直流開關穩(wěn)壓電源的畢業(yè)設計

1、<p>　　直流開關穩(wěn)壓電源的設計</p><p><b>　　2012年5月</b></p><p>　　直流開關穩(wěn)壓電源的設計</p><p>　　The Design of DC Switching Power Supply </p><p><b>　　摘 要</b></p&

2、gt;<p>　　開關電源具有效率高、體積小、重量輕等顯著特點。目前世界各國都有廣泛的應用，特別是對大容量高頻開關電源的研究和開發(fā)已成為當今電力電子學的主要研究領域，并派生了很多新的研究方向。穩(wěn)壓電源是實現(xiàn)電能變換和功率傳遞的主要設備。在信息時代，農(nóng)業(yè)、能 源、交通運輸、通信等領域迅猛發(fā)展，對電源產(chǎn)業(yè)提出個更多、更高的要求，如節(jié)能、節(jié)材、減重、環(huán)保、安全、可靠等。這就迫使電源工作者不斷的探索 尋求各種鄉(xiāng)關技術，做出最好的電

3、源產(chǎn)品，以滿足各行各業(yè)的要求。</p><p>　　開關電源是一種新型的電源設備，較之于傳統(tǒng)的線性電源，其技術含量高、耗能低、使用方便，并取得了較好的經(jīng)濟效益。本文在介紹了開關電源的各種工作方式、其優(yōu)劣勢、設計方法及未來發(fā)展方向等的基礎上，對開關穩(wěn)壓電源進行設計。設計分為幾個模塊進行，包括輔助電源模塊、PWM控制模塊、升壓電路部分，其中PWM控制電路為電源設計的核心。</p><p>　　

4、關鍵詞：開關電源 穩(wěn)壓電源 PWM控制 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Switching power has many remarkable characteristics such as high efficiency, smallness and lightness. Countries all over the

5、world have extensive application in switching power, especially research on large capacity high-frequency switching has already become the main research field of power electronics and many new research directions has der

6、ived from it. Power is to achieve power conversion and power transmission major equipment.In the information age, agriculture, energy, transportation, comm</p><p>　　Switching power supply is a new type of po

7、wer supply, compared to traditional linear power supply, high technology, low energy consumption, easy to use, and has achieved good economic results. This paper describes the various switching power supply works, its ad

8、vantages and disadvantages, design and direction of future development, based on the design of the switching power supply. Design is divided into several modules, namely, auxiliary power module, PWM control module, boost

9、 circuit part, whi</p><p>　　Key words: switching power supply constant voltage power supply PWM control</p><p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘要 I</b></p>

10、;<p>　　AbstractII</p><p><b>　　緒論1</b></p><p>　　1 直流開關電源主電路的設計3</p><p>　　1.1 開關電源的基本原理與組成特點分析3</p><p>　　1.1.1 開關穩(wěn)壓電源的基本工作原理3</p><p&

11、gt;　　1.2 開關電源的結構與組成特點分析4</p><p>　　1.2.1 開關電源的基本結構4</p><p>　　1.2.2 DC-DC變換器類型5</p><p>　　1.2.3 控制電路6</p><p>　　1.3 主要電路的設計8</p><p>　　1.3.1 整流電路設計8&

12、lt;/p><p>　　1.3.2 濾波電路設計8</p><p>　　1.4 DC-DC變換器設計9</p><p>　　1.4.1 DC-DC變換器電路設計及工作原理9</p><p>　　1.4.2 全橋DC-DC變換器的控制方式10</p><p>　　2 控制電路及保護電路的設計11</p

13、><p>　　2.1 PWM集成控制器的工作原理11</p><p>　　2.1.1 兩種控制模式的工作原理12</p><p>　　2.1.2 兩種控制模式的比較選擇13</p><p>　　2.2 保護電路的設計14</p><p>　　2.2.1 過電壓保護14</p><p&g

14、t;　　2.2.2 過電流保護15</p><p>　　3 關鍵器件的選型16</p><p>　　3.1 整流橋晶閘管選型16</p><p>　　3.2 輸入整流電容的選擇16</p><p>　　3.3 DC-DC變換器開關管的選擇16</p><p>　　3.4 輸出整流二極管的選型17&

15、lt;/p><p><b>　　結論18</b></p><p><b>　　致謝19</b></p><p><b>　　參考文獻20</b></p><p><b>　　緒 論</b></p><p>　　電力電子技術與裝置的

16、市場需求與日俱增，其中電源是電力電子技術的主要應用領域之一。隨著微電子制造技術的進步，計算機、通信設備、家用電器得到飛速發(fā)展，這些設備內(nèi)部往往需要采用直流穩(wěn)壓電源供電。很多關鍵的設備還需要不間斷電源，以確保市電停電時設備仍能工作。</p><p>　　近年來，隨著電力電子技術的迅猛發(fā)展，新的電子元器件、新電磁材料、新變換技術、新控制理論及新的軟件不斷的出現(xiàn)并應用到開關電源，使開關電源達到了頻率高、效率高、功率密度

17、高、功率因數(shù)高、可靠性高。因此，許多領域，例如郵電通信、軍事裝備、交通設施、儀器儀表、工業(yè)設備、家用電器等都越來越多的應用開關電源，并取得了顯著效益。</p><p>　　隨著芯片集成度的不斷提高，電子設備內(nèi)功能部件的體積不斷減小，因而要求設備內(nèi)部電源的體積和重量不斷減小。提高開關頻率是減小開關電源體積和重量的基本措施，因為變壓器和電感電容等濾波元件的體積和重量隨頻率的提高而減小。高頻化、小型化、模塊化和智能化是

18、直流開關電源的發(fā)展方向。高頻化是小型化和模塊化的基礎，目前開關頻率為數(shù)百kHZ至數(shù)MHz的開關電源已有使用。功率重量比或功率體積比是表征電源小型化的重要指標，50w/in的開關電源早已上市，目前己向120W/in發(fā)展。模塊化與小型化分不開，同時模塊化可提高電源的可靠性，簡化生產(chǎn)與使用。模塊電源的并聯(lián)串聯(lián)和級聯(lián)既便于用戶使用，也便于生產(chǎn)。智能化是便于使用和維修的基礎，無人值守的電源機房、航空和航天器電源系統(tǒng)等都要求高度智能化，以實現(xiàn)正常、

19、故障應急和危急情況下對電源的自動管理。</p><p>　　現(xiàn)代越來越復雜的電子設備對電源提出了各種各樣的負載需求。一個特定用途的電源裝置，應當具有符合負載要求的性能參數(shù)和外特性，這是基本的要求。安全可靠是必須加以保證的。高效率、高功率因數(shù)、低噪音是普遍關注的品質(zhì)。無電網(wǎng)污染、無電磁干擾、省電節(jié)能等綠色指標是全球范圍的熱門話題，并有相關的國際和國家標準規(guī)范進行約束。</p><p>　　電

20、源技術發(fā)展到今，己融匯了電子、功率集成、自動控制、材料、傳感、算機、電磁兼容、熱工等諸多技術領域的精華，已從多學科交叉的邊緣學科成長為獨樹一幟的功率電子學[1]。</p><p>　　電源電壓的變換，要有一種基礎的技術，使得變換簡單，成本低，體積重量小、容易控制輸出電壓、變換方式等，由此，產(chǎn)生了一種電源變換技術，叫做開關電源技術，最早開始應用也就是上世紀90年代初，這種技術的核心就是先將電壓能量統(tǒng)一變成直流，然后

21、切成間隔脈沖，通過脈沖的占空比實現(xiàn)控制能量輸出多少，來調(diào)節(jié)輸出電壓的目的，由于這種方法去掉了變壓器，所以體積減小重量減輕，控制簡單。</p><p>　　如今都提倡綠色化、環(huán)保節(jié)能，而開關電源可以做到相比其他電源更優(yōu)秀。首先是顯著節(jié)電, 這意味著發(fā)電容量的節(jié)約。發(fā)電造成環(huán)境污染的重, 通過節(jié)電就可以減少對環(huán)境的污染。并且開關電源能很好的防止高次諧波對電網(wǎng)的污染，提高功率因素。直流開關穩(wěn)壓電源是利用現(xiàn)代電力電子技術

22、，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關電源一般多采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制方式。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，開關電源逐步向高頻化方向發(fā)展。高頻化使開關電源具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點，因此，研究、開發(fā)高質(zhì)量的開關電源就變得十分必要，尤其在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義[2]。</p><p>　　直流開關穩(wěn)壓電源主電路的設計，主要包括：輸入濾波器：其作用是將

23、電網(wǎng)存在的雜波過濾，同時也阻礙本機產(chǎn)生的雜波反饋到公共電網(wǎng)。整流與濾波：將電網(wǎng)交流電源直接整流為較平滑的直流電，以供下一級變換。逆變：將整流后的直流電變?yōu)楦哳l交流電，這是高頻開關電源的核心部分，頻率越高，體積、重量與輸出功率之比越小。輸出整流與濾波：根據(jù)負載需要，提供穩(wěn)定可靠的直流電源。</p><p>　　本文設計的直流開關穩(wěn)壓電源主要應用于儀器儀表的開關電源，確定技術指標如下:</p><

24、p>　　(1) 電網(wǎng)輸入電壓：交流220V；</p><p>　　(2) 電網(wǎng)頻率：50Hz；</p><p>　　(3) 輸出電壓：直流24V；</p><p>　　(4) 輸出最大電流：10A。</p><p>　　1 直流開關電源主電路的設計</p><p>　　1.1 開關電源的基本原理與組成

25、特點分析</p><p>　　1.1.1 開關穩(wěn)壓電源的基本工作原理</p><p>　　開關式穩(wěn)壓電源的控制方式分為調(diào)寬式和調(diào)頻式兩種, 實際應用中, 調(diào)寬式使用的較多, 在目前開發(fā)和使用的開關電源集成電路中, 絕大多數(shù)也為脈寬調(diào)制型。調(diào)寬式開關穩(wěn)壓電源的基本原理如圖1-1所示。</p><p>　　圖1-1 調(diào)寬式開關電源的基本原理</p>&l

26、t;p>　　對于單極性矩形脈沖來說，其直流平均電壓U0取決于矩形脈沖的寬度, 脈沖越寬，其直流平均電壓值就越。其中有:U0=UmT1/T式中，Um為矩形脈沖的最大電壓值；T為矩形脈沖周期，T1為矩形脈沖寬度。由此可知, 當Um與T不變時，直流平均電壓U0將與脈沖寬度T1成正比。這樣，只要設法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄， 就可以達到穩(wěn)定電壓的目的[3]。</p><p>　　開關穩(wěn)壓電源（簡稱開

27、關電源）是利用現(xiàn)代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關電源一般多采用脈沖寬度調(diào)制（PWM）控制方式。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，開關電源逐步向高頻化方向發(fā)展。高頻化使開關電源具有體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點，因此，研究、開發(fā)高質(zhì)量的開關電源就變得十分必要，尤其在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。</p><p>　　開關穩(wěn)壓電源具有，效率高，輸出功率大，

28、輸入電壓變化范圍寬，節(jié)約能耗等優(yōu)點， 而被廣泛使用在各個行業(yè)和領域中。開關電源的工作原理就是通過改變開關器件的開通時間和工作周期的比值即占空比來改變輸出電壓，通常有三種調(diào)制方式: 脈沖寬度調(diào)制(PWM)、脈沖頻率調(diào)制(PFM)和混合調(diào)制。PWM調(diào)制是指開關周期恒定，通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式，因為周期恒定，濾波電路的設計容易，是應用最普遍的調(diào)制方式。開關穩(wěn)壓電源的主回路框圖如圖1-2 所示，由隔離變壓器產(chǎn)生一個24V的交流，經(jīng)過

29、整流濾波成一個直流，然后再進行DC-DC變換，有PWM的驅(qū)動電路，去控制開關電源管的導通和截止，而產(chǎn)生出一個穩(wěn)定的電壓源，如圖1-2所示[4]。</p><p>　　圖1-2 開關穩(wěn)壓電源</p><p>　　1.2 開關電源的結構與組成特點分析</p><p>　　1.2.1 開關電源的基本結構</p><p>　　開關電源作為一種高效

30、、輕型、高性能的電源已廣泛用于家用電器、電子計算機、變頻器等電子設備中。而在變頻器中的廣泛應用更顯其本色。變頻器的控制回路、驅(qū)動回路、保護回路、檢測電路等需要十余種相互隔離的電源。采用開關電源后,可以使變頻器體積小、重量輕、功耗低、穩(wěn)壓范圍寬,大大地改善了裝置的控制可靠性及保護性能。開關電源的結構框圖可如圖1-3所示。</p><p>　　圖1-3 開關電源的結構框圖</p><p>　　

31、從圖中可以看出，這幾部分是相輔相成的統(tǒng)一整體。在電源的研制和開發(fā)過程中必須對每一部分都進行認真的分析和研究，才能使所研制的開關電源滿足設計要求。</p><p>　　電源主電路通過輸入整流濾波、DC-DC變換、輸出整流濾波將市電轉(zhuǎn)為所需要的直流電壓。開關電源的主回路可以分為:輸入整流濾波回路、功率開關橋、輸出整流濾波三部分。輸入整流濾波回路將交流電通過整流模塊變換成含有脈動成分的直流電，然后通過輸入濾波電容使得脈

32、動直流電變?yōu)檩^平滑的直流電。功率開關橋?qū)V波得到的直流電變換為高頻的方波電壓，通過高頻變壓器傳送到輸出側。最后，由輸出整流濾波回路將高頻方波電壓濾波成為所需要的直流電壓或電流，主回路進行正常的功率變換所需的觸發(fā)脈沖由控制電路提供[5,6,7]。</p><p>　　控制電路是整個電源的大腦，它控制整個裝置工作并實現(xiàn)相應的保護功能。一般控制電路應具有以下功能:控制脈沖產(chǎn)生電路、驅(qū)動電路、電壓反饋控制電路、各種保護電

33、路、輔助電源電路。為了使開關電源設備正常的工作，使電源的各個組成部分都能發(fā)揮其最大的效能，就必須讓電源的各個組成部分相互協(xié)調(diào)、相互協(xié)作。</p><p>　　1.2.2 DC-DC變換器類型</p><p>　　DC-DC 變換器是開關電源中實現(xiàn)功率轉(zhuǎn)換的部分。DC-DC 變換器的輸入電壓為整流電壓，電壓較大，選用全橋式電路較為合適，可使變壓器磁芯和繞組得到最優(yōu)利用，使效率、功率密度等得

34、到優(yōu)化；另一方面，功率開關在較安全的情況下運行，最大的反向電壓不會超過輸入整流濾波電路的輸出電壓。但是需要的功率元件較多，在開關導通的回路上，至少有兩個管的壓降，因此功率損耗也較大。由于整流橋提供的直流電壓較高，工作電流相對較低，這些損耗還是可以接受的。目前，常用的全橋式變換器有傳統(tǒng)的硬開關式、諧振式以及移相式。</p><p>　　硬開關式全橋變換器：硬開關PWM電路曾以結構簡單、控制方便得到廣泛應用，在硬開關

35、PWM電路中，開關管工作在硬開關狀態(tài)，開關器件在高電壓下導通，大電流下關斷，因此，在開關瞬間必然有大量損耗。因此，常常加入緩沖電路，它可以限制開通時的du/dt和關斷時的di/dt，使功率器件安全正常運行。但是需要注意的是，吸收電路是通過把器件本身的開關損耗轉(zhuǎn)移到緩沖電路中而使器件得到保護的，因此這部分能量最終還是被消耗了，系統(tǒng)總的損耗沒有減少。并且頻率越高，開關損耗越大，使系統(tǒng)效率大大降低。另外，開關器件在高頻下運行時，器件本身的極間

36、電容將成為-個重要參數(shù)。極間電容電壓轉(zhuǎn)換時的du/dt會藕合到輸入端，產(chǎn)生較強的電磁干擾，影響電源本身和電網(wǎng)中其他電器設備的運行。此外，電路寄生電容、電感若形成強烈的振蕩也會影響到設備的正常運行[8]。</p><p>　　諧振式全橋變換器：硬開關式電路在頻率不高時其缺點還不是很突出，隨著頻率的提高，開關損耗和電磁干擾將變成一個十分嚴重的問題，為了解決這一問題，有人提出了諧振式軟開關的概念。諧振式軟開關和硬開關相

37、比，主要是增加了兩個附加元件--諧振電感和諧振電容。利用諧振電感和諧振電容的諧振作用，使開關器件在正弦波的零電壓或零電流處開通或關斷。諧振變換電路有多種拓撲結構，但其基本組成部分還是通過開關器件和諧振元件L、C之間串聯(lián)或并聯(lián)實現(xiàn)的，再配以適當?shù)目刂撇呗詠韺崿F(xiàn)開關器件的零電壓或零電流動作。</p><p>　　移相控制全橋變換器：由于具有恒頻軟開關運行、移相控制實現(xiàn)方便、電流和電壓應力小、巧妙利用寄生元件等一系列突

38、出優(yōu)點，倍受各方的廣泛關注.移相控制方式作為全橋變換器特有的-種控制方式，它是指保持每個開關管的導通時間不變，同一橋臂兩只管子相位相差180度。對全橋變換器來說，只有對角線上兩只開關管同時導通時，變換器才輸出功率，所以可通過調(diào)節(jié)對角線上的兩只開關管導通重合角的寬度來實現(xiàn)穩(wěn)壓控制，而在功率器件環(huán)流期間，它又利用變壓器的漏感、功率半導體器件結電容或外加的附加電感電容的諧振來實現(xiàn)零電壓或零電流的開關電流[9]。</p><

39、p>　　1.2.3 控制電路</p><p>　　控制電路是開關電源系統(tǒng)的另一重要部分。DC-DC變換器需要控制電路提供適當?shù)尿?qū)動脈沖，才能有效的工作。如果控制電路不完善，主電路設計得再好也無法發(fā)揮其自身的功能，例如:如果控制電路輸出的觸發(fā)信號不穩(wěn)定，或者出現(xiàn)誤觸發(fā)，有可能引起開關橋的直通，導致短路，從而損壞開關元件。</p><p>　　根據(jù)電路功能的分工可將控制電路分為幾大部分

40、:脈沖產(chǎn)生電路、觸發(fā)電路、電壓反饋控制電路、軟啟動電路、保護電路、輔助電源電路等。脈沖產(chǎn)生電路是控制電路的核心。脈沖產(chǎn)生電路根據(jù)電壓反饋控制電路、保護電路以及軟啟動電路等提供的控制信號產(chǎn)生出所需的脈沖信號，然后該脈沖信號經(jīng)過觸發(fā)電路的放大后去驅(qū)動開關元件，使開關管導通或關斷。</p><p>　　電壓反饋控制電路通過檢測電壓的大小，對輸出電壓進行采樣，然后將采樣電壓和參考電壓相比較得出誤差信號，反饋控制電路將誤差

41、信號進行PI處理后得到一控制電壓。最后，反饋控制電路將該控制電壓送給脈沖產(chǎn)生電路，進而調(diào)節(jié)輸出脈沖的脈寬達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。</p><p>　　控制電路輸出的PWM信號，電平幅值和功率能力均不足以驅(qū)動大功率開關元件，因此選擇合適的驅(qū)動電路是必須的。驅(qū)動電路是將控制電路輸出PWM脈沖信號經(jīng)過電隔離后進行功率放大和電壓調(diào)整再去驅(qū)動大功率開關管，由于所提供的脈沖幅度以及波形關系到開關管的開關過程，直接影響到損耗，

42、所以，應該合理設計驅(qū)動電路，實現(xiàn)開關管的最佳開通與關斷。</p><p>　　電源的輸出濾波電容較大，輸出電壓的突然建立將會形成非常大的電容充電電流，疊加在負載電流上，它不僅使開關管的負擔過重而可能損壞，而且，由于持續(xù)時間長，往往會引起過流保護電路發(fā)生誤動作。若為了避免由此引起的誤動作而將保護電路搞得非常遲鈍，這將會增加過流保護的不安全性。輸出電壓在合閘時容易出現(xiàn)過沖，這種過沖，合閘時可能發(fā)生，在關閉電源時也可能

43、產(chǎn)生，只要達到足夠的幅度將會給負載造成損害，而且，反復的大電流沖擊對電容器本身也不利，同時還會引起干擾，因此，開關電源必須具備輸出電源軟啟動的功能。軟啟動電路在電源合閘和重新啟動時提供一個逐漸上升的電壓信號給脈沖產(chǎn)生電路，從而使控制電路的輸出脈沖有一個逐漸建立的過程。</p><p>　　保護電路是控制電路的一個重要組成部分，為了提高電源的可靠性必須不斷完善保護電路的功能。當前開關電源電路的主要保護功能有:過流保

44、護、過壓保護、欠壓保護、溫度保護。過流保護和過壓保護是為了保護負載和電源兩者而設置的，而欠壓保護和溫度保護是為了電源本身而設置的。</p><p>　　輔助電源電路的功能是為控制電路供電。輔助電源的類型有很多種，既可以采用串聯(lián)線性調(diào)整型電源，也可以采用開關電源。輔助電源也可以通過高頻變壓器獲得輸出后反饋提供，輔助電源本身作為開關電源的一組負載。選取輔助電源電路形式時，只要該電源能滿足控制電路的要求即可。</

45、p><p>　　1.3 主要電路的設計</p><p>　　1.3.1 整流電路設計</p><p>　　整流電路的主要作用是把經(jīng)過變壓器降壓后的交流電通過整流變成單個方向的直流電。但是這種直流電的幅值變化很大。它主要是通過二極管的截止和導通來實現(xiàn)的。常見的整流電路主要有全波整流電路、橋式整流電路、倍壓整流電路。由于單相橋式整流電路的紋波電壓小，輸出電壓比較高，晶體管

46、所承受的最大反向電壓較低，同時因電源變壓器在正、負半周內(nèi)部有電流供給負載，電源變壓器得到了充分的利用，效率高，所以我們選取單相橋式整流電路實現(xiàn)設計中的整流功能。單相橋式整流電路如圖1-4所示[10]。</p><p>　　圖1-4 單相橋式整流電路</p><p>　　1.3.2 濾波電路設計</p><p>　　濾波電路用于濾去整流輸出電壓中的紋波，對于濾波電路的

47、選擇有以下兩種方案。</p><p>　　方案一：采用電感濾波電路。由于電感在電路中有儲能的作用，在電路中可以串聯(lián)電感，當電源供給的電流增加時，它把能量存儲起來，而當電流減小時，又把能量釋放出來，使負載電流比較平滑，即電感有平波的作用。在電感濾波電路中，整流管的導電角較大，峰值電流很小，輸出特性比較平坦，但是由于鐵心的存在，笨重、體積大，容易引起電磁干擾。一般用只用在低電壓、大電流場合。</p>&

48、lt;p>　　方案二：采用電容濾波電路。由于電容在電路中也有儲能的作用，并聯(lián)的電容器在電源供給的電壓升高時，能把部分能量存儲起來，而當電源電壓降低時，就把能量釋放出來，使負載電壓比較平滑，也就是電容具有平波的作用。電容濾波電路簡單，負載直流電壓比較高，紋波也較小，適用于負載電壓較高，負載變動不大的場合，也減輕了電路設計和實際焊接的工作。如圖1-5 a)、b)為電容濾波電路，c)為電感濾波電路[11,12]。</p>

49、<p>　　a) C 型濾波電路 b) 倒L型濾波電路 c) π型濾波電路</p><p>　　圖1-5 濾波電路的基本形式</p><p>　　根據(jù)以上的分析選用方案二。</p><p>　　1.4 DC-DC變換器設計 </p><p>　　1.4.1 DC-DC變換器電路設計及

50、工作原理</p><p>　　全橋變換電路拓撲是目前國內(nèi)外DC-DC變換電路中最常用的電路拓撲形式之一，應用非常廣泛。本課題電源系統(tǒng)采用的即是這種全橋變換器拓撲。全橋變換器電路結構如圖1-6所示[13]。</p><p>　　圖1-6 全橋變換器電路結構</p><p>　　基本工作原理為：直流電壓Vin 經(jīng)過Q1、D1～Q4、D4 組成的全橋開關變換器，在高頻變壓

51、器初級得到高頻交流方波電壓，經(jīng)變壓器降壓，再全波整流變換成直流方波，最后通過電感L、電容C 組成的濾波器，在R上得到平直的直流電壓。全橋直流變換器由全橋逆變器、高頻變壓器和輸出整流濾波電路組成，也屬于直流-交流-直流變換器[14]。</p><p>　　1.4.2 全橋DC-DC 變換器的控制方式</p><p>　　全橋電路，適用于較多的場合。全橋變換器本質(zhì)上有三種基本的控制方式：雙極

52、性控制、有限雙極性控制和移相控制。下面簡要說明幾種控制方式的區(qū)別[15]。</p><p>　　(1) 雙極性控制方式</p><p>　　開關管Q1和Q4、Q2和Q3同時開通和關斷，兩對開關管以PWM方式交替開通和關斷，其開通時間不超過半個開關周期。即它們的開通角小于180度。當Ql, Q4導通時，Q2,Q3上的電壓為Vin，反之亦然；當四個開關管都處在截止狀態(tài)時，每個開關管所承受的電

53、壓為Vin / 2。由高頻變壓器的漏感與開關管結電容在開關過程中產(chǎn)生高頻振蕩所引起的電壓尖峰，當其超過輸入電壓時，鉗位二極管Dl～D4將導通，使開關管兩端的電壓被限制在輸入電壓上。這種控制方式是過去全橋電路最基本的方式。</p><p>　　(2) 有限雙極性控制方式</p><p>　　電路中同一個橋臂的兩個開關管(例如Q2,Q4) 180度互補導通，另一個開關橋臂的兩個開關管的導通占

54、空比可調(diào)。正半周期中，Q4一直開通,Q1只開通一段時間；負半周期中，Q2一直開通，Q3只開通一段時間。Q1和Q3分別在Q4 和Q2之前關斷。定義Q1、Q3組成的橋臂為超前橋臂，Q2、Q3組成的橋臂為滯后橋臂。</p><p>　　(3) 移相控制方式</p><p>　　每個橋臂的兩個開關管180度互補導通，兩個橋臂的導通之間相差一個相位，即所謂移相角。通過調(diào)節(jié)移相角的大小來調(diào)節(jié)輸出脈沖

55、寬度，從而達到調(diào)節(jié)相應的輸出電壓的目的。Q1, Q3的驅(qū)動信號分別領先于Q4, Q2，可以定義Q1, Q3組成的橋臂為超前橋臂，Q2, Q4組成的橋臂為滯后橋臂。</p><p>　　2 控制電路及保護電路的設計</p><p>　　開關電源的主電路主要處理電能，而控制電路主要處理電信號，屬于“弱電”電路，但它控制著主電路中的開關器件的工作，一旦出現(xiàn)失誤，將造成嚴重后果，使整個電源停止工

56、作或損壞。因此，控制電路的設計質(zhì)量對電源的性能至關重要。設計中采用PWM集成控制器[15]。</p><p>　　2.1 PWM集成控制器的工作原理</p><p>　　PWM集成控制器通常分為電壓控制模式和電流控制模式，電流控制模式因為動態(tài)響應快，補償及保護電路簡單，增益帶寬大，易于均流及可防止偏磁等優(yōu)點而被廣泛采用電流控制模式又分為峰值電流模式和平均電流模式，本論文采用UC1825A

57、集成芯片峰值電流控制模式。兩種控制模式的原理圖如圖2-1和圖2-2所示。</p><p>　　圖2-1 電壓控制模式</p><p>　　圖2-2 峰值電流控制模式</p><p>　　2.1.1 兩種控制模式的工作原理</p><p>　　圖2-1為電壓控制模式的PWM 原理圖。由圖可以看出電壓控制模式只有一個電壓反饋閉環(huán)，采用脈沖寬度調(diào)

58、制法。它工作的基本原理是：當恒頻時鐘脈沖置位鎖存器時，輸出電壓U0與參考電壓Uref 經(jīng)誤差放大器EA 放大后得到了一個誤差電壓信號Ue ，Ue再與振蕩電路產(chǎn)生的固定鋸齒波電壓經(jīng)PWM 比較器COM 比較，由鎖存器輸出占空比隨誤差電壓信號Ue變化的具有一定占空比的一系列脈沖[13]。</p><p>　　圖2-2為峰值電流控制模式的PWM 原理圖。由圖可以看出，它在原有的電壓環(huán)上增加了電流反饋環(huán)節(jié),構成電壓電流雙

59、閉環(huán)控制。它工作的基本原理是：輸出電壓U0 與參考電壓Uref 經(jīng)誤差放大器EA 放大后得到一個誤差電壓信號Ue ，Ue 再與變壓器初級電感線圈中電流的采樣電壓Ur 比較，產(chǎn)生調(diào)制脈沖的寬度,由恒頻時鐘脈沖置位鎖存器輸出脈沖，使得誤差信號對電感電流的峰值起控制作用。當Ur 幅度達到Ue 電平時，PWM 比較器的狀態(tài)翻轉(zhuǎn)，鎖存器復位，驅(qū)動撤除，開關管關斷，電路逐個地檢測和調(diào)節(jié)電感電流脈沖，由此控制電源的輸出電壓。</p>&

60、lt;p>　　若輸入電壓下降，整流后的直流電壓下降，經(jīng)電感延遲使輸出電壓下降，經(jīng)誤差放大器延遲，Ue 電壓不變，在電流環(huán)中電感的峰值電流也隨輸入電壓下降,電感電流的斜率di/dt 下降，導致斜坡電壓推遲到達Ue，使PWM 占空比增大，起到調(diào)整輸出電壓的作用。</p><p>　　2.1.2 兩種控制模式的比較選擇</p><p>　　一般來說，電壓控制模式的開關電源是一個二階系統(tǒng)，它

61、有兩個變量，即輸出濾波器電容器上的電壓和輸出濾波電感中的電流。二階系統(tǒng)是一個有條件穩(wěn)定的系統(tǒng)，只有對控制回路進行精心設計和計算，在滿足一定的條件下，閉環(huán)系統(tǒng)才能穩(wěn)定工作。大家知道，開關電源的電流都要經(jīng)過電感的，對于電壓信號有90度的相位延遲，而對于整個電源穩(wěn)壓系統(tǒng)來說，實際上需要不斷調(diào)節(jié)的是輸入電流，以適應輸入電壓和負載的變化而保持輸出電壓恒定的要求。這種采樣輸出電壓的控制方法，必然是響應速度慢，穩(wěn)定性差，甚至在大信號時容易產(chǎn)生振蕩，造

62、成功率開關器件損壞等故障。而電流控制模式的開關電源是一個一階系統(tǒng)，一個無條件穩(wěn)定的系統(tǒng)，由于它只有一個極點，因此很容易得到大的開環(huán)特性和完善的小信號和大信號特性。目前使用廣泛的電流模式控制開關變換器正是在傳統(tǒng)的電壓控制模式的基礎上，增加電流反饋環(huán)節(jié)，使之成為一個雙環(huán)控制系統(tǒng)，讓電壓上的電流不再是一個單獨的變量，從而使開關變換器的二階模型中去掉了電感電流而成為一個一階系統(tǒng)。歸納起來，電流控制模式的優(yōu)點主要有以下幾點：</p>

63、<p>　　(1) 對輸入電壓的變化響應快</p><p>　　這可直觀的從電路的工作原理中分析得出，電源輸入電壓的變化，必然會引起變壓器的初級電流上升斜率的變化，如電壓升高，則電流增長變快，反之則變慢。但是只要電流脈沖達到了一定的幅度，電流控制回路就動作，使得脈沖寬度發(fā)生變化，保證輸出電壓的穩(wěn)定，而在電壓模式控制電路中，檢測電路對輸入電壓的變化沒有直接的反應，一直要等到輸出電壓發(fā)生一定的變化后，才

64、會去調(diào)節(jié)脈沖寬度。一般電壓控制模式要5 到10個開關周期才能響應輸入電壓的變化。</p><p>　　(2) 過流保護和可并聯(lián)性</p><p>　　在電流模式控制的變換器中，由于內(nèi)環(huán)采用了直接的電感電流峰值檢測技術，它可以及時、準確的檢測出變壓器以及開關管中的瞬態(tài)電流，自然形成了逐個電流脈沖檢測電路。只要給定或者限制考電流，就可以準確地限制流過開關管和變壓器中的最大電流，從而在輸出過載

65、或短路時保護了開關管和變壓器，也可以有效地克服因輸入電壓的浪涌產(chǎn)生很大的尖峰電流而損壞開關管的故障。同時也可以在設計開關電源時不必給開關器件和變壓器留有較大的裕量，在保證可靠性的前提下，盡可能降低成本。</p><p>　　(3) 變壓器的磁通平衡</p><p>　　在全橋和推挽變換器中，開關管的飽和壓降存儲時間的不同都會造成電壓波形的不對稱，從而使直流電流流過變壓器初級產(chǎn)生偏磁，這個

66、偏磁會隨著時間的積累導致變壓器的飽和，使得電源不能正常工作，嚴重時會燒毀變壓器。在電壓控制模式變換器中，雖然偏磁電流在線路上總的壓降會抵消掉一部分偏磁現(xiàn)象，但不能完全克服，而電流控制模式可以自動解決磁通不平衡的問題，這是因為它內(nèi)部的電流環(huán)能使電流脈沖寬度不同但幅值肯定相同。</p><p>　　(4) 回路穩(wěn)定性好、負載響應快</p><p>　　因為本論文全橋變換器中的電感電流是連續(xù)的

67、，控制峰值電流就相當于控制平均電流，電流型控制可以看作是一個受輸出電壓控制的電流源， 而電流源的電流大小就反映了電源輸出電壓的大小。電流控制型和電壓控制型的開關電源相比有許多優(yōu)點，但其本身也有缺點，如電感峰值電流與平均電流有誤差,占空比大于0.5 時容易發(fā)生振蕩；直流開環(huán)負載調(diào)整率較差等。這些問題絕大部分可以采取適當措施后得到滿意地解決，這就為電流型開關電源的普及和發(fā)展創(chuàng)造了條件。</p><p>　　2.2

68、保護電路的設計</p><p>　　2.2.1 過電壓保護</p><p>　　如圖2-3由R1、R2構成的分壓電路足為輸入電壓Ui的檢測電路，A點電壓為UiR2/(R1+R2),R3、R4、RP和比較器UA構成滯環(huán)比較電路，滯環(huán)的寬度為UccR3/R4。調(diào)節(jié)器RP可以改變過壓保護的限值。原理為，當UiR2/（R1+R2）高于UH（1+R3/R4）時，比較器翻轉(zhuǎn)，輸出U0變?yōu)閁cc，而當

69、小于時輸出U0變?yōu)榱恪?</p><p>　　圖2-3 過電壓保護電路</p><p>　　2.2.2 過電流保護</p><p>　　如圖2-4電流互感器的一次側串入主電路中用以檢測電流。電阻R1是電流互感器二次側電流采樣電阻，其電壓Ur1=R1is/n，n為互感器的匝比。當主電路電流增大，Ur1=R1is/n隨之增大，當Ur1大于UH時，比較器A輸出由低電平變?yōu)?/p>

70、高電平，并使RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，去封鎖PWM輸出，使主電路開關管關斷。要重新啟動電路，則必須在RS觸發(fā)器R端施加復位信號[16]。</p><p>　　圖2-4 過電流保護電路</p><p>　　3 關鍵器件的選型</p><p>　　3.1 整流橋晶閘管選型</p><p>　　所采用的是單相橋式全控整流電路，輸入電壓為交流220V晶閘管

71、承受的最大正向電壓和反向電壓分別為/2和。</p><p>　　所以，整流二極管的峰值電壓為：</p><p><b>　　取50%的裕量：</b></p><p>　　因此選用耐壓為500V的晶閘管。</p><p>　　本設計穩(wěn)壓電源為24V最大為10A的穩(wěn)壓電源根據(jù)開關電源的一般效率約為80%取其值所以輸入功率約為

72、：</p><p>　　所以最大輸入電流為：</p><p>　　因此，選用額定電流為大于2A 是晶閘管。</p><p>　　綜合得，晶閘管選用耐壓500V額定電流為2A的晶閘管。</p><p>　　3.2 輸入整流電容的選擇</p><p>　　輸入電容器Cm決定于輸出保持時間和直流輸入電壓的紋波電壓的大小，而

73、且要在計算流入電容器的紋波電流是否完全達到電容器的容許值的基礎上進行設計。電網(wǎng)輸入電壓為220V，通過直流輸入電流的平均電流為：</p><p>　　計算單相全波整流電路濾波電容的經(jīng)驗公式為：</p><p>　　所以 </p><p>　　根據(jù)計算結果，選用 1000uF/250V的電解電容作為濾波電容。</p>

74、<p>　　3.3 DC-DC變換器開關管的選擇</p><p>　　本設計DC-DC變換器晶閘管選用的是電力MOSFET晶閘管，根據(jù)相關文獻得知加在晶閘管上的最高電壓為V即：</p><p>　　取50%裕量： </p><p>　　一些參數(shù)尚不知道的情況下，我們需要估算開關管的電流，以便選擇開關管和計算輸出濾波電路。在高頻變壓器

75、的計算中，估算了實際占空比為0.658，為0.252。</p><p>　　輸入整流濾波電路的最大輸出電流平均值：</p><p>　　占空比為0.658和0.252時峰值電流分別為：</p><p>　　所以，開關管估算最大電流為5.4A。</p><p>　　根據(jù)計算所得的結果分析得選用耐壓為500V電流20A 的MOSFET管為開關管。

76、</p><p>　　3.4 輸出整流二極管的選型</p><p>　　因為輸出二極管工作于高頻狀態(tài)，所以應選用快恢復二極管。</p><p><b>　　輸出最大功率為：</b></p><p>　　最大電流為10A 考慮裕量，選擇RURU3O12O作為輸出二極管，該管耐壓為120V額定電流為20A。</p&g

77、t;<p><b>　　結 論</b></p><p>　　直流開關穩(wěn)壓電源的畢業(yè)設計，需要掌握了開關電源的設計思路和方法。對各個模塊進行設計，需要對開關電源有深刻的理解。其各模塊主電路、控制電路、保護電路設計方法和思路比較多，通過比較各模塊各個實現(xiàn)方法優(yōu)缺點和設計的要求，選擇了比較適合的電路。</p><p>　　本文設計出了直流開關穩(wěn)壓電源的主電路、

78、控制電路、保護電路，其中DC-DC變換是其主電路的核心，所采用的是全橋變換電路，是最常見的電路拓撲形式之一，采用了有限雙極性控制方法實現(xiàn)。全橋直流變換器主要由全橋逆變器、高頻變壓器和輸出濾波電路組成，屬于直流-交流-直流變換器。DC-DC變換器在高頻變壓器初級得帶高頻交流方波電壓經(jīng)變壓器降壓，再全波整流變換經(jīng)整流濾波得到穩(wěn)定的直流電壓。此外另一個關鍵電路就是PWM控制電路，所采用的是MOSFET開關管，控制電路的好壞直接關系到電源系統(tǒng)的

79、整體性能。保護電路也是必不可少的電路，在保護電路的保護下可以防止電壓或電流過高導致儀器儀表的損壞。只有各個模塊的電路結合起來才可以最終設計出一個符合要求的能夠穩(wěn)定工作的直流穩(wěn)壓電源。</p><p><b>　　致 謝</b></p><p>　　經(jīng)過一階段的努力，我的畢業(yè)論終于完成了。首先，要感謝我的指導老師xx老師。論文的選題、具體工作和撰寫過程都凝聚著指導老師的

80、心血和汗水。xx老師嚴謹、務實和認真的工作態(tài)度給我留下了深刻的印象。在此，謹向xx老師表示衷心的感謝和崇高的敬意。</p><p>　　其次，感謝所有幫助過我的老師們，他們的熱情以及在科研工作中的忘我精神和在教學過程中的嚴謹，給我留下了深刻的影響，使我受益非淺。在多位老師的教導下，我才打下了堅實的基礎，使得畢業(yè)論文能夠順利完成。在設計的過程中，我的許多朋友、同學也給予了我多方面的指導和幫助，他們勤奮認真的工作態(tài)度

81、值得我學習，向他們表示深切的感謝！</p><p>　　最后，向各位參加答辯的老師、答辯評委們致以最誠摯的謝意！</p><p><b>　　參考文獻</b></p><p>　　[1] 張小林，冉建橋，李賢云. 我國開關電源發(fā)展的思考. 微電子學，2004.</p><p>　　[2] 胡炎申，謝運祥.通信用高頻開

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