤波器的校正和滤波，为了达到所要求的高效率和高效率的直流电压，电能供应系统的供电系统必须对供电系统中的供电设备和供电设备进行分类和处理，如果供电系统中的供电设备需要继续供电，则必须对供电设备和供电设备进行隔离电路。脉冲电流的循环，控制电路的电压和功率保护电路系统。如果在要求的供电系统和连续供电系统的供电系统中，就能得到在整流滤波后就能得到高质量的直流电压。图3.1开关电源基本原理图4.3全桥LLC串联谐振开关电源经过不断地改进，全桥LLC谐振开关变换器由于其软开关技术而得到广泛应用，电路结构简单，工作效率高，并在输入电压和负载变化范围很大的状况下也可以保持优秀的的电压调节性能。输出与输入之间的隔离变压器结构也可以在中心抽头式与普通的单输出绕组之间进行选择，其中由前者构成的输出整流电路具有高效率的优势，但绕制较为困难，后者绕制简单，但效率相对较高。下面将对LLC全桥谐振的工作原理进行阐述，分析不同工作周期下的换能器特性，分析了直流增益与工作频率的关系。采用软开关技术对全桥LLC谐振开关进行改造，变压器的第一谐振回路将直流电压转换为方波电压，根据LLC谐振变换器的主电路工作原理和节能、应用和综合研究，不断改进LLC谐振变换器的拓扑结构，输入电压恒定为方波电压。LLC主谐振回路和LLC二次开关回路可以组合成不同的拓扑结构，作为动作元件，漏感的时候或外部感应起谐振作用，然后将直流谐振转化为正弦波电压.变压器二次管道将方波电压转化为直流输出电压，LLC一次谐振电路和LLC二次定向电路可组合成几种不同的拓扑类型。4.3.1LLC全桥变换器基本原理与传统的软开关技术不同，LLC谐振变换器采用脉冲频率调制(PFM)的控制方式，通过改变输入谐振腔内部脉冲的工作频率实现对变换器输出电压的调整，其变换器的工作原理图如图2-2所示图4.1LLC原理图图中，谐振腔内的谐振电容、谐振电感、励磁电感仍分别由Cr，Lr以及Lm表示，R1为输出电阻在变压器原端的等效值，Z1为励磁电感与等效电阻的并联等效阻抗。LLC谐振变换器的输入电压为直流电压，母线电压经过开关管斩波后输出方波，其频率与开关频率相同，属于半桥拓扑结构，该方波的幅值在0电压与母线电压之间变化，对于全桥变换器，其幅值在正、负母线电压之间变化。因此谐振腔的实际输入为频率可变的方波，在上图中使用脉冲电压源Ui代表。，它既吸收了串联谐振变换器谐振电容的隔直作用，谐振回路电流随负载轻重而变化，及轻载时效率较高的优点，同时又兼具了并联谐振变换器可以在空载条件下进行工作，对滤波电容的电流脉动要求小的特点，还解决了传统降压变换器存在的整流二极管的反向恢复问题及输入电压较高时变压器占空比小的问题，是一种比较理想的谐振变换器拓扑。但它在传统串联谐振变换器的基础上增加了一个谐振元件，电路特性变得更为复杂意为了能设计出满足技术指标的LLC谐振变换器参数，必须要对变换器的工作机理和特性进行分析。该电路可以分为：方波产生模块、谐振网络、整流滤波模块以及输出负载个模块。其中方波产生模块主要由全桥的4个开关管组成，开关管Q1和Q3的控制脉冲相同，占空比为50％，Q2和Q4的控制脉冲相同，占空比亦为50％，为防止出现百通现象，Q1、Q3和Q2、Q4脉冲留有一定的死区时间：当只有谐振电容Cr和谐振电感参与谐振时，谐振频率为压当谐振电容Cr、谐振电感L,以及励磁电感Lm三者一起谐振时，谐振频率为全桥：整流滤波模块由整流二极管DRI、DR2和滤波电容组成。REF_Ref74603655\r\h[8]图4.2全桥LLC谐振开关变换器主电路拓扑结构4·4高频变压器高频变压器式开关电源的重要组成部分，在电路中主要具有隔离和降压的功能，工作时的电压、电流都不是正弦波形，在高频状态下工作，对磁芯材料的要求是高频损耗要足够小，才能满足正常的工作，现在的高频变压器所用的国产磁材多数为锰锌铁氧体，以MXD-2000型号的各种参数较适合制造各种环境下工作的高频变压器，铁氧体变压器磁芯结构有环形、EE型、EI型、E型、U型和罐型选择磁芯形状的原则应考虑漏磁小、线圈绕制方便、散热条件好等。铁氧体虽然高频损耗较低，但因其饱和磁感应值较低，铁芯的体积和重量仍较大，此外，铁氧体的居里温度较低，热稳定性差高频变压器中电磁干扰主要是对于高频传导和辐射干扰的处理，应采取以下措施：选择高渗透性核材料，以尽量减少漏磁；通过对高频换能器的中心部分短路来补偿换能器的漏磁。降低磁芯处的流量可降低振幅的扩散磁场，这是一种共模作用噪声，它比保护变换器更经济有效，但只会增加变换器的数量。REF_Ref73904068\r\h[5]4.5输入滤波电路在开关电源的设计中为了降低噪声，滤除二次侧整流电路输出的脉动直流中的交流成分，得到平滑的直流输入，在设计上一般采用消除或抑制干扰源并同时隔断干扰耦合途径的方式，这样处理抑制了开关电源对其他装置以及与电网侧之间的干扰问题。在电源输入滤波电路中，为了得到比较理想的的直流电压，需要利用具有储能作用的电抗性元件，通常采用常态滤波电感和常态滤波电容来抑制差模常态噪声，而用高频旁路电容和共模扼流圈来衰减和吸收纵向共模噪声，来滤除整流电路输出电压中的脉动成分以获得直流电压。图4.3为开关电源中实际使用的输入滤波器。在上述滤波电路中，小容量的高频电容q和q滤除电路中的差模噪声信号，同时高频电容q、q以及电感Ll组合起到滤除电路共模噪声的作用，而大容量的电解电容、C4和电感L2共同组成低通滤波，而小容量的无感电容Cl、组成高频滤波来补偿电解电容低通滤波器的高频性能。REF_Ref74603461\r\h[7]图4.3输入滤波电路原理图4.6倍频整流电路高频开关电源的整流电路组成通常会使用双端工作的逆变开关电路，对于直流电源，输出所需的直流二极管应具有正向压降、反向快速恢复和足够的输出功率等特性。全波整流电路具有的优势在于在感应电路中，单二极管的电压损耗随时都会发生，因只有一个二极管压降，所以在使用过程中的传输的损耗会低一些。则在使用整个整流电路时，变压器的二次侧需要集中连接，这使得高频变压器的绕线变得十分复杂，而且在更大的电流下损耗更大，变压器的有一个中心连接，这会更难保证传输的损耗问题，不适用于对精度要求严格的大型通信设备。全桥缺点是二极管断开后能承受两倍的交流电压幅值，需要元件的耐高压性。变压器的二次开发有一个中心连接，这是比较困难的。全桥整流电路不足在于，电路中的感应电流在任何时候都会通过两个二极管，所需整流二极管的数量会大大增加电路，并且还需要四个二极管和大量的元件，功耗会有所提升，设计会相对复杂一些。相较于前全波或全桥滤波器，这里使用了倍频整流电路。倍频整流电路的优势在于匝数是是全桥滤波器的两倍，而电路的输出电流确是绕组的两倍，并且它并不需要一个中心抽头，尽管在这个循环中使用了两个滤波电感，因为电流是负载电流的一半，允许的峰值剥离电流是负载三脚架电流的两倍，所以电感的体积可以可以更小，在此基础上电感的重量与全波滤波器的重量没有区别，导体可以做到更加轻薄。在本次48V大功率的通信开关原设计中更加适合。图4.7倍频整流电路图4.6参数计算4.7．主电路仿真在本次通信用开关电源的电路设计中，为了确保电源的实际正常工作，我们使用相关的电路仿真软件进行工作性能分析。图4.8是我对通信电源主电路做Psim仿真分析，根据我们预先的设计绘制出主电路的仿真图：图4.8主电路仿真图图4.9整个电路的输出电压波形基于之前的的的电路设计以及相关的元件选择后，使用RunSimulation功能菜单启动通信电源的主电路仿真程序，利用Psim仿真结果显示，我们通过整体的设计，可以稳定输出48v直流电源。五．总结设计了基于磷酸铁锂电池的通信用开关电源，磷酸铁锂电池的工作原理和其在通信领域的优势表现进行相关说明，在对比了磷酸铁锂电池与铅酸蓄电池的体积、质量、环保性和安全性等方面，以及在当今通信设备应用上的实际情况,在此基础上证明了磷酸铁锂电池在通信电源方向中应用的优势。介绍了通信用高频开关电源的发展现状和发展趋势并结合开关电源的工作原理，特别是电路拓扑结构，详细分析了DC-DC电路。主要讨论了EMI问题对通信电源的影响，分析了高频开关电源的电磁干扰问题，提出了解决方案为了降低电源开关的损耗，利用变压器的漏感率、输出滤波器的电感率和桥式电路的容量构成谐振开关，实现电源开关的零电压锁定。说明了软开关技术在通信用开关电源的应用，设计了移相全桥变换器。详细分析了实现超前臀桥实现0电压和滞后臀桥实现0电流的条件，讨论了实现层臂桥零电压和电流的难点，并加以设计。结果表明，该设计成功地实现ZVS和ZCS，输出电压稳定有效，最后，利用计算机仿真软件对系统的动态性能进行了仿真和验证。为了降低功率开关的开关损耗，在电路研制过程中形成了谐振电路，电源的主回路是采用全桥LLC谐振电路，对设计中的高频变压器，滤波电路，倍频整流电路进行了设计，在Psim中实现了48V直流电的稳定输出，完成了本次基于磷酸铁锂电池的通信用开关电源的设计。参考文献胡坚.磷酸铁锂电池在通信行业应用的深入研究[D].吉林大学,2014.何栋.磷酸铁锂电池的工作原理及其在通信基站中的应用[D].南京邮电大学,20