畢業(yè)設(shè)計（論文）開關(guān)電源μPC1094C芯片電路設(shè)計

1、目 錄1 緒 論11.1 開關(guān)電源及其發(fā)展趨11.1.1 國內(nèi)開關(guān)電源的發(fā)展概況21.1.2 國外開關(guān)電源的發(fā)展概況31.2 題目研究方法與價值52 開關(guān)電源幾種電路拓撲圖82.1 降壓型（buck）變換器82.2 升壓型（boost）變換器92.3 極性反轉(zhuǎn)升降壓（buckboost）變換器112.4 cuk變換器122.5 單端正、反激式變換器142.6 推挽變換器152.7 半橋、全橋變換器162.7.1 半橋變換器162.7.2 全橋變換器173 恒流開關(guān)電源設(shè)計193.1 電源技術(shù)要求193.2 開關(guān)電源設(shè)計步驟193.3 變壓器設(shè)計223.3.1 輸出變壓器次級電壓u2計算223.

2、3.2 初、次線圈計算223.4 輸出濾波器的設(shè)計233.4.1 輸出扼流圈的電感值設(shè)計233.4.2 輸出濾波電容的確定243.4.3 濾波器電阻設(shè)計243.5 復(fù)位電路計算253.6 功率開關(guān)管選擇263.7 輸出二極管的選擇273.7.1 整流二極管vd1選擇283.7.2 續(xù)流二極管vd2選擇283.8 恒流輸出電路設(shè)計283.8.1 恒流輸出原理283.8.2 恒流輸出計算293.9 緩沖吸收電路設(shè)計303.10 控制電路設(shè)計313.11 pcb板布線344 電路仿真354.1 仿真原理圖354.2 進行各項參數(shù)與波形仿真測試361 緒 論1.1開關(guān)電源及其發(fā)展趨開關(guān)穩(wěn)壓電源簡稱開關(guān)

3、電源 (switching power supply)，因電源中起調(diào)整穩(wěn)壓控制功能的器件始終以開關(guān)方式工作而得名。它是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，通過控制開關(guān)管通斷的時間比率來維持輸出電壓穩(wěn)定的一種電源，具有體積小、重量輕、功耗小、效率高、紋波小、噪音低、智能化程度高、易擴容等優(yōu)良特性1，廣泛應(yīng)用在諸如計算機、彩色電視機、程控交換機、攝像機、vcd、電子游戲機等電子設(shè)備上。隨著電力電子技術(shù)的發(fā)展，特別是大功率器件igbt和mosfet的迅速發(fā)展，將開關(guān)電源的工作頻率提高到相當高的水平，使其具有高穩(wěn)定性和高性價比等特性，因此，開關(guān)電源將逐漸取代使用工頻變壓器的線性穩(wěn)壓電源。 開關(guān)電源技術(shù)的主要用途之一

4、是為信息產(chǎn)業(yè)服務(wù)。信息技術(shù) (it)的發(fā)展對電源技術(shù)又提出了更高的要求，從而促進了開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，兩者相輔相成才有了現(xiàn)今蓬勃發(fā)展的信息 產(chǎn)業(yè)和電源產(chǎn)業(yè)。從日常生活到最尖端的科學都離不開電源技術(shù)的參與和支持，而電源技術(shù)和 產(chǎn)業(yè)對提高一個國家勞動生產(chǎn)率的水平，即提高一個國家單位能耗的產(chǎn)出水平，具有舉足輕重 的作用。而在這個方面我國與世界先進國家的差距很大，作為一個電源工作者，應(yīng)該不僅只局限于完成當前的本職工作，還必須通過各種信息渠道及時搜索和掌握電源技術(shù)最新發(fā)展方向與 電源相關(guān)的元器件、原材料的最新發(fā)展動態(tài)，及時吸取國內(nèi)外先進的薄膜工藝、厚膜工藝、集成化工藝等，只有這樣才能設(shè)計出世界上一流的電

5、源產(chǎn)品。 概括地講，開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展趨勢為2：繼續(xù)向高頻、高效、高密度化、低壓、大電流化 和多元化發(fā)展。其封裝結(jié)構(gòu)、外形尺寸必然向國際標準化發(fā)展，以適應(yīng)全球一體化市場的要求進而使國內(nèi)電源產(chǎn)品進入國際市場2。 最后，強調(diào)一下，性能價格比仍然是贏得市場占有率的永恒主題。產(chǎn)品價格、各種性能指標、品牌效應(yīng)及使用壽命一直是廣大用戶最關(guān)心的問題。國內(nèi)知名電源廠商及世界頂級電源供 應(yīng)商都面對同樣的壓力， 價格之爭、性能比拼、產(chǎn)品的精益求精以至藝術(shù)化、人性化設(shè)計都是 電源廠商必須面對的問題，特別是在當前信息時代，由于信息網(wǎng)絡(luò)給客戶提供了網(wǎng)上查詢、定 貨、采購的平臺，使產(chǎn)品價格變得日趨公開，迫使每個電源供應(yīng)商

6、都采取降低成本，提高性價比等一系列措施，盡最大努力贏得市場占有率。1.1.1 國內(nèi)開關(guān)電源的發(fā)展概況 (1) 電源技術(shù)的發(fā)展 21世紀我國通信、信息、家電、和國防等領(lǐng)域的電源普遍采用高頻開關(guān)電源，相控電源將逐漸淘汰。國內(nèi)開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，基本起源于20世紀70年代末和80年代初。當時引進的開關(guān)電源技術(shù)在高等院校和一些科研院所停留在實驗開發(fā)和教學階段。20世紀80年代中期開關(guān)電源產(chǎn)品開始推廣和應(yīng)用。20世紀80年代開關(guān)電源的特點是采用20khz，脈寬調(diào)制（pwm）技術(shù)，效率可達65%70%。經(jīng)過20多年的不斷發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)有了重大進步和突破。新型功率器件的開發(fā)促進了開關(guān)電源的高頻化，功率m

7、useft和igbt可使中小型開關(guān)電源工作頻率達到400khz，（ac/dc）或1mhz(dc/dc)；軟開關(guān)技術(shù)使高頻開關(guān)電源的實現(xiàn)有了可能，它不僅可以減少電源的體積和重量，而且提高電源的效率，國產(chǎn)6kw通信開關(guān)電源，采用軟開關(guān)技術(shù)，效率可達93%；控制技術(shù)的發(fā)展以及專用控制芯片的生產(chǎn)，不僅使電源電路大幅度簡化，而且使開關(guān)電源的動態(tài)性能和可靠性大大提高；有源功率因數(shù)校正技術(shù)(apfc)的開發(fā)，提高了ac/dc開關(guān)電源的功率因數(shù)，既治理了電網(wǎng)的諧波污染，又提高了開關(guān)電源的整體效率3。在開關(guān)電源的所有應(yīng)用領(lǐng)域內(nèi)，通信電源是增長速度最快的一部分。新型磁材料和新型變壓器的開發(fā)，新型電容器和emi濾波

8、器技術(shù)的進步，以及專用集成控制芯片的研制成功，使開關(guān)電源實現(xiàn)了小型化，并提高了emc性能。微處理器監(jiān)控技術(shù)的應(yīng)用，提高了電源的可靠性，也適應(yīng)了市場對其智能化的要求。新型半導(dǎo)體器件的發(fā)展是開關(guān)電源技術(shù)進步的龍頭。目前正在研究高性能的碳化硅半導(dǎo)體器件，一旦開發(fā)成功，對電源技術(shù)的影響將是革命性。此外，平面變壓器、壓電變壓器及新型電容等元器件的發(fā)展，也將對電源技術(shù)的發(fā)展起到重要作用。總之，高效、小型化、集成化、智能化以及提高可靠性是大勢所趨，也是今后的主要發(fā)展方向4。(2)電源生產(chǎn)的發(fā)展 在開關(guān)電源領(lǐng)域，民族產(chǎn)業(yè)一直占有舉足輕重的地位。在開關(guān)電源應(yīng)用的起步階段，很多生產(chǎn)廠家采取的都是小作坊的生產(chǎn)模式。

9、經(jīng)過20多年的不懈努力，逐漸向大規(guī)模生產(chǎn)轉(zhuǎn)化，產(chǎn)品也從單一品種走向系列化。現(xiàn)在，我國已經(jīng)形成一批上億元、甚至10億元以上產(chǎn)值的電源企業(yè)，有產(chǎn)品已進入國際市場。（3）電源市場的發(fā)展 我國信息產(chǎn)業(yè)、國防工業(yè)、家電行業(yè)，特別是電信業(yè)的迅猛發(fā)展，是電源市場發(fā)展的強大推動力。據(jù)國家統(tǒng)計局最新資料顯示，當前我國電子信息產(chǎn)業(yè)的產(chǎn)區(qū)、產(chǎn)出、銷售總規(guī)模以及對國家經(jīng)濟增長得貢獻，均居全國工業(yè)行業(yè)之首，成為我國工業(yè)第一支柱產(chǎn)業(yè)。（4）電源標準的制定 20世紀90年代初，高頻開關(guān)電源的應(yīng)用剛剛在電子、電信行業(yè)起步，適時頒布的通信用高頻開關(guān)整流器和通信局（站）電源系統(tǒng)總技術(shù)要求等標準對指導(dǎo)生產(chǎn)、服務(wù)用戶起到了重要作用，

10、對高頻開關(guān)電源在電信行業(yè)的迅速推廣也起到了積極作用。隨著市場的擴大，用戶對電源智能化程度的要求越來越高，有關(guān)電源集中監(jiān)控的標準相繼被推出。隨著技術(shù)不斷進步，經(jīng)驗逐漸積累，行業(yè)標準急需修訂，技術(shù)指標需要改進，測試方法需要完善，內(nèi)容需要增加，為把好的產(chǎn)品質(zhì)量關(guān)提供更可靠依據(jù)。1.1.2 國外開關(guān)電源的發(fā)展概況 自20世紀90年代以來，許多領(lǐng)域和新的要求對開關(guān)電源提出了更新更高的挑戰(zhàn)。如果從一個開關(guān)電源的輸入和輸出窗口觀察可以發(fā)現(xiàn)，輸入的要求變得更嚴，不符合iec1000-3-2標準的產(chǎn)品將陸續(xù)被淘汰；輸出則派生出了許多特殊的應(yīng)用領(lǐng)域，研制和開發(fā)的難度變得更大了。正是由于外界的這些要求推動力兩個開關(guān)

11、電源的分支技術(shù)一直成為當今電力電子的研究課題4,9，即有源功率因數(shù)校正技術(shù)和低壓大電流高功率dc/dc變換技術(shù)。另外由于技術(shù)性能和要求的提高，使得許多相關(guān)技術(shù)課題的研究，例如emi技術(shù)、pcb layout問題、熱理論的分析、集成磁技術(shù)、新型電容技術(shù)、新型功率器件技術(shù)、新型控制以及結(jié)構(gòu)和工藝等正在迅速增加。1 開關(guān)電源電路器件的發(fā)展動態(tài)（1） 半導(dǎo)體器件的發(fā)展。功率半導(dǎo)體器件仍是電力電子技術(shù)發(fā)展的龍頭，電力電技術(shù)的進步必須依靠不斷推出的新型電力電子器件。 功率場效應(yīng)管（mos-fet）由于采用單極性多子導(dǎo)電，是開關(guān)時間顯著的減小，又因其很容易達到1mhz的開關(guān)工作頻率而受到世人矚目。但是mos

12、-fet提高器件阻斷電壓必須加寬器件的漂移區(qū)，結(jié)果使器件內(nèi)阻迅速增大，通態(tài)壓降增高，通態(tài)損耗增大，所以只能應(yīng)用于中小功率產(chǎn)品。為了降低通態(tài)電阻，美國ir公司采用提高單位面積內(nèi)的原胞個數(shù)的方法。如ir公司開發(fā)一種hexfet場效應(yīng)管，其溝槽原胞密度已達每平方英寸1012億個的世界最高水平，通態(tài)電阻可達3m.自1996年以來，hexfet通態(tài)電阻每年50%的速度下降。ir公司還開發(fā)了一種低柵極電荷(qg)的hexfet，使開關(guān)速度更快，同時兼顧通態(tài)電阻和柵極電荷兩者同時降低，則的下降率為每年30%。對于肖特基二極管的開發(fā)，最近利用溝槽結(jié)構(gòu)，有望出壓降更小的肖特基二極管，它被稱作tmbs溝槽mos勢

13、壘肖特基二極管，有可能在極低電源電壓應(yīng)用中與同步整流的mos-fet競爭。（2）新型變壓器的發(fā)展3。新型變壓器是電力電子產(chǎn)品或開關(guān)電源中必不可少的部件。平面變壓器是近兩年才面世的一種全新產(chǎn)品，與常規(guī)變壓器不同，平面變壓器沒有銅導(dǎo)線，代之以單層或多層印刷電路板，因而厚度遠低于常規(guī)變壓器，能夠直接制作在印刷電路板上，其突出優(yōu)點是能量密度高因而體積大大縮小，相當于常規(guī)變壓器的20%；效率高，通常為97%99%；工作頻率高，從50khz到2mhz;漏感低；電感干擾?。╡mi）小等。（3）超容電容器的發(fā)展。超容電容器是電容器件近年來的最新產(chǎn)品。美國的麥克韋爾公司一直保持著超容電容器技術(shù)的世界領(lǐng)先地位。超

14、容電容器采用了獨特的金屬/碳電極技術(shù)和先進的非水電解質(zhì)，具有極大的電極表面和極小的相對距離。現(xiàn)在已開發(fā)、生產(chǎn)出多種具有廣泛適用范圍的超容電容器單元和組件，單元容量小到10f，大到2700f。超容電容器可方便地串聯(lián)組合成高壓組件或并聯(lián)組合成高能量存儲組件。超容電容器組件現(xiàn)已可提供650v的高壓。2 電路集成和系統(tǒng)集成及封裝工藝的發(fā)展動態(tài) 開關(guān)電源的發(fā)展方向是模塊化、集成化和智能化。近幾年來具有各種控制功能的專用芯片發(fā)展迅速，如功率因數(shù)校正（pfc）、電路用的控制芯片，軟開關(guān)控制用zvs、zcs芯片，移相全橋的控制芯片，zvt、zct、pwm專用控制芯片，并聯(lián)均流控制芯片以及電流反饋控制芯片等。功

15、率半導(dǎo)體器件則有功率集成電路（power ic）和imp。ipm以igbt作為功率開關(guān)，將控制、驅(qū)動、保護、檢測電路一起封裝在一個模塊內(nèi)。由于外部界限、焊點減少，可靠性顯著提高。集成化模塊化使電源產(chǎn)品體積更小、可靠性更高，給應(yīng)用帶來極大方便。3 功率因數(shù)校正技術(shù)的發(fā)展動態(tài)9 功率因數(shù)校正的概念起源于20世紀80年代，但被重視和推廣在80年代末期和90年代。歐洲和日本相續(xù)對開關(guān)電源裝置的輸入諧波要求制定了標準。目前有兩個標準，即ie555-2和iec1000-3-2.這使得研究pfc技術(shù)已成為電源界的熱點。通常有兩大類pfc技術(shù)，一類是無源pfc技術(shù)，另一類是有源pfc技術(shù)。前者采用無源元件來改

16、善輸入功率因數(shù)，減小電流諧波，以滿足標準要求。其特點是簡單，但體積龐大，笨重，有些場合則無法滿足要求；后者是用一個變換器傳入整流濾波與dc/dc變換器之間，通過特殊的控制，第一強迫輸入電流跟隨輸入電壓，從而實現(xiàn)單位功率因數(shù)，第二反饋輸出電壓便隨之穩(wěn)定，從而使dc/dc變換器的輸入實現(xiàn)預(yù)穩(wěn)。這種方法上的特點是控制復(fù)雜，但體積大大減小。另外，第二級設(shè)計也易優(yōu)化進一步提高性能。4 低壓大電流dc/dc變換技術(shù)的發(fā)展動態(tài) 低壓打電流高功率dc/dc變換技術(shù)，已從前些年的3.3v降至現(xiàn)在的1.0v左右，電流目前已可達到幾十安至幾百安。同時，電源的輸出指標，如紋波、精度、效率、欠沖、過沖等技術(shù)指標也得到進

17、一步提高。所有這些使得這一分支技術(shù)的研究在當今乃至今后一段時間內(nèi)，都將成為電力電子界的熱點。它的研究內(nèi)容非常廣泛，包括電路拓撲結(jié)構(gòu)動態(tài)問題（尤其是負載的大信號動態(tài)問題）、同步整流技術(shù)、控制技術(shù)以及其他相關(guān)技術(shù)的研究，諸如布線、集成磁技術(shù)、包裝技術(shù)、高頻功率器件技術(shù)等最后隨著開關(guān)電源性能的不斷提高，對開關(guān)電源的要求也愈來愈高。但是21世紀開關(guān)電源技術(shù)最終發(fā)展趨勢是小型化、薄型化、輕量化、高頻化；高可靠性；低噪聲、節(jié)能型等方向發(fā)展的 13,14。1.2 題目研究方法與價值1、研究方法當輸入電壓、負載、環(huán)境溫度等外界條件在一定范圍內(nèi)變化時，電源的輸出電流是不變的。而在恒流源的特性1.2圖中，即使理想

18、的恒流源是內(nèi)阻為無窮大、輸出電流始終保持在規(guī)定值，且與端電壓的大小和極性無關(guān)的電流源。實際的電流源是內(nèi)阻r0和功率都是有限的電流源。當負載電阻ro時，輸出功率。理想恒流源的外特性是一條垂直于橫坐標電流軸的直線2, 6。 圖1.2（左為理想電流源，右圖為實際電流源） 電流源外特性圖（1表示理想電流源，2表示實際電流源）而在電路中： (電源外特性曲線呈陡降式接近恒流源。)2、研究價值開關(guān)電源因其高效節(jié)能引起社會各方面的重視，現(xiàn)已成為通用開關(guān)電源、專用開關(guān)電源及特種開關(guān)電源優(yōu)選集成電路。多年來對開關(guān)電源的核心單元控制電路實現(xiàn)集成化是開關(guān)電源的發(fā)展方向之一，在這過程中，更小體積，更少電磁污染，具有可靠

19、的過電壓及過電流保護電路的技術(shù)也在飛速發(fā)展，特別是在驅(qū)動led恒流開關(guān)電源方面，發(fā)展尤其突出，因此具有很大研究價值。白光led是國際公認的下一代照明光源15。而有人斷言，高亮度led將是人類繼愛迪生白燈泡之后，最偉大發(fā)明之一，那么隨著技術(shù)發(fā)展白光led將逐漸取代傳統(tǒng)的照明源指日可待。因此白光led驅(qū)動電源也將有著越來越廣泛應(yīng)用前景的。另一方面從技術(shù)角度看，實現(xiàn)led低電壓大電流，并且要保持電路穩(wěn)定性同時又要不斷提高能量轉(zhuǎn)換率，這對設(shè)計者來說是較大挑戰(zhàn)，同時我們可以看，白光led驅(qū)動恒流開關(guān)電源開關(guān)具有誘人的發(fā)展趨勢與非常好產(chǎn)業(yè)前景。2 開關(guān)電源可供選擇幾種電路拓撲圖直流電源變換器按其輸入與輸出

20、是否進行電氣上隔離，可分非隔離式變換器電路和隔離式變換器電路。兩者除了均有變壓功能外，后者還有輸入電量與輸出電量在電氣上的隔離，以滿足某些場合的需要。在非隔離式變換器中。而這章主要是介紹降壓型變換器、升壓型變換器、電壓極性反轉(zhuǎn)型變換器的電路結(jié)構(gòu)、工作原理及相關(guān)參數(shù)的關(guān)系式。在隔離式變換器中，應(yīng)用雙極型晶體管作為開關(guān)且開關(guān)管自身起著振蕩元器件作為的自激式變換器與他激pwm變換器。自激式變換器主要是rcc變換器和reyer變換器，他激式變換器主要是介紹單端反激式、單端正激式、推挽、半橋、全橋變換電路結(jié)構(gòu)、工作原理6,7,12.2.1 降壓型（buck）變換器降壓型變換器的原理圖及工作波形圖如下圖2

21、.1所示： 圖2.1 降壓型（buck）變換器原理圖降壓型（buck）變換器將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，再將脈沖電壓經(jīng)lc濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓。輸入電壓uin是未經(jīng)穩(wěn)壓直流電壓；晶體vt1為調(diào)整管，即開關(guān)管ub為矩形波是控制開關(guān)管的工作狀態(tài)；電感l(wèi)與電容c組成濾波電路，而vd1為續(xù)流二極管。降壓型變換器有兩種基本工作方式，一種是電感電流處于連續(xù)的工作模式；一種是電感電流處于斷續(xù)的工作模式，還有一種是電感電流處于臨界連續(xù)模式；他們工作模式等效電路如下： （a） vt1導(dǎo)通等效電路圖 (b) vt1關(guān)斷等效電路圖 （c）vt1關(guān)斷后電流為零等效電路圖2.2 升壓型（boost）變換器升壓型變換器

22、電路如下圖2.2所示。主電路由串聯(lián)在回路中的儲能電感l(wèi)1，開關(guān)管vt1及整流二極管vd1、濾波電容c1。它是一種可以獲得輸出電壓高于輸入電壓的dcdc變換器。圖2.2 升壓型（boost）變換器原理圖 有兩種基本工作方式：電感電流連續(xù)工作模式和電感電流斷續(xù)工作模式。boost三種工作狀態(tài)等效電路（a） vt1導(dǎo)通等效電路 （b）vt1 截止等效電路（c）vt1 關(guān)斷電感電流為零2.3 極性反轉(zhuǎn)升降壓（buckboost）變換器 極性反轉(zhuǎn)型 (buckboost)變換器主電路所用元器件與buck、boost變換器相同，由開關(guān)管vt1、儲能電感l(wèi)1、整流二極管vd1及濾波電容c1等元器件組成。這種

23、電路具有buck變換器降壓與boost變換器升壓的雙重作用。升壓還是降壓取決于pwm驅(qū)動脈沖的占空比d.升降壓反極性變換器電路圖2.3如下： 圖2.3 極性反轉(zhuǎn)型 (buckboost)變換器原理圖工作原理三種等效電路圖： （a）vt1導(dǎo)通等效電路圖 (b)vt1截止等效電路圖（c）vt1關(guān)斷時電感電流為0等效電路圖2.4 cuk變換器 cuk變換器是buckboost串聯(lián)變換器它是針對buckboost升降壓變換器存在輸入電流和輸出電流脈動值大的缺點。主要電路如下圖所示，它由開關(guān)管vt1、儲能電容器c1、輸入儲能電感l(wèi)1、輸出儲能電感l(wèi)2、續(xù)流二極管vd1及輸出濾波電容器c2等元器件組成，開

24、關(guān)管vt1由pwm驅(qū)動電路控制的，二極管vd1將輸入回路和輸出回路分開，左半部分是輸入回路，右半部分是輸出回路。 圖2.4 cuk變換器原理圖 工作原理三等效電路圖 （a）vt1導(dǎo)通等效電路圖 (b) vt1截止等效電路圖 (（c) 電流斷續(xù)等效電路圖2.5 單端正、反激式變換器單端正激式變換器是在buck變換器的開關(guān)管與續(xù)流二極管之間插入高頻變壓器，實現(xiàn)輸入和輸出電氣隔離的一種dc-dc變換器。它由逆變器（dc-ac）、輸出整流濾波電路、反饋控制pwm驅(qū)動電路等組成的。電路如下圖2.5所示： 圖2.5 單端正激式變換器原理圖 單端正激式變換器工作原理可按其工作狀態(tài)分開關(guān)管導(dǎo)通一次側(cè)能量向二次

25、側(cè)傳輸過程；開關(guān)管截止磁浮為電路將磁化能量轉(zhuǎn)移到電源及二次側(cè)電感儲能經(jīng)續(xù)流二極管續(xù)流的過程；開關(guān)管截止期間磁浮為完成及電感儲能斷續(xù)經(jīng)續(xù)流過程。兩個過程等效電路圖： （a）vt1能量傳輸?shù)刃щ娐穲D (b) vt1截止磁復(fù)位完成，l1電流仍續(xù)流等效電路圖2.6 使用較多的推挽變換器 推挽變換器是一種相當兩個正激變換器的組合。它由逆變器（dc-ac）和高頻整流濾波電路（ac-dc）兩部分主電路及控制驅(qū)動電路組成。推挽變換器電路原理圖如下： 圖2.6 推挽變換器原理圖推挽變換器在在一個周期ts ,開關(guān)管vt1、vt2各交替輪流導(dǎo)通一次，設(shè)每管的導(dǎo)通時間為ton,占空比d2tonts ,即tondts2

26、, toff(1d)2。在這里d、ton、toff發(fā)生變化，是在半周內(nèi)開關(guān)管導(dǎo)通、關(guān)斷一次。和半橋、全橋變換器是相同的。下面是在前半周內(nèi)vt1導(dǎo)通的情況等效電路，后半周vt2導(dǎo)通的等效電路和工作過程是對稱和相似的，所以沒有畫出來的。（a）vt2截止vt1導(dǎo)通，l1 儲能傳送能量至輸出等效電路圖 （注：箭頭是導(dǎo)通電路電流方向） （a） vt1、vt2均截止，l1保持電流續(xù)流 （ 注：箭頭是導(dǎo)通電路電流方向）2.7 半橋、全橋變換器由于半橋、全橋變換器工作原理和推挽變換器基本是相同的，所以在這里就簡單介紹一下。 2.7.1 半橋變換器 半橋變換器實際上是由兩個單端正激 變換器組成的。半橋變換器主電

27、路典型結(jié)構(gòu)圖如下.電容器c1、c2組成變換器的一個橋臂，且保證c1c2。兩電容上并接的電阻為均壓泄放電阻，且保證r1r2。功率開關(guān)管vt1、vt2構(gòu)成變換器的另一橋臂，高頻變壓器t1串接直流阻隔電容c3，接至兩橋臂的中點a、b處。開關(guān)管 vt1、vt2工作狀態(tài)收pwm驅(qū)動脈沖控制，并接與vt1、vt2其上的二極管vd1、vd2用于變壓器漏感儲能釋放、能量再生通路。輸出采用二次繞組中心抽頭全波整流電路，l1、c4構(gòu)成輸出濾波電路，所有雙極性變換器，輸出除采用全波整流外，還可采用橋式整流或倍流整流電路，視應(yīng)用場合而定的。圖2.7.1 半橋變換器原理圖2.7.2全橋變換器 全橋變換器的電路相當于兩組

28、雙管正激式變換器電路的組合的。它是由四個開關(guān)管構(gòu)成的，每個橋臂有兩只開關(guān)管。高頻變壓器的一次側(cè)接在兩橋臂的中點對角線上，在電路形式上像一個電橋，且每個橋臂均用有源功率開器件組成的。全橋電路最適合于高輸入電壓大功率的應(yīng)用場合。 下圖是全橋變換器電路圖。四個開關(guān)管vt1vt4構(gòu)成橋式電路，與它們并聯(lián)的四只二極管vd1vd2用于能量恢復(fù)，可清除漏感產(chǎn)生的部分瞬間過電壓。變壓器t1的一次繞組n1 接在對角線上，橋臂對角的開關(guān)管在pwm驅(qū)動信號作用下同時導(dǎo)通或截止，即vt1、vt4導(dǎo)通是，vt2、vt3截止，或反之。輸出繞組為中心抽頭。二極管vd5、vd6構(gòu)成全波整流。電感l(wèi)1、電容c2輸出高頻濾波器，

29、其紋波電壓是電流頻率為二倍的開關(guān)頻率的。串接在變壓器一次繞組中的電容c1，用于隔離直流成分，防止磁飽和發(fā)生的。 圖2.7.2 全橋變換器原理圖3 恒流開關(guān)電源設(shè)計3.1電源技術(shù)要求選用單端正激式開關(guān)電源拓撲圖2.5，因為它是一種小型、經(jīng)濟，也是開關(guān)電源應(yīng)用較多一種，并且它功率輸出在50200w是最合適的2。設(shè)計技術(shù)要求如下：輸入電壓：交流220v10% 紋波電壓up：0.5v輸出電壓uo：15v 輸出波動電流ip：0.1a輸出電流io：10a 占空比：d max0.42 3.2 開關(guān)電源設(shè)計步驟 1、開關(guān)電源可以采用模塊化的設(shè)計思想。由于其設(shè)計比較復(fù)雜，因此要把它分解成多個基本模塊設(shè)計，功能模

30、塊圖見圖3.1。原理圖3.1開關(guān)電源是由輸入整流與濾波電路、高頻變壓電路、整流續(xù)流與濾波電路、穩(wěn)壓恒流電路、保護電路、反饋電路、控制電路以及功率開關(guān)組成的。輸入整流濾波電路其作用是把電網(wǎng)存在雜波過濾，也是通過整流得到輸出所需要的直流電壓。高頻變壓器是開關(guān)電源設(shè)計關(guān)鍵部件之一，在電路回路中起到電器隔離、變壓、儲能、變流或者是變阻等作用的。而輸出整流續(xù)流與濾波電路是通過整流續(xù)流功能得到輸出所需要直流電流，當然還要通過濾波器把多余雜波給濾掉。穩(wěn)壓恒流輸出電路目的是為負載提供一個恒流電流。反饋電路可以是電壓反饋，也可以是電流反饋，它是通過輸出端取樣的電流電壓值與控制器基準電流電壓值相比較，起到反饋傳遞

31、作用?？刂破魇峭ㄟ^反饋電路的信息在調(diào)整電路電流電壓的輸出的，輸出電流盡可能達到一個穩(wěn)定值。而功率開關(guān)管是由控制器pwm控制它的導(dǎo)通時間，調(diào)節(jié)脈沖寬度從而也實現(xiàn)占空比大小調(diào)節(jié)的。整體電路是將頻率為50hz、220v的市電交流電壓經(jīng)過主電路輸入整流與濾波、變壓器、整流、續(xù)流與濾波、穩(wěn)壓電路恒流流電路轉(zhuǎn)換成穩(wěn)定的直流電壓，輸出恒定的直流電流。 整流、續(xù)流與濾波變壓器穩(wěn)壓恒流輸出輸入整流與濾波輸入驅(qū)動vcc地線功率開關(guān)管控制器pc1094c保護電路反饋網(wǎng)絡(luò) 圖3.1 開關(guān)電源模塊功能圖 2、開關(guān)電源設(shè)計總是先進行總體考慮，然后對電源各部分分別進行設(shè)計，接下來就是設(shè)計總體和輔助功能，最后進行測試和設(shè)計優(yōu)

32、化的。下面開關(guān)電源設(shè)計步驟流程圖3.2開始選用拓撲圖變壓器設(shè)計輸出濾波與整流設(shè)計功率開關(guān)和驅(qū)動設(shè)計控制器設(shè)計輸出反饋設(shè)計啟動電路設(shè)計保護電路設(shè)計高層功能設(shè)計實驗設(shè)計和結(jié)構(gòu)設(shè)計測試電路實際工作與設(shè)計結(jié)果的區(qū)別優(yōu)化設(shè)計emi/rfi測試 圖3.23.3變壓器設(shè)計圖3.3變壓器是一種應(yīng)用電磁感應(yīng)原理，將電能從一個電路傳輸?shù)搅硪浑娐返碾姶叛b置，是電源設(shè)備中的關(guān)鍵部件之一。變壓器只用于交流傳輸與變換，而不能進行直接傳輸，在交流電路中起電氣隔離、儲能、變壓、變阻等作用的。圖3.3 變壓器3.3.1輸出變壓器次級電壓u2計算 （3.3.1）ul是輸出扼流圈在內(nèi)次級線圈的電壓降，uf是輸出二極管的正向電壓。最

33、低的次級電壓u2min為 （3.3.2）設(shè)(設(shè)定肖特基二極管)，則3.3.2初、次線圈計算輸入直流電壓u1的最小值使用按輸出電路計算求得的u1min值。根據(jù)中國輸配電情況u1=200253v,則變壓比n為根據(jù)輸出容量磁心尺寸關(guān)系表3-4 2 選取ei-30。它的有效面積為s=111mm2磁心材質(zhì)相當于tdk的h7c4,最大工作磁道密度bm可從圖3-4中查得.實際使用時的磁心溫度約100，且要選擇能保持線性范圍的bm，即0.3t以下。當磁心溫度有100，工作頻率200khz時，約減少0.1t而成為。根據(jù)線圈計算公式則， （3.3.3）因而次級n2 = 4，式中bm為磁心的磁通密度（t）；s為磁心

34、的有效截面積（mm2）。初級線圈的匝數(shù)則是 確定。次級線圈所需要的電壓u2min一定要充分，因此要進行ton max的修正計算。根據(jù)（3.3.2）公式則有 dmax修正結(jié)果為0.42,仍然在0.40.45范圍內(nèi)，可以繼續(xù)使用以下計算。3.4 輸出濾波器的設(shè)計在開關(guān)電源中帶磁心的電感器，一般采用電感線圈lf 與輸出濾波電容器cf 構(gòu)成的“l(fā)”型濾波器如右圖3.4。電感線圈對高頻成分呈現(xiàn)很高的感抗，而電容對高頻成分呈現(xiàn)很小容抗，已達到在電路中抑制紋波和平滑直流的作用。圖3.4 濾波器3.4.1 輸出扼流圈的電感值設(shè)計 計算流入輸出扼流圈電流 (3.4.1)l為輸出扼流圈的電感（h）；為輸出電流的1

35、0%30%。則有電感l(wèi)值為：由此可見，需要11.86h，10a的扼流圈。3.4.2 輸出濾波電容的確定輸出電容器的選定取決于輸出脈動電壓控制在多少毫伏。輸出脈動電壓雖要根據(jù)和輸出電容器的等效串聯(lián)電阻確定，但一般規(guī)定為輸出電壓的0.3%0.5%范圍。又因 （3.4.2）根據(jù)（3.4.2）得: 就是在200hkz范圍內(nèi)，需要值在37.5m以下電容器的。所以可以選擇20v，8200h，則為31m,容許脈動電流為2.9ams.流向電容器的紋波電流為 2.9a 說明該電容器合適。3.4.3 濾波器電阻設(shè)計要想不是輸出扼流圈的電流中斷而直接使用時，可以假設(shè)電阻值為則假設(shè)電阻電耗為 3.5 復(fù)位電路計算復(fù)位

36、電路如圖3.5所示。開關(guān)功率管vt1接通時，變壓器t1的磁通增加，磁能被儲存到t1，當vt1截止時，即放出這種受激磁的磁能下圖復(fù)位線圈到t1上， 圖3.5 復(fù)位電路以在vt1截止時通過vd1把磁能反饋到輸入。在vt1截止時，因復(fù)位線圈n3兩端的電壓受u1限制因此，這是初級圈的電壓u3可求 (3.5.1)在此公式里，如果n1和n3線圈耦合不好，則vt1截止瞬間所發(fā)生的尖峰電壓會因漏磁通而bm也會飽和，且會有過大電流流向初級線圈，為防止這種現(xiàn)象，要滿足下面（3.5.2）公式 （3.5.2）即 所以 則磁復(fù)位串接在n3的中二極管vd1承受最大電壓為那么選擇vd1額定電壓為800v，這樣基本符合要求的

37、。3.6 功率開關(guān)管選擇 右圖3.6為mosfet型功率開關(guān)管，它主要具有驅(qū)動功率小，器件功率容量大；第二個顯著特點是開關(guān)速度快，工作頻率高，另外他的熱穩(wěn)定性優(yōu)于gtr等優(yōu)點，也是目前開關(guān)變換器廣泛應(yīng)用的開關(guān)器件。 根據(jù)單端正激式變換器計開關(guān)管vt1承受最大電壓公式6得: 圖3.6 (3.6.1)流過mosfet開關(guān)管最大電流為 功率mosfet表3.72型號最大承受電壓vds（v）最大電流id（a）最大功率損耗pd（w）封裝型號導(dǎo)通最大電阻值rds（on）典型值typ最大值max正向降vgs（v）正向電流id（a）2sk345327001080to-3p(n)is0.721.01052sk2

38、6038003100to-220ab3.03.6101.52sk2883800375to-220fl/sm3.03.6101.52sk2605800545to-220(nis)1.92.2103.02sk28848005100to-220fl/sm1.92.2103.02sk26048005125to-3p(n)1.92.2103.02sk27468007150to-3p(n)1.31.7103.52sk2606800885to-3p(n)is1.01.2104.02sk26078009150to-3p(n)1.01.2104.02sk3301900120pw-mold1.52.0100.52

39、sk2845900140dp8.09.0100.52sk2733900160to-220ab8.09.0100.52sk27189002.540to-220(nis)5.66.4101.52sk26089003100to-220ab3.74.3101.5根據(jù)下面功率mosfet表3.7，可以選擇東芝2sk2718型號。它的最高承受電壓為900v，允許最大電流為2.5a，而功率損耗是40w，是上面功率最小損耗的。3.7 輸出二極管的選擇輸出二極管有肖特基二極管（sbd）,低損耗二極管（lld）、高速二極管(frd)。輸出為低壓大電流時應(yīng)采用肖特基二極管，其他則采用低損耗或調(diào)整二極管。選擇二極管時

40、要注意選擇反向恢復(fù)時間trr快的二極管。這是因為主開關(guān)元件閉合時反向流入二極管的電流會影響初級線圈開關(guān)特性并致使損耗增大。同時，輸出噪聲也會受很大影響的。所以輸出整流二極管選擇一般原則有四點。1、 選用正向壓降vdf小的整流二極管；2、 選用反向恢復(fù)時間trr整流二極管；3、 選用正向恢復(fù)電壓vfrm整流二極管；4、 選用反向漏電流ir小整流二極管。3.7.1整流二極管vd1選擇根據(jù)單端正激式變換器（2.5.2）公式，在vt1截止時承受最大壓降為流過整流二極管的最大電流、有效值為（二次則占空比d為0.42）分別為： (3.7.1) (3.7.2)而選擇取整流二極管額定電流if時，應(yīng)按流過的電流

41、有效值idrms計算值選取的，并留有一定裕度，還要考慮散熱條件，通常選取 可以選擇肖特基二極管in5825,最大承受電壓uds 40v,額定電流為15a.,trr1.0ns3.7.2 續(xù)流二極管vd2選擇續(xù)流二極管vd2上的反向電壓uvd2與輸出變壓器次級電壓的最大值是相同的。根據(jù)單端正激式變換器公式6得:流過它方向電流ir一般看作與io大致相同的，即 ir=io=10a.可選擇低損耗二極管mbr1545 作為續(xù)流二極管它參數(shù)為，uds=45v, io=15a,trr1.0ns.3.8 恒流輸出電路設(shè)計3.8.1 恒流輸出原理 任何電源要實現(xiàn)恒流功能，均需對電源的輸出電流進行檢測取樣，與電流設(shè)

42、置值即參考值進行比較，經(jīng)負反饋放大調(diào)節(jié)（p、pi、pid）。線性串聯(lián)穩(wěn)壓是調(diào)節(jié)調(diào)整管的壓降，而開關(guān)電源是調(diào)節(jié)變換器的脈寬（或占空比），維持輸出電流的恒定8,18。圖3.9.1a是恒流控制反饋系統(tǒng)圖。圖中iref是電流設(shè)置基準；cr是電流pi調(diào)節(jié)；kfi是電流取樣反饋系數(shù)；rs、ro是電流取樣電阻和負載電阻。該系統(tǒng)采用是電流模式控制，可以檢測變換器輸出電流，適當?shù)剡x取反饋系數(shù)kfi, 通過p（比例）、pi（比例積分）、pid（比例積分微分器）實現(xiàn)恒流控制。在反饋系數(shù)不變情況下，也可以通過改變電壓或電流實現(xiàn)恒流值控制。pwmcr整流濾 波dc/dc變換器 irefif kref 圖3.8.1a 恒流控制反饋系統(tǒng)圖圖3.8.1b是恒流電源常用電路，其中采樣電阻rs串聯(lián)在功率回路里，作為回路電流的采樣元件。它把回路電流轉(zhuǎn)換成電壓信號，并與基準電壓uref在放大器中進行比較放大，然后將其送至調(diào)整管vt的基極，驅(qū)動調(diào)整管vt對輸出電流io變化進行補償校正。就可以實現(xiàn)恒流輸出的。圖3.8.1b 恒流電源原理圖3.8.2 恒流輸出計算恒流輸出電路是采用集成穩(wěn)壓器構(gòu)成的開關(guān)恒流源電路構(gòu)成如3-9圖所示。mc7815為三端固定式集成穩(wěn)壓