曹向麗-高壓開關電路及設計與應用

1、中國石油大學（華東）現(xiàn)代遠程教育畢業(yè)設計（論文）題 目：高壓開關電路的設計與應用 學習中心：重慶信息工程專修學院奧鵬學習中心 年級專業(yè)： 0509級電子信息工程 學生姓名： 曹向麗 學 號： 0541580189 指導教師： 楊秀珍 職 稱： 講師 導師單位： 重慶信息工程專修學院 中國石油大學（華東）遠程與繼續(xù)教育學院論文完成時間： 2007 年 5 月 22 日目 錄 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc166940178 目 錄 PAGEREF _Toc166940178 h i HYPERLINK l _Toc166940179 第1章 前言 PAGEREF

2、 _Toc166940179 h 1 HYPERLINK l _Toc166940180 第2章 通信電源設計面臨的挑戰(zhàn) PAGEREF _Toc166940180 h 2 HYPERLINK l _Toc166940181 2.1 穩(wěn)壓器的挑戰(zhàn) PAGEREF _Toc166940181 h 2 HYPERLINK l _Toc166940182 2.2 散熱的挑戰(zhàn) PAGEREF _Toc166940182 h 2 HYPERLINK l _Toc166940183 2.3 輸入噪聲的挑戰(zhàn) PAGEREF _Toc166940183 h 2 HYPERLINK l _Toc16694018

3、4 2.4 低成本要求的挑戰(zhàn) PAGEREF _Toc166940184 h 3 HYPERLINK l _Toc166940185 2.5 減小功率晶體管開關損失可以采取的措施 PAGEREF _Toc166940185 h 3 HYPERLINK l _Toc166940186 2.6 通信電源設計新技術 PAGEREF _Toc166940186 h 4 HYPERLINK l _Toc166940187 2.6.1 多相技術 PAGEREF _Toc166940187 h 4 HYPERLINK l _Toc166940188 2.6.2 板載電源 PAGEREF _Toc166940

4、188 h 5 HYPERLINK l _Toc166940189 第3章電路原理 PAGEREF _Toc166940189 h 7 HYPERLINK l _Toc166940190 第4章 電路設計要點 PAGEREF _Toc166940190 h 8 HYPERLINK l _Toc166940191 4.1 PWM控制電路 PAGEREF _Toc166940191 h 8 HYPERLINK l _Toc166940192 4.2變壓器驅動電路 PAGEREF _Toc166940192 h 9 HYPERLINK l _Toc166940193 4.3采樣反饋電路 PAGERE

5、F _Toc166940193 h 9 HYPERLINK l _Toc166940194 第5章性能測試 PAGEREF _Toc166940194 h 11 HYPERLINK l _Toc166940195 第6章結 論 PAGEREF _Toc166940195 h 12 HYPERLINK l _Toc166940196 致 謝 PAGEREF _Toc166940196 h 13 HYPERLINK l _Toc166940197 參考文獻 PAGEREF _Toc166940197 h 14第1章 前言 隨著電源技術的不斷發(fā)展和成熟，開關電源作為一種體積小、重量輕、高頻、高效率的

6、電力變換裝置，被廣泛用于各個領域。雷達顯示器作為雷達系統(tǒng)的“眼睛”要求起其具有高可靠性，而其電源的可靠性則要求更高。為了處理日益增加的、更為復雜的適時計算，當今的通信系統(tǒng)采用了大量的高功率計算IC，包括CPU、FGPA(Field Programmable Gate Array即現(xiàn)場可編程邏輯門陣列)和存儲器。對計算速度增長的需要促使時鐘頻率和供電電流的相應增加，有些設備的供電電流已經超過100A。隨著供電電流的增加，而供電電壓卻反而呈下降的趨勢，這主要是因為計算設備此時可以用很好的線寬工藝來制造。此外，低電壓、大電流對功耗是十分敏感的，所以對于電源設計者來說，需要采用更先進的新器件、新技術、

7、新材料、新工藝來逐步減小開關電源的體積和重量，改善電氣性能指標，提高工作可靠性，降低對電網(wǎng)的污染，消除對其它設備的干擾，增強智能化程度等是其基本發(fā)展方向。在復印設備、醫(yī)學儀器等精密電子系統(tǒng)中，廣泛使用高電壓、低電流的小功率電源。同時要求電源系統(tǒng)具有重量輕、響應速度快、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點。為了上述滿足精密電子系統(tǒng)的要求，設計制作了一種新型高壓開關電源。該電源具有穩(wěn)定性好、響應速度快等優(yōu)點，能廣泛應用于復印設備、醫(yī)學儀器等精密電子系統(tǒng)中。 第2章 通信電源設計面臨的挑戰(zhàn) 在當今的許多系統(tǒng)中，通信系統(tǒng)里線路板的成本是最昂貴的。故而尺寸的限制，加上低成本和新技術挑戰(zhàn)的壓力，使低壓、大電流電源的設

8、計成為通信系統(tǒng)設計中最難任務之一。2.1 穩(wěn)壓器的挑戰(zhàn) 由于供電電壓不斷降低，已經達到1V，即使在電源干線上低到mV級的紋波，都可能給計算設備帶來很大的影響。而大電流是產生電壓紋波的主要根源，包括它在PCB板走線上，或在電源與CPU電源引腳間連接器上產生的10-50mV的電壓降。當輸出電壓在l-1.5V范圍內時，這種電壓降就顯得更為重要。因此，就必須在正向輸出干線和輸出回路(或負向輸出)干線上進行電壓采樣。另外一個問題是現(xiàn)代的計算設備可以根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的命令不同而使供電電流瞬間改變，甚至高達20A。這樣大幅度的負載變化，伴隨著快速的電流轉換速率使電壓產生過沖。為了處理這些動態(tài)負載和減小輸出電容，

9、必須采用具有極其快速瞬態(tài)響應的電源。2.2 散熱的挑戰(zhàn) 隨著系統(tǒng)復雜性的增加，系統(tǒng)封裝的密度也相應增大。散熱成為系統(tǒng)硬件設計者必須面對的挑戰(zhàn)之一。同時，對電壓的穩(wěn)定性要求苛刻的高性能的計算設備還要求對它供電的電源進行管理。因此，減小電源的功耗，排除PCB和功率器件上的過熱點是非常重要的，這可以避免為已經很熱的計算設備增加熱量。2.3 輸入噪聲的挑戰(zhàn) 由于在許多通信子系統(tǒng)中，負載電源的分布總線通常使用3.3V，3.3V總線上的噪聲必須減小，以確保從電源總線上獲得功率的邏輯設備正確工作。由于在降壓開關電源中輸入電流存在波動，這就需要大量的輸人電容或LC濾波器用以濾除輸入噪聲。這樣的濾波電路通常會由

10、于輸出電流的增加或輸人電壓的降低而使體積和成本增加。2.4 低成本要求的挑戰(zhàn) 成品的電源模塊，如“磚型模塊”是非常昂貴的。此外，標淮電源模塊對大多數(shù)應用而言，都遠遠超過實際所用電源的指標要求。因此，定制一種模塊會花費時間和額外的費用，系統(tǒng)設計者應尋找其他節(jié)省成本的電源。2.5 減小功率晶體管開關損失可以采取的措施 （1）回能吸收電路：是將緩沖電容上的儲能返回電源或負載，或稱為無損吸收電路。 （2）有源箱位：是將電容器上的儲能，由功率晶體管操作，在所需時間加以利用。 （3）MOSFET與IGBT并聯(lián)運行:利用了IGBT通態(tài)壓降小、入們SFET關斷速度快的優(yōu)點組合成一個性能優(yōu)良的等效開關器件，此方

11、法可應用于各種電路。IGBT工作在軟關斷狀態(tài)，但電路屬硬開關性質，可用回能吸收電路減小MOSFET的關斷損耗。由于其輔助電路簡單，只要驅動脈沖配合好，不論在滿載或空載，兩管的工作都能自動適配，負載電流小時兩管電流同時減小。MOSFE中沒有過大的峰值電流，可靠性高。沒有像零電壓開通(ZVS)和零電流轉移(ZCT)諧振電路所有的幾乎是固定的對應于近于兩倍額定負載分量的峰值電流。 （4）零電壓開通(ZVS)和零電壓轉換(ZCT)：主開關管并聯(lián)一個吸收電容器，減小關斷損耗，相當于回能吸收電路；ZVS工作過程是先將電容電壓放電到零，再開通主開關管。ZVT是指在主開關管兩端并聯(lián)一個諧振電感與輔助開關管串聯(lián)

12、通路，來實現(xiàn)零電壓開通的電路。（5）零電流關斷(ZCS)和零電流轉換(ZCT)：ZCS是指先將主開關管的電流減小到零，再關斷主開關管;ZCT是指在主開關管兩端并聯(lián)一個諧振電容器、諧振電感與輔助開關管串聯(lián)通路，來實現(xiàn)零電流關斷的電路。2.6 通信電源設計新技術 多相技術 為提高電流容量，傳統(tǒng)的單相方案采用多個MOSFET并聯(lián)，再用一個龐大的電感器濾波，這種方法一方面會導致在MOSFET上產生較大的開關損耗，且在電感器和MOSFET焊盤上引起電流堆積，影響PCB板的可靠性；另一方面，由于效率與開關頻率都很低，必須使用大輸出電感器，使瞬態(tài)響應變慢。多相拓撲結構基于現(xiàn)有的單相結構之上，能有效解決單相結

13、構中較大的紋波電壓和較慢的瞬態(tài)響應之間的矛盾，非常適合低電壓大電流精密電源的設計。多相技術的主要優(yōu)點：紋波電流的消除使輸人電容、輸出電感和輸出電容的體積及成本降低。 輸人紋波電流的消除減少了輸人噪聲，這對于3.3V分布式總線的應用更具有吸引力。 可達到更快的負載瞬態(tài)響應。因為并聯(lián)輸出電感可以改善瞬態(tài)響應，比較小的等效電感可以提高輸出電流的轉換速率。 可獲得更高的效率。這是由干多相技術有較低的開關損耗和一致的電流分布，這更有助于減少熱量，提高整個系統(tǒng)的可靠性。一般來說相對于普通的單相PWM控制，多相PWM控制DC/DC變換器增加了一個或多個變換器，而且每個變換器的相位相對有一定間隔，如上圖的兩相

14、PWM控制變換器的兩個變換器ON/OFF相對間隔為180。工作中功率被平均分配到兩個通道中，從而減小了各相承擔的電流，避免了開關管、整流管、輸出電感等器件過于疲勞，發(fā)熱過于集中。并且由于通道之間交叉開閉，電流相互疊加，大大減少了輸入、輸出電流紋波，減小電磁干擾EMI。多相PWM控制使輸入電流有效值減小，可提高效率。在有效瞬態(tài)響應模式下，相位是按時間分布的，所獲得的電流斜率是所有相位斜率之和，因此可大大縮短調節(jié)時間(過渡時間)，提高電源的快速瞬態(tài)響應能力。 板載電源在低電壓大電流電源應用中，由于每個板上的電源額定功率可以根據(jù)實際消耗的功率很容易地調整，電源的成本和體積就可以減小。因而板載電源已成

15、為必然趨勢，與標準電源模塊相比，板載電源具有以下優(yōu)勢：（1）更強的負載調節(jié)能力：板載電源不存在電源輸出與負載之間的互聯(lián)電阻和電感，可以獲得更好的直流和瞬態(tài)調節(jié)效果。（2）更高的效率：板載電源消除了電源連接器上的傳導損耗，而且可以使用接地層和其它直流電源層傳導直流電源，接地層和其它直流電源層的阻抗低于電源模塊的阻抗，從而降低了PCB引線上的傳導損耗，使電源具有更高的效率。（3）更好的散熱管理：對板載電源而言，整個系統(tǒng)電路板起到了散熱器的作用，因此，熱點位置的溫度要比電源模塊上的低得多，從而提高了系統(tǒng)的長期可靠性。（4）更低的成本：板載電源的額定功率可以根據(jù)實際功率需要來確定，另外，它還節(jié)省了大電

16、流連接器，在理想的瞬態(tài)調節(jié)能力下，僅使用單個或幾個輸出去耦電容，就能達到理想的性能要求，因此，與標準大功率電源模塊相比，板載電源成本更低、體積更小。 第3章電路原理系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示。高壓電源的輸入信號來自220V的交流市電，經整流濾波后與PWM脈沖調制器的輸出信號一起驅動高頻變壓器，通過高頻變壓器得到的高壓電源再經整流濾波后，輸出直流高壓。輸出反饋信號經光電隔離后反饋給脈沖調制器，通過與脈沖調制器中誤差放大器的基準電壓比較，控制脈沖調制器的輸出占空比，以調節(jié)輸出電壓。 圖3-1系統(tǒng)原理框圖 第4章 電路設計要點4.1 PWM控制電路 系統(tǒng)采用的PWM調制器為SG3524型號4的芯片，

17、電路如圖4-1所示。在芯片的電源信號入口端并聯(lián)一電容C2構成一個軟啟動電路。設計軟啟動電路的目的是防止在電源突然開通時產生的過大電流對芯片造成沖擊。在剛通電時，電容兩端電壓不能突變，它的電壓隨外部電源對其充電而逐漸升高，經過一段時間后，電路進入正常工作狀態(tài)。這樣保證了輸入電壓緩慢地建立起來，確保芯片不受損壞。輸出電路的開關功率管選用MOS功率管。由于功率管是在高頻狀態(tài)下工作會產生振蕩。為了消除這種寄生振蕩，應盡量減少與功率管各管腳的連線長度，特別是柵極引線的長度。若無法減少其長度，可以串聯(lián)小電阻，且盡量靠近管子柵極。圖中R3既是功率管的柵極限流電阻，又與R4一起消除功率管工作時產生的寄生振蕩。

18、圖4-1PWM電路圖4.2變壓器驅動電路圖4-2高壓變壓器驅動電路 驅動電路采用單端驅動工作方式，這種電路簡單、工作可靠性高。功率管由來自SG3524芯片的信號驅動。11、14腳的單端并聯(lián)輸出。當SG3524輸出高電平時，功率管導通，在電感L中儲能；輸出低電平時，功率管截止，導致流過電感L上的電流突然下降為零，L產生反電勢。該反電勢的脈沖電壓加在高頻變壓器的輸入端，驅動變壓器工作。同時，電感L作變壓器的阻抗匹配元件。由高頻變壓器輸出的交流電壓經二極管VD2、VD3進行整流倍壓后，再經C2濾波，得到高壓輸出。 4.3采樣反饋電路反饋回路中，對輸出電壓信號的取樣，采用在輸出端并聯(lián)電阻，再將高壓經電

19、阻串聯(lián)衰減的方法實現(xiàn)。 R3、R4、RW為電壓取樣反饋電阻。電壓經隔離反饋后，從SG3524芯片的1腳輸入，控制占空比，進而調節(jié)輸出電壓，達到穩(wěn)壓的目的。其穩(wěn)壓原理是：若輸出電壓偏高，采樣反饋的信號也偏高，與SG3524中誤差放大器的基準電壓比較后的電壓偏低，導致占空比的寬度變窄，引起輸出電壓下降；反之亦然。RW是可調電阻，通過調節(jié)RW來調節(jié)輸出電壓。 第5章性能測試系統(tǒng)的輸出電壓通過取樣電阻RW來調節(jié)，改變可變電阻的值可以改變輸出電壓。圖5-1是取樣電阻RW為20k時的輸出電壓波形圖。由圖中可以看出，輸出電壓從0V上升到5kV的響應時間為0.5s左右，電源系統(tǒng)具有較快的響應速度。同時，由圖（

20、b）中的電壓波形局部放大圖可見，輸出電壓為5000V時，其最大電壓波動小于5%。 (a) 輸出電壓響應圖 (b) 電壓波形局部放大圖5-1 可變電阻為20k時的電壓輸出波形圖當RW調節(jié)至10k時，電壓輸出如圖5-2，此時輸出電壓約為2500V。此時高壓電源的響應速度有所提高，而穩(wěn)定性基本不變。 圖5-2可變電阻為10k時的電壓輸出波形圖第6章結 論 采用單端反激式變換器，設計制作了一高壓開關電源。通過對所制作電源的性能測試可以得出，此高壓開關電源具有體積小、穩(wěn)定性好、響應速度快等優(yōu)點。能廣泛應用于要求高電壓、低電流的小型電源系統(tǒng)中。用板載電源的設計技術和多相工作技術可以滿足通信系統(tǒng)中所需要的低電壓、大電流電源的要求?？傊c傳統(tǒng)方法相比降低了成本，并