低壓大電流同步整流DCDC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)

1、 畢 業(yè) 設(shè) 計(jì)（論 文）低壓大電流同步整流DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)系別：機(jī)電信息學(xué)院專(zhuān)業(yè)名稱(chēng)：電氣工程及其自動(dòng)化學(xué)生姓名：張康學(xué)號(hào)：指導(dǎo)教師姓名、職稱(chēng)：張成民 高級(jí)工程師完成日期 2015年12月25日低壓大電流同步整流DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)摘要進(jìn)入21世紀(jì)后，微電子技術(shù)、互聯(lián)網(wǎng)技術(shù)、集成電路，和信息技術(shù)發(fā)展得非?？焖?。集成電路芯片和數(shù)字信號(hào)處理器的大規(guī)模被普及應(yīng)用在手機(jī)，筆記本電腦，工作站等的場(chǎng)合中。小功率的DC-DC變換器廣泛的使用在計(jì)算機(jī)、各種諸如手機(jī)，筆記本電腦等便攜的電子產(chǎn)品。電子產(chǎn)品的精密化，小型化要求供電電源必須可以輸出更低的電壓、更大的大輸出電流、而且必須保證功率密度高、效率更高、

2、穩(wěn)定性及具有快動(dòng)態(tài)響應(yīng)來(lái)滿足以上的各種場(chǎng)合要求的快速、更加高效的數(shù)據(jù)處理速度。按照低壓大電流輸出的DC/DC轉(zhuǎn)換器的特點(diǎn)，我們了解到效率問(wèn)題是變換器中的重要表現(xiàn)，經(jīng)過(guò)對(duì)同步整流的原理和特點(diǎn)的分析，重點(diǎn)說(shuō)明了低功率場(chǎng)合中自驅(qū)動(dòng)同步整流的各種優(yōu)勢(shì)，對(duì)于自驅(qū)動(dòng)同步整流，分析介紹了各種與之相結(jié)合電路拓?fù)浜?，我們發(fā)現(xiàn)必須給出一種新的同步整流方案，即一種新的單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流方案，通過(guò)此方案來(lái)解決常規(guī)的自驅(qū)動(dòng)同步整流方案所帶有的種種局限性。單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流方案就是本文主要說(shuō)明的方案，它具有簡(jiǎn)單性、經(jīng)濟(jì)性、可靠性，單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流這種整流方案在低功率，輸出低壓，大電流的DC/DC變換器應(yīng)用場(chǎng)合中使

3、用十分合適。自驅(qū)動(dòng)同步整流的應(yīng)用拓?fù)浞秶軐?，尤其適用于變壓器如橋式、推挽等對(duì)稱(chēng)工作的拓?fù)?。本畢設(shè)將會(huì)進(jìn)行研究分析單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流對(duì)稱(chēng)半橋變換器的優(yōu)點(diǎn)，通過(guò)對(duì)主電路設(shè)計(jì)與驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)，具體到對(duì)電路元件參數(shù)進(jìn)行相關(guān)計(jì)算和元件的選擇，通過(guò)軟件對(duì)其進(jìn)行了仿真，驗(yàn)證了變換器低壓，大電流輸出的可行性。關(guān)鍵詞：直-直；變換器；小功率；同步整流；單繞組自驅(qū)動(dòng)；對(duì)稱(chēng)半橋；系統(tǒng)設(shè)計(jì)Low voltage high current synchronous rectification DC/DC converter designAbstractIn the 21st century, microelectron

4、ic technology, Internet technology, integrated circuits, and information technology developed very quickly. Integrated circuit chips and digital signal processors scale is universal application in mobile phones, laptops, workstations, and so on occasion. Low-power DC / DC converter in the computer,

5、communications and other applications have been widely used. Its power supply must have a lower output voltage, output current, higher power density, higher efficiency, stability, and has fast dynamic response to meet the requirements of various occasions over the faster, more efficient data process

6、ing speed.According to DC low voltage high current output DC / DC converter features, we know that the converter efficiency is an important manifestation of the analysis of the principles and characteristics of synchronous rectification, and highlights the low-power applications in each self-driven

7、synchronous rectification Dominant, for self-driven synchronous rectification, the analysis describes the various combination of circuit topology with after, we found it necessary to give a new synchronous rectification scheme, namely, a new single-winding self-driven synchronous rectification schem

8、e, through this programs to address the conventional self-driven synchronous rectification program brought some various limitations.Single-winding self-driven synchronous rectification scheme is mainly described herein programs, it has a simple, economical, reliable, it is very suitable for low-powe

9、r low voltage high current output DC / DC converter applications occasions. Self-driven synchronous rectification topology of a wide range of applications, especially for transformer such as topology bridge, push-pull and other symmetrical work.This article will study and analyze single-winding self

10、-driven synchronous rectification symmetrical half-bridge converter characteristics by driving the main circuit design and circuit design, circuit elements specific to the right right parameters related calculations and component selection, through its software simulation, verification of the low-vo

11、ltage, high-current output of the converter feasibility.Keywords: DC-DC;Converter;LowPower;Synchronous;RectificationSelf-Driven;Half-Bridge System; Design目錄1 緒論11.1 課題背景11.2 電源管理概述和發(fā)展趨勢(shì)21.3 開(kāi)關(guān)電源敘述21.3.1 直流開(kāi)關(guān)電源分類(lèi)21.3.2 開(kāi)關(guān)電源的定義31.3.3 開(kāi)關(guān)電源的工作原理31.3.4 開(kāi)關(guān)電源的組成41.4 本文主要研究的內(nèi)容52 同步整流原理及同步整流方案的選擇62.1 同步整流的原理

12、62.1.1 同步整流對(duì)效率的影響62.1.2 同步整流的由來(lái)72.1.3 同步整流管的簡(jiǎn)介與選擇82.1.4 典型的同步整流電路及其工作過(guò)程82.1.5 同步整流對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求92.1.6 同步整流管與結(jié)型整流二極管的損耗分析102.2 同步整流的方案選擇112.3 單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流方案的拓?fù)浞治?22.3.1 關(guān)于對(duì)稱(chēng)半橋變換器SWSDSR原理剖析122.3.2 單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流的分析總結(jié)132.4本章小結(jié)133 單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流對(duì)稱(chēng)半橋變換器的設(shè)計(jì)與仿真153.1 主要電路參數(shù)設(shè)計(jì)153.1.1 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)153.1.2 控制電路的參數(shù)設(shè)計(jì)173.2 仿真結(jié)果193.3

13、 仿真結(jié)果分析224 總結(jié)展望244.1 本文小結(jié)244.2 開(kāi)關(guān)電源的研究前景與展望24致謝25參考文獻(xiàn)261 緒論本文針對(duì)最新一代數(shù)據(jù)處理器、儀器儀表、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品相關(guān)的工控設(shè)備、通訊產(chǎn)品設(shè)備、電力相關(guān)設(shè)備、影音設(shè)備等等的應(yīng)用場(chǎng)合，對(duì)各種產(chǎn)品的電源中的低壓大電流同步整流DC/DC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了相關(guān)背景學(xué)識(shí)的介紹和轉(zhuǎn)換器重要技術(shù)進(jìn)行理論分析計(jì)算設(shè)計(jì)。1.1 課題背景隨著信息科技行業(yè)的高速發(fā)展，具有高速，超大規(guī)模的集成電路產(chǎn)品尺寸因此變得不斷減小。各種計(jì)算機(jī)設(shè)備、科研工作站、網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器、便攜式設(shè)備例如筆記本電腦，手機(jī)等各種設(shè)備得到了快速的發(fā)展。這些應(yīng)用方式中，直流分布式電源及其系統(tǒng)被廣泛的使用。電源

14、系統(tǒng)的關(guān)鍵組成部分是使用了各種各樣設(shè)計(jì)的直流電源轉(zhuǎn)換器。通訊電源的發(fā)展經(jīng)過(guò)通信業(yè)的快速發(fā)展壯大，開(kāi)關(guān)電源處于通信系統(tǒng)中的最重要的位置逐漸的變成了當(dāng)今通信供電系統(tǒng)的主流。在這個(gè)通訊行業(yè)的領(lǐng)域中，一次電源是高頻整流器，而二次電源是直流/直流變換器。隨著集成電路開(kāi)始大規(guī)模發(fā)展壯大，電源模塊逐漸變得小型化，所以需要采用新的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，開(kāi)關(guān)頻率得以不斷的升高，這些要求使得高頻開(kāi)關(guān)電源技術(shù)得不斷的發(fā)展，不斷的進(jìn)步。我們知道生活中的筆記本電腦，手機(jī)，家庭座機(jī)等計(jì)算機(jī)、通訊產(chǎn)品的中央處理器是由幾個(gè)微處理器組成，它具有高效率的數(shù)據(jù)處理電路。相對(duì)于電源來(lái)講，這些數(shù)據(jù)處理電路中的特殊的負(fù)載工作的電壓變得越來(lái)越低、

15、反而電流越來(lái)越大，在各種各樣的工作狀態(tài)下相互轉(zhuǎn)換時(shí)電流的變化率越來(lái)越高。為了進(jìn)一步提高處理器的電路數(shù)據(jù)處理速度，微處理器的頻率將會(huì)進(jìn)一步提高，并且集成化程度會(huì)不斷發(fā)展提高，供電電壓將會(huì)變得越來(lái)越低，將會(huì)使得更多的處理器會(huì)直接集成在一個(gè)同一個(gè)小小的芯片上，所以將來(lái)的處理器它的額定工作電流必然會(huì)達(dá)到幾十安培，甚至l00A或者可能會(huì)更高。工作電流的增大會(huì)使處理器擁有著嚴(yán)格的功率管理方式，會(huì)對(duì)這類(lèi)負(fù)載的供電的電源提出非常高的要求。現(xiàn)在很多國(guó)外的電力芯片科研機(jī)構(gòu)，集團(tuán)公司針對(duì)這類(lèi)具有特殊負(fù)載的電源進(jìn)行更深層次的研究，設(shè)計(jì)出電壓調(diào)節(jié)模塊(VRM)。它針對(duì)這些微處理器的高要求，電壓調(diào)節(jié)模塊務(wù)必提供嚴(yán)格的低電

16、壓輸出，大電流的輸出，并且這類(lèi)電壓調(diào)節(jié)模塊還得具備快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。直流開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展方向逐漸朝著體積小型化，模塊化，智能化，數(shù)字化，頻率高等幾個(gè)方向發(fā)展。從目前的各種開(kāi)發(fā)的產(chǎn)品來(lái)說(shuō)，開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率已經(jīng)發(fā)展到數(shù)百kHz甚至到數(shù)MHz的高度。頻率的大小也決定了開(kāi)關(guān)電源小型化與模塊化的發(fā)展。電源小型化，它的一個(gè)重要的指標(biāo)就是功率體積比，開(kāi)關(guān)電源的功率體積比逐漸從80W/in3發(fā)展到120W/in3這個(gè)高度。模塊化與小型化密不可分，模塊化的發(fā)展可以使得開(kāi)關(guān)電源可以十分靈活使用，同時(shí)也提高了電源的可靠性。最主要的是可以讓開(kāi)關(guān)電源的生產(chǎn)和使用變得更加簡(jiǎn)單。開(kāi)關(guān)電源的使用簡(jiǎn)單化，維修簡(jiǎn)易化必然要求它具有

17、智能化。目前，隨著科技大發(fā)展，不論是航空電氣，還是廠房設(shè)備，還是家庭中的簡(jiǎn)單的電源，數(shù)字化的發(fā)展都可以使開(kāi)關(guān)電源的元器件變少，體積變小，而且可以更加安全。1.2 電源管理概述和發(fā)展趨勢(shì)開(kāi)關(guān)電源是諸如家用電視機(jī)，計(jì)算機(jī)，手機(jī)，測(cè)試儀器，生物學(xué)儀器，通訊設(shè)備等現(xiàn)代電力電子設(shè)備的重要組成部分。今天的開(kāi)關(guān)電源的分類(lèi)不過(guò)就是交流開(kāi)關(guān)電源（可以輸出電能質(zhì)量較高的交流電）和直流開(kāi)關(guān)電源（可以輸出電能質(zhì)量較高的直流電）兩個(gè)類(lèi)別。電力電子變換器是開(kāi)關(guān)電源的核心部分。如果按照能量轉(zhuǎn)換角度劃分，開(kāi)關(guān)電源可以劃分四個(gè)類(lèi)型。第一種便是我們常說(shuō)的直直變換器（DC-DC）,它是直流開(kāi)關(guān)電源的重要的組成部分。這種變換器可以將

18、直流電能轉(zhuǎn)換為另一種或者多種的電壓直流電能。還有一種是整流器（AC-DC轉(zhuǎn)換器），又稱(chēng)為離線式變換器，可以把交流電轉(zhuǎn)換為直流電能的轉(zhuǎn)換器。第三種就是逆變器（DC-AC變換器）。顧名思義就是把一種直流電能轉(zhuǎn)換成其他的交流電能的變換器。它是交流開(kāi)關(guān)電源和不間斷電源（UPS）的重要組成部分。最后要說(shuō)的就是將一種頻率的交流電直接轉(zhuǎn)換為另一種恒定頻率或者可以變換的交流電的交交(AC-AC)變頻器。 以上的四類(lèi)變換器既可以單向變換，也可以是雙向變換。單向變換就是只能將電能從一個(gè)方向輸入經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)化后從其他的方向輸出。雙向變換就是電能的流動(dòng)可以使雙向的。1.3 開(kāi)關(guān)電源敘述1.3.1 直流開(kāi)關(guān)電源分類(lèi)開(kāi)關(guān)電源概

19、念的引入，首先，我們借助實(shí)際生活中的例子便攜式計(jì)算機(jī)適配器來(lái)闡述開(kāi)關(guān)電源的作用，即為什么要用適配器計(jì)算機(jī)才能工作。如果用電池給便攜式計(jì)算機(jī)供電，供電的時(shí)間是有限的，電池電量用完了，計(jì)算機(jī)就不能工作了，下次要用電池給計(jì)算機(jī)供電，怎么辦？適配器的作用之一：給電池充電。適配器的輸入電壓為AC-220V，而電池電壓為DC-20V，也就是AC-220V經(jīng)過(guò)適配器變換得到DC-20V之后才能給電池充電。如果不用電池給便攜式計(jì)算機(jī)供電，直接用適配器給計(jì)算機(jī)供電，那么AC-220V經(jīng)過(guò)適配器變換得到DC-20V，便能給便攜式計(jì)算機(jī)供電，若計(jì)算機(jī)工作需要。若計(jì)算機(jī)工作需要消耗65W（輸出20V/3.25A）的能

20、量，假設(shè)整個(gè)電路的效率為85%，那么輸入端75W的能量要經(jīng)過(guò)適配器傳遞給計(jì)算機(jī)。適配器的作用之二：把交流AC-220V變換成計(jì)算機(jī)工作時(shí)需要的直流電壓20V和傳遞能量。直流開(kāi)關(guān)電源可以按照輸入輸出是否電氣隔離分為兩大類(lèi)別：第一類(lèi)：隔離式直流開(kāi)關(guān)電源。隔離式變換器可以實(shí)現(xiàn)輸入與輸出間的電氣隔離，而變壓器來(lái)達(dá)成電氣隔離是一種常見(jiàn)的采用方法，變壓器的本身就具有變壓的功能。第二類(lèi)：非隔離式直流開(kāi)關(guān)電源。非隔離式變換器則無(wú)法實(shí)現(xiàn)輸入與輸出間的電氣隔離。我們按照其功能和電路結(jié)構(gòu)將電源管理芯片分為兩種，分別為連續(xù)工作式電源以及開(kāi)關(guān)電源。一般來(lái)講，選用電力電子器件作為開(kāi)關(guān)管，通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)管的高頻率的開(kāi)通與關(guān)斷控

21、制，將一種電能形態(tài)轉(zhuǎn)變成為另一種電能形態(tài)的裝置被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)變換器。現(xiàn)如今我們把開(kāi)關(guān)電源分成兩個(gè)類(lèi)別，分別是直流開(kāi)關(guān)電源以及交流開(kāi)關(guān)電源。開(kāi)關(guān)電源的大規(guī)模應(yīng)用得益于它具有體積小型化、重量輕、轉(zhuǎn)換的效率高而發(fā)熱量卻比較低、整體的性能優(yōu)良等特點(diǎn)，這是傳統(tǒng)的連續(xù)工作電源所不具備的優(yōu)點(diǎn)。所以開(kāi)關(guān)電源逐漸的開(kāi)始在電子整機(jī)與多種多樣的設(shè)備中得到極大的推廣應(yīng)用。1.3.2 開(kāi)關(guān)電源的定義我們知道，很多電力電子設(shè)備工作所需的電壓往往低于原始的一次電源，例如家庭用電220V，蓄電池，干電池等電源。往往需要通過(guò)降壓，轉(zhuǎn)換才能達(dá)到設(shè)備所需要的合適的電壓。一般來(lái)講，凡是采用電力電子器件作為開(kāi)關(guān)管，控制開(kāi)關(guān)管進(jìn)行不斷的高頻

22、率的開(kāi)通與關(guān)斷，將一種電能轉(zhuǎn)換為另一種電能的裝置被稱(chēng)為開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器。而開(kāi)關(guān)電源（Switching Mode Power supplySMIPS）就是將開(kāi)關(guān)變換器作為最主要的核心組成部分，通過(guò)閉環(huán)自動(dòng)控制這種裝置對(duì)輸出電壓進(jìn)行穩(wěn)定，并且加入保護(hù)電路等的裝置。直流開(kāi)關(guān)電源就是將直直（DC-DC）轉(zhuǎn)換器作為它的重要的核心部分。1.3.3 開(kāi)關(guān)電源的工作原理開(kāi)關(guān)電源的工作原理如圖1-1中的a圖所示：輸入電壓Ui經(jīng)過(guò)開(kāi)關(guān)S來(lái)加至輸出端。下圖中的S為一個(gè)受控開(kāi)關(guān),矩形的脈沖電壓通過(guò)要求對(duì)受控的高頻的開(kāi)通與關(guān)斷即可把不穩(wěn)定的輸入電壓U轉(zhuǎn)換成脈沖電壓。通過(guò)濾波電路經(jīng)過(guò)對(duì)脈沖電壓的濾波后，最后就輸出了穩(wěn)定的輸出

23、直流電壓U0.（a）電路圖 （b）波形圖圖1.1.開(kāi)關(guān)電源工作原理圖及波形圖為了更加方便的分析開(kāi)關(guān)電源電路，將脈沖占空比的定義如下： D=TonT （1-1）上式中，開(kāi)關(guān)電源S開(kāi)關(guān)周期用T來(lái)表示，Ton則表示的是受控開(kāi)關(guān)在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期中導(dǎo)通所占用的時(shí)間。由此可知，占空比就是開(kāi)關(guān)電源的導(dǎo)通時(shí)間與一個(gè)重復(fù)開(kāi)關(guān)周期的比值。而開(kāi)關(guān)電源輸出的穩(wěn)定直流電壓U0.與輸入的不穩(wěn)定的電壓Ui之間的關(guān)系如下表示：U0=Ui*D （1-2）由上式中的1-1和式1-2能夠看出來(lái)，若想調(diào)節(jié)輸出電壓，可通過(guò)轉(zhuǎn)變受控開(kāi)關(guān)S的導(dǎo)通時(shí)間Ton，即可改變脈沖占空比D。（假設(shè)開(kāi)關(guān)周期T一定）。這里引出電壓的控制方式。一種穩(wěn)壓方式叫

24、做脈沖寬度調(diào)制(PWM)，它就是在周期T不變的情況下，通過(guò)改變導(dǎo)通時(shí)間Ton來(lái)完成對(duì)占空比改變。我們知道，脈沖寬度調(diào)制PWM式的開(kāi)關(guān)頻率f是固定不變化的，這就可以使得濾波電路的設(shè)計(jì)變得尤為簡(jiǎn)單，可以很輕易的就可以實(shí)現(xiàn)濾波電路設(shè)計(jì)的最優(yōu)化。因此拓寬了脈沖寬度調(diào)制PWM式開(kāi)關(guān)電源的使用范圍。另一個(gè)方式脈沖頻率調(diào)制(PFM)就是保持導(dǎo)通時(shí)間Ton一定，依據(jù)f=l/T這個(gè)公式，通過(guò)改變開(kāi)關(guān)頻率f來(lái)改變開(kāi)關(guān)周期T，以此實(shí)現(xiàn)對(duì)脈沖占空比的D調(diào)節(jié)，最終實(shí)現(xiàn)直流電壓輸出U0穩(wěn)定的方法。與脈沖寬度調(diào)制(PWM)不同的是該方法的開(kāi)關(guān)頻率不夠穩(wěn)定，因此濾波電路的設(shè)計(jì)就不容易設(shè)計(jì)，最優(yōu)化實(shí)現(xiàn)太難導(dǎo)致使用范圍較小。除此

25、之外，還有一種方法改變占空比的方式就是既改變導(dǎo)通時(shí)間Ton又改變開(kāi)關(guān)周期T。這種在現(xiàn)實(shí)中比較少用的穩(wěn)壓方式被稱(chēng)為脈沖調(diào)頻調(diào)寬。1.3.4 開(kāi)關(guān)電源的組成開(kāi)關(guān)電源的基本組成如圖1.2所示。開(kāi)關(guān)電源的核心部分是轉(zhuǎn)換器。而DC/DC轉(zhuǎn)器的作用是對(duì)功率進(jìn)行轉(zhuǎn)換；驅(qū)動(dòng)器是開(kāi)關(guān)信號(hào)的放大部分，為適合開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)要求，必須對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)做出放大與相應(yīng)的調(diào)整；信號(hào)源發(fā)出控制信號(hào)，通過(guò)它激或自激電路方式產(chǎn)生控制信號(hào)，此控制信號(hào)可以是脈沖寬度調(diào)制PWM信號(hào)、也可以是脈沖頻率調(diào)制PFM信號(hào)也可能是其他的信號(hào)；比較放大器來(lái)比較運(yùn)算給定信號(hào)與輸出反饋信號(hào)，對(duì)開(kāi)關(guān)信號(hào)的幅值大小、頻率高低、波形狀況等進(jìn)行檢測(cè)。通過(guò)驅(qū)動(dòng)器改變受

26、控開(kāi)關(guān)的占空比，完成輸出穩(wěn)定電壓值的目的。開(kāi)關(guān)電源模塊還有輸入濾波電路、輔助電路啟動(dòng)裝置、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)裝置、輸出采樣、功能指示燈等。圖1.2 開(kāi)關(guān)電源基本組成 DC/DC變換器的控制電路有多種形式，其中以脈沖寬度調(diào)制的PWM變換器使用較多，通過(guò)改變受控開(kāi)關(guān)的導(dǎo)通時(shí)間來(lái)穩(wěn)定輸出控制波形為方波。1.4 本文主要研究的內(nèi)容本文介紹了新一代數(shù)據(jù)處理器、網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)品工業(yè)控制設(shè)備、通信設(shè)備、電力設(shè)備、儀器儀表、醫(yī)療設(shè)備等應(yīng)用領(lǐng)域，對(duì)DC/DC變換器能夠輸出低電壓大電流進(jìn)行了研究與設(shè)計(jì)。本畢設(shè)主要研究的內(nèi)容：1.本設(shè)計(jì)對(duì)轉(zhuǎn)換器中的最重要的同步整流部分進(jìn)行工作原理與特點(diǎn)的介紹分析。并且對(duì)整流方案中的自驅(qū)動(dòng)同步整流

27、進(jìn)行詳細(xì)的介紹。2. 本設(shè)計(jì)也通過(guò)各種穩(wěn)態(tài)分析，主要對(duì)單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流對(duì)稱(chēng)半橋轉(zhuǎn)換器進(jìn)行詳細(xì)的研究與分析。對(duì)同步整流管進(jìn)行選擇、對(duì)整流管進(jìn)行損耗計(jì)算。3.對(duì)變換器的整流方案進(jìn)行了電路的分析介紹，并給出了各種仿真波形說(shuō)明設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。2 同步整流原理及同步整流方案的選擇整流電路是低電壓/大電流輸出DC-DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)的重中之重。在低壓大電流輸出的DC-DC轉(zhuǎn)換器，通常使用肖特基整流管。肖特基二極管的壓降通常是0.3V-1V。但即便是很好的肖特基二極管，它的正向?qū)▔航狄埠茈y可以低于0.3V，直接導(dǎo)致整流管中導(dǎo)通損耗的比例占到總損耗的很大一部分?，F(xiàn)如今通常把MOSFET作為整流管(同步整流管)

28、，使得整流管中的導(dǎo)通損耗大幅度減少，從而提高了變換器的效率。本章節(jié)首先將對(duì)同步整流技術(shù)進(jìn)行理論分析，對(duì)比DC/DC變換器的特點(diǎn)，并結(jié)合自驅(qū)動(dòng)同步整流的特點(diǎn)，對(duì)單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流方案進(jìn)行拓?fù)浞治龅贸鲎罴训恼鞣桨浮?.1 同步整流的原理2.1.1 同步整流對(duì)效率的影響在輸出低壓大電流的DC-DC轉(zhuǎn)換器中，傳統(tǒng)的方法是整流管采用肖特基二極管，因?yàn)槎O管的正向的導(dǎo)通壓降通常在0.3V-1V之間的范圍內(nèi)，導(dǎo)通壓降的大小直接可以增大整流管的導(dǎo)通損耗，即便質(zhì)量很好的肖特基二極管，正向的導(dǎo)通壓降也是特別難于實(shí)現(xiàn)低于0.3V這個(gè)值。所以，二極管的正向?qū)▔航当容^大，直接導(dǎo)致整流管的總損耗中導(dǎo)通損耗的比例就會(huì)

29、占到很大一部分，現(xiàn)如今已不再適合選做整流管。并且除了導(dǎo)通損耗，還有變壓器副邊繞組損耗和濾波電感繞組損耗，我們這里只分析整流管中導(dǎo)通壓降所造成的損耗。只分析整流管導(dǎo)通損耗，對(duì)變壓器副邊繞組損耗和濾波電感繞組損耗不做分析，變換器的效率與整流管的壓降的關(guān)系可以用已下公式表示: = (2-1)其中為變換器的效率，當(dāng)負(fù)載電流為I0，則對(duì)應(yīng)的為整流管的正向?qū)▔航?；a為變換器去除整流管后導(dǎo)通損耗，是其它損耗與輸入功率的比值。可以從上公式得知，變換器的效率主要是由整流管中壓降的高低來(lái)決定。因?yàn)檩敵鲭妷篤0的逐步降低，變換效率會(huì)隨著整流管的壓降會(huì)將更加接近而逐漸降低。所以，整流部分中的功耗的減少，是決定低壓大

30、電流輸出的DC-DC轉(zhuǎn)換器的效率的關(guān)鍵問(wèn)題所在。現(xiàn)如今的技術(shù)中，用MOSFET整流管來(lái)代替?zhèn)鹘y(tǒng)的schottky二極管作為開(kāi)關(guān)電源的整流管，它具有低導(dǎo)通電阻的低壓功率，因此對(duì)整流管的導(dǎo)通損耗減少非常有效，這是同步整流技術(shù)中應(yīng)用中的發(fā)展趨勢(shì)。2.1.2 同步整流的由來(lái)理論和事實(shí)都表示，設(shè)備的工作電壓越來(lái)越低，設(shè)備的微處理器的工作頻率越來(lái)越高，它的能量損耗則越小，因此具有更低輸出電壓，甚至低于1V的開(kāi)關(guān)電源可以對(duì)將來(lái)的微處理器的發(fā)展做出最大的貢獻(xiàn)。為了提高微處理器的工作頻率，加快處理數(shù)據(jù)速度和處理的能力，且能夠保證微處理器能夠正常的工作。這就要求開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器的輸出端可以輸出足夠低的電壓的同時(shí)還能

31、夠輸出最高100A的大電流，倘若使用肖特基二極管整流，由于肖特基二極管的導(dǎo)通管壓降為0.3V-1V，導(dǎo)致器件導(dǎo)通消耗的功率嚴(yán)重。新一代的同步整流技術(shù)(Synchronous Rectification，下文簡(jiǎn)稱(chēng)SR)的核心就是用MOSFEET管代替肖特基二極管用于改變轉(zhuǎn)換器輸出端的整流。因?yàn)閷?dǎo)通電阻即使在整流管完全導(dǎo)通時(shí)電壓即使再大，導(dǎo)通電阻也不會(huì)大幅度的增加，這樣MOS管的損耗會(huì)特別的小，因此開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率就會(huì)變得特別大。以圖2.2中的降壓型（BUCK）電路來(lái)進(jìn)行說(shuō)明，(a)續(xù)流整流管為schottky二極管;(b)續(xù)流整流管為MOSFET。(a) 續(xù)流整流管為schottky二極管（b

32、）續(xù)流整流管為MOSFET圖2.1 BUCK電路如（b）電路圖，肖特基二極管在被MOSFEET代替之后。整流管Q1關(guān)斷后，為保持續(xù)流整流管能夠持續(xù)的開(kāi)通，所以這里就知道整流管Q2的作用，通過(guò)對(duì)其加上開(kāi)通驅(qū)動(dòng)信號(hào)繼續(xù)驅(qū)動(dòng)整流管2來(lái)保證持續(xù)續(xù)流。只要根據(jù)電路拓?fù)?，MOSFET的開(kāi)關(guān)信號(hào)能夠作出相應(yīng)的變化，且開(kāi)關(guān)速度能夠足夠快，DS（漏極和源極）間開(kāi)關(guān)動(dòng)作與電路要求可以保持同步，就實(shí)現(xiàn)整流功能。2.1.3 同步整流管的簡(jiǎn)介與選擇功率MOS管有三個(gè)引腳分別是漏極D、源極S和柵極G。漏極與源極間有一個(gè)寄生二極管（反并聯(lián)二極管），也稱(chēng)為體內(nèi)二極管，而且還有輸出結(jié)電容；柵極和源極(GS)之間加入驅(qū)動(dòng)信號(hào)，電

33、流方向是從源極S流到漏極D。導(dǎo)通狀態(tài)下，MOS管的伏安特性關(guān)系是線性的。因此,功率MOS管是一種可控的開(kāi)關(guān)器件,只要提供適當(dāng)?shù)尿?qū)動(dòng)控制,可實(shí)現(xiàn)整流。選擇開(kāi)關(guān)器件，不外乎根據(jù)線路上所需的電壓及電流來(lái)選擇某一型號(hào)。在MOSFET作為功率器件的選擇方式上，一些設(shè)計(jì)師往往只關(guān)注導(dǎo)通電阻值得大小，而對(duì)寄生電容如柵源電容CGS,柵漏電容CGD, 漏源電容CDS,輸入電容Ciss,輸出電容Coss。事實(shí)上，一些相關(guān)的損耗往往被忽視，但是它們會(huì)因?yàn)橐恍┨貏e的情況而突出的顯現(xiàn)出來(lái)，甚至高于導(dǎo)通損耗。我們知曉MOSFET的開(kāi)關(guān)速度的大小會(huì)隨著開(kāi)關(guān)電源的開(kāi)關(guān)頻率不斷的升高過(guò)程中，有些容性參數(shù)如驅(qū)動(dòng)電路內(nèi)阻的大小對(duì)其

34、的開(kāi)關(guān)速度會(huì)影響特別大。因此務(wù)必對(duì)這些寄生參數(shù)的各種影響做出謹(jǐn)慎的考慮。實(shí)際確定SR管時(shí)，根據(jù)所采用的具體電路拓?fù)涞奶攸c(diǎn)，對(duì)基本的損耗公式作必要的調(diào)整，核算整流部分的總損耗。根據(jù)負(fù)載電流、開(kāi)關(guān)頻率、體積、成本等具體要求，在相關(guān)軟件計(jì)算工具的幫助下，計(jì)算出滿足應(yīng)用場(chǎng)合的最優(yōu)電路參數(shù)，從而確定SR管。2.1.4 典型的同步整流電路及其工作過(guò)程圖2.3是典型的同步整流電路設(shè)計(jì)圖，下圖中D1是同步整流管的Q1體二極管，D2則是同步整流管Q2的體二極管， Vpri是同步整流電路器原邊電壓，Vsec則是變壓器的副邊電壓。（a）副邊輔助繞組電壓波形圖(b)典型的同步整流電路圖2.2輔助繞組電壓波形圖及同步整

35、流電路同步整流電路的基本工作過(guò)程是：當(dāng)Vsec1或Vsec2由正變負(fù)時(shí)，相應(yīng)的MOSFET管Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷。反之，相應(yīng)的MOSFET管Q2導(dǎo)通，Q1則關(guān)斷；兩只MOSFET管隨副邊電壓輪流進(jìn)行導(dǎo)通和關(guān)斷，從而實(shí)現(xiàn)了整流功能。2.1.5 同步整流對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求對(duì)驅(qū)動(dòng)信號(hào)的要求:我們知道，MOS管屬于電壓型控制器件，通過(guò)柵極電壓來(lái)控制漏源的導(dǎo)通情況，具體的方式是通過(guò)柵極電壓來(lái)控制漏極電流，漏極電流具有隨著漏源電壓的增大而增大輸出特性。按照柵極電壓的大小，MOS管能夠工作在以下四個(gè)不同的區(qū)域：1)截止區(qū)：柵源極電壓VGSVGS-VTH，當(dāng)VGS不變時(shí)，Id幾乎不隨漏源極電壓VDS的增加而變化，

36、近似為常數(shù)。3)飽和區(qū)：VGSVTH，一般大于8V，VDS很小，導(dǎo)通電阻RDS很小一般為幾m，ID則相對(duì)比較大。4)雪崩擊穿區(qū)：VGS若持續(xù)增大而不做任何的措施，它會(huì)完全的突破器件的最大承受范圍，導(dǎo)致器件被損壞的區(qū)域就是雪崩擊穿區(qū)。我們要在實(shí)際的應(yīng)用中要避免出現(xiàn)這種情況，否則會(huì)造成器件的損壞，造成極大的損失。所以，為避免MOS管柵源極間的一層薄氧化層被擊穿，驅(qū)動(dòng)電壓不宜過(guò)高，同樣可以避免驅(qū)動(dòng)損耗過(guò)于大。同步整流管的驅(qū)動(dòng)時(shí)序:理論上，驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)與電壓波形在時(shí)序上應(yīng)該保持對(duì)應(yīng)一致性。但是，實(shí)際中的同步整流電路的導(dǎo)通與關(guān)斷并不是理想的換流。實(shí)際中則會(huì)出現(xiàn)整流管的導(dǎo)通與關(guān)斷出現(xiàn)短路的情況，一只導(dǎo)通，

37、另一只整流管沒(méi)有能夠及時(shí)的關(guān)斷。因此而產(chǎn)生的短路電流超出整流管的承受能力，導(dǎo)致燒毀整流管。所以，在死區(qū)的時(shí)間設(shè)置上，我們應(yīng)當(dāng)盡可能的減少死區(qū)時(shí)間，這樣既可以保證時(shí)序的一致性，還可以減少死區(qū)時(shí)間內(nèi)體二極管中流過(guò)的電流，減少損耗的產(chǎn)生。同步整流管的驅(qū)動(dòng)方式無(wú)非是以下的兩大類(lèi)別：1.自驅(qū)動(dòng)同步整流(Self-driven Synchronous Rectification)：從電路中的主變壓器的繞組上直接獲得驅(qū)動(dòng)電壓來(lái)驅(qū)動(dòng)SR管。2.外部驅(qū)動(dòng)式整流電路(External Control )：門(mén)極驅(qū)動(dòng)電壓需要從附近的外設(shè)驅(qū)動(dòng)電路來(lái)獲得。為實(shí)現(xiàn)同步，驅(qū)動(dòng)電路務(wù)必有變換器的主開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)信號(hào)來(lái)加以控制，外

38、驅(qū)動(dòng)是能夠提供準(zhǔn)確的控制時(shí)序。驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓幅值穩(wěn)定狀態(tài)和不隨副邊電壓幅值變化性來(lái)決定則驅(qū)動(dòng)波形好壞。通常驅(qū)動(dòng)信號(hào)電壓幅值越穩(wěn)定，且不跟隨副邊電壓的幅值變化，則驅(qū)動(dòng)波形越好。外加控制驅(qū)動(dòng)電路這種方案能提供高質(zhì)量的驅(qū)動(dòng)波形。但這種方案需要復(fù)雜的控制驅(qū)動(dòng)電路，同時(shí)增加了設(shè)計(jì)成本延長(zhǎng)了研發(fā)時(shí)間。從設(shè)計(jì)成本和時(shí)間成本來(lái)說(shuō)，這種驅(qū)動(dòng)方案并不是很理想。自驅(qū)動(dòng)同步整流雖然沒(méi)有外加控制驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)波形質(zhì)量理想，但能使轉(zhuǎn)換器獲得更高的效率，而且這種方案更經(jīng)濟(jì)、更簡(jiǎn)單、更加可靠。2.1.6 同步整流管與結(jié)型整流二極管的損耗分析為了分析導(dǎo)通損耗，我們可將MOSFET的電路模型轉(zhuǎn)換為一個(gè)線性電阻（Rds）在MOSFE

39、T的飽和區(qū)，如圖2.3 (a)的電路模型。整流管用的結(jié)型二極管，如肖特基二極管。它可近似線性表示為由一個(gè)電阻Rt與一個(gè)電壓源U串聯(lián)組成，如圖2.3（b） (a) MOSFET的導(dǎo)通損耗電路模型 (b)二極管的導(dǎo)通損耗電路模型圖2.3 器件的等效電路模型假設(shè)負(fù)載中的電流為I時(shí)，（忽略MOSFET體二極管損耗，同時(shí)忽略二極管的反向恢復(fù)損耗）則整流二極管的導(dǎo)通損耗可表示為：P= （2-2）但是如果把結(jié)型整流二極管換成同步整流管替代后，則整流損耗Psave可減少損耗為：P= （2-3）上式中，n表示為并聯(lián)的同步整流管的個(gè)數(shù)，Vg表示為驅(qū)動(dòng)電壓的幅值，Qg為MOSFET的驅(qū)動(dòng)電荷。Cs表示為MOSFET

40、的輸出結(jié)電容，Ton為SR管的開(kāi)通時(shí)間、Toff為SR管的關(guān)斷時(shí)間，Im則是流過(guò)SR管的最大電流，Vm為SR管承受的最大電壓。從上式可知，用MOSFET來(lái)代替普通的二極管作為整流管可以減少整流的損耗，提高了整流器轉(zhuǎn)換率，對(duì)提高轉(zhuǎn)換器的整體效率起到很大的作用。2.2 同步整流的方案選擇針對(duì)低壓大電流輸出的DC-DC的轉(zhuǎn)換器，副邊整流電路的損耗占到總損耗的很大一部分。如果整流側(cè)損耗可以通過(guò)使用SR管代替整流二極管，損耗即可有效的減少。如果采用外加控制驅(qū)動(dòng)方法驅(qū)動(dòng)SR管，然后按照正確的開(kāi)關(guān)時(shí)序工作，這種方法盡管是比較直接、常規(guī)的選擇方式，可以產(chǎn)生的高質(zhì)量驅(qū)動(dòng)波形，但是這種方案控制比較復(fù)雜，況且增加了

41、設(shè)計(jì)時(shí)間成本，同時(shí)元件數(shù)也會(huì)增多導(dǎo)致提升了整機(jī)的成本。排除使用外加控制驅(qū)動(dòng)方案，利用具有可靠性、簡(jiǎn)單性、高效性等特點(diǎn)的自驅(qū)動(dòng)同步整流方案(Self-driven Synchronous Rectification，以下簡(jiǎn)稱(chēng) SDSR)可以顯著提升變換器的效率。自驅(qū)動(dòng)同步整流方案（SDSR）的驅(qū)動(dòng)電壓是直接從主功率變壓器的繞組上來(lái)獲取，所以變換器拓?fù)洳⒉皇嵌歼m合與自驅(qū)動(dòng)同步整流方案結(jié)合應(yīng)用。通過(guò)對(duì)自驅(qū)動(dòng)同步整流結(jié)合使用的應(yīng)用來(lái)舉例說(shuō)明SDSR的特點(diǎn)。以自驅(qū)動(dòng)同步整流方案為準(zhǔn)，通過(guò)一種良好的單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流方案，來(lái)拓寬了SDSR的拓?fù)鋺?yīng)用的范圍。 變換器通常有兩級(jí)變換器，基于同步整流的有源鉗位

42、正激變換器，互補(bǔ)控制半橋變換器等。但是對(duì)于本文中同步整流方案的選擇要求中，以上變換器都不適合。上面說(shuō)的幾種拓?fù)浞绞浇Y(jié)合自驅(qū)動(dòng)SR這種方案只是適合應(yīng)用在5.5V及8V這個(gè)級(jí)別的低輸出電壓DC/DC變換器中。然而實(shí)際中隨著輸出電壓的進(jìn)一步降低，主變壓器副邊繞組的電壓幅值跟著降低，驅(qū)動(dòng)電壓無(wú)法有效的驅(qū)動(dòng)SR管，所以必須在主功率變壓器上加上繞輔助繞組來(lái)提高驅(qū)動(dòng)電壓的幅值，從而滿足驅(qū)動(dòng)SR管。以上這些拓?fù)涞墓餐c(diǎn)是主變壓器上用于驅(qū)動(dòng)SR管的繞組電壓無(wú)為零時(shí)段，這會(huì)限制了很多如推挽、橋式的拓?fù)渫则?qū)動(dòng)同步整流方案的結(jié)合應(yīng)用。為了拓寬自驅(qū)動(dòng)SR適用拓?fù)涞姆秶?，我們這里主要說(shuō)明一種新穎的整流方案單繞組自驅(qū)動(dòng)同

43、步整流方案 (簡(jiǎn)稱(chēng)為“SWSDSR” )。單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流方案（SWSDSR）工作原理分析： 如圖2.4所示，(a)為SWSDSR的結(jié)構(gòu)示意圖，原邊采用了對(duì)稱(chēng)工作的拓?fù)洹?b)工作原理波形圖是根據(jù)變壓器輔助繞組電壓有為零時(shí)段時(shí)的圖形。如圖（b）所示，無(wú)為零時(shí)段時(shí)原邊拓?fù)湔伎毡菵=50%。若輔助繞組電壓（Vaux）為負(fù)時(shí)，則對(duì)應(yīng)有,.當(dāng)輔助繞組電壓（Vaux）為正時(shí)，則對(duì)應(yīng)有與；(a)SWSDSR的結(jié)構(gòu)示意圖 (b)變壓器輔助繞組Vaux波形2.4 SWSDSR的結(jié)構(gòu)示意圖與輔助繞組的波形圖示意圖2.3 單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流方案的拓?fù)浞治?.3.1 關(guān)于對(duì)稱(chēng)半橋變換器SWSDSR原理剖析如圖

44、2.5，其中，Vin為單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流對(duì)稱(chēng)半橋變換器的輸入電壓，C1、C2為變換器的中點(diǎn)分壓電容，變壓器原邊匝數(shù)為Vprim，圖2.5單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流對(duì)稱(chēng)半橋變換器的簡(jiǎn)化電路原理圖為輔助繞組的匝數(shù)， (=)為主副邊匝數(shù)。主副邊繞組原邊繞組與輔助繞組的匝比分別為:1:N:,副邊的兩只同步整流管分別為SR1與SR2。Lf是輸出濾波電感，是濾波電容。,分別代表原邊主管S1和S2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，為同步整流管的SR1,SR2的驅(qū)動(dòng)信號(hào)。開(kāi)關(guān)周期表示為T(mén)，D則為占空比。SWSDSR對(duì)稱(chēng)半橋變換器穩(wěn)態(tài)分析結(jié)論1.同傳統(tǒng)對(duì)稱(chēng)半橋變換器一樣，輸出電壓的表達(dá)式為： (2-4)這里，D定義為主率導(dǎo)通時(shí)間與半周期

45、T/2的比值： (2-5)2.原邊主功率管S1, S2承受的電壓應(yīng)力,為： = （2-6）3.在原邊主管開(kāi)通，主變壓器繞組電壓非零時(shí)，副邊對(duì)應(yīng)開(kāi)通的SR管的驅(qū)動(dòng)電壓為：= （2-7）在原邊主管關(guān)斷，主變繞組電壓為零時(shí)段，副邊兩只SR整流管同時(shí)導(dǎo)通，其驅(qū)動(dòng)電壓為：= （2-8）4.副邊同步整流管SR1和SR2承受的最大電壓應(yīng)力為： （2-9）2.3.2 單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流的分析總結(jié)通過(guò)以上分析，當(dāng)繞組電壓為零時(shí)段時(shí)，驅(qū)動(dòng)損耗的減少時(shí)因?yàn)橥秸鞴艿囊粋€(gè)柵極電容通過(guò)給另一個(gè)整流管的柵極電容放電電荷來(lái)進(jìn)行充電。單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流方案（SWSDSR）拓寬了變壓器對(duì)稱(chēng)工作中自驅(qū)動(dòng)同步整流在推挽、橋式

46、的應(yīng)用。但是正常工作中的單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流必須保證繞組間的緊密耦合，否則會(huì)存在誤導(dǎo)通的危險(xiǎn)，使得本應(yīng)關(guān)斷的SR管若因?yàn)轳詈喜缓迷跂旁撮g出現(xiàn)了正偏電壓。選擇繞制方法 (即改進(jìn)傳統(tǒng)變壓器的制造工藝，如采用PCB繞組和扁平鐵芯制成的扁平變壓器)，則會(huì)增加變壓器制作工藝的復(fù)雜程度及也會(huì)增加成本。2.4本章小結(jié)本章重點(diǎn)介紹了同步整流的基本原理及同步整流方案的選擇分析。分析表明：兩級(jí)變換器，互補(bǔ)控制半橋變換器，有源鉗位同步整流正激變換器等這些拓?fù)涞墓餐c(diǎn)是主變壓器上用于驅(qū)動(dòng)SR管的繞組電壓無(wú)為零時(shí)段，這會(huì)限制了很多如推挽、橋式的拓?fù)渫则?qū)動(dòng)同步整流方案的結(jié)合應(yīng)用。本文通過(guò)對(duì)一種新的單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流方

47、案進(jìn)行了研究，打破傳統(tǒng)的驅(qū)動(dòng)電壓對(duì)自驅(qū)動(dòng)同步整流方案的限制，可以使得自驅(qū)動(dòng)同步整流方案的應(yīng)用拓?fù)浞秶靡酝貙挕? 單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流對(duì)稱(chēng)半橋變換器的設(shè)計(jì)與仿真本章針對(duì)單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流方案，結(jié)合對(duì)稱(chēng)半橋拓?fù)洌M(jìn)行了電路仿真和原理樣機(jī)的研制。該變換器樣機(jī)的主要技術(shù)規(guī)格如下:輸入電壓：36-72V 輸出電壓：2.5V輸出電流：15A輸出電壓紋波：50mV(2%)開(kāi)關(guān)頻率：為保證電源的小型化，關(guān)鍵是減小磁性元件和散熱裝置的體積。提高開(kāi)關(guān)頻率可以減小磁性元件的體積，加快瞬態(tài)響應(yīng)。但頻率的提高會(huì)使電源的開(kāi)關(guān)損耗、鐵芯損耗等增大，加大散熱壓力。因此開(kāi)關(guān)頻率應(yīng)綜合考慮，折衷選擇。這里選擇開(kāi)關(guān)頻率為1OO

48、KHz。3.1 主要電路參數(shù)設(shè)計(jì)3.1.1 主電路參數(shù)設(shè)計(jì)1.拓?fù)湫问剑喝鐖D3.1，主電路采用對(duì)稱(chēng)半橋拓?fù)洌边厼橥秸鞣绞綀D3.1單繞組自驅(qū)動(dòng)同步整流對(duì)稱(chēng)半橋拓?fù)?.分壓電容C1, C2的選取:在對(duì)稱(chēng)半橋電路中，隨著原邊開(kāi)關(guān)管的交替開(kāi)關(guān)工作，C1, C2中點(diǎn)電位將會(huì)在/2上下按指數(shù)規(guī)律浮動(dòng)，在(/2+V)和/2-V)之間來(lái)回變化。本課題按V=2%(/2)來(lái)選擇電容值。C1和C2中的電流大小相等，等于變壓器原邊電流的一半，其有效值為1.245A。實(shí)際選取C1=C2=2*(4.7uF/100V)。3.主變壓器的設(shè)計(jì):（1）繞組匝數(shù)比的確定考慮副邊繞組及電感電阻，有如下關(guān)系：,記V=0.2，對(duì)應(yīng)

49、最小輸入電壓，最大占空比，有：NsecNprimV0+VDVin2=2.5+0.20.918=16 （4-1）輔助繞組= （4-2）對(duì)應(yīng)于/2的18-36V范圍，取=2比較合適。輔助繞組在原邊開(kāi)關(guān)管開(kāi)通時(shí)的電壓范圍為9-18V，在原邊開(kāi)關(guān)管關(guān)斷，副邊整流管的電壓范圍在4.5-9V，因此，同步整流管的柵源驅(qū)動(dòng)電壓從4.5-9-18V變化，滿足驅(qū)動(dòng)要求。因?yàn)楦边吚@組流過(guò)較大電流，故希望繞組匝數(shù)越少越好，從而變壓器各繞組的匝數(shù)分別取為：=6，,=3。滿載時(shí)，占空比最大， （4-3）輕載時(shí)，占空比最小， （4-4）（2）計(jì)算并選定導(dǎo)線線徑:忽略濾波電感電流紋波，則流過(guò)副邊主繞組的電流有效值為： （4-

50、5）取磁化電流=5%，原邊的電流幅值： （4-6）有效值： （4-7）輔助繞組的峰值電流為3A左右，但一周期內(nèi)有電流流過(guò)的時(shí)間較短，有效值近似取0.5A。（3）輸出濾波電容，濾波電感的的設(shè)計(jì)：在實(shí)際應(yīng)用中，特別在高頻開(kāi)關(guān)電路中，在滿足電容器的容值計(jì)算要求的情況下，影響輸出電壓紋波的主要因素還是電容的ESR。輸出電壓脈動(dòng)V，取為輸出電壓的2%，則V =50mvV=IESR 可知 ESR= V I=16.6m （4-8）所選輸出濾波電容的等效ESR應(yīng)當(dāng)小于這一計(jì)算值。濾波電感的設(shè)計(jì)最小值為2.4F, 輸出電容的選取除了滿足紋波要求外，還要求在輸入電源掉電后有一定的輸出電壓維持時(shí)間，在本變換器中用2

51、200uF/ 16V電解電容（4）串聯(lián)藕合電容的選擇:實(shí)際電路中，為防止電路不對(duì)稱(chēng)等原因引起的變壓器直流偏磁現(xiàn)象，在變壓器原邊加了一個(gè)串聯(lián)電容C3，把與不平衡的伏秒積成正比的直流偏壓濾掉，從而平衡了變壓器的伏秒積。由于此電容串聯(lián)在功率回路里，因而在選擇其電容量時(shí)，必須保證其與副邊濾波電感組成的串聯(lián)電路的諧振頻率低于變換器的開(kāi)關(guān)頻率，而且C3的充電電壓不超過(guò)(/2)的5%，以免影響到占空比。同時(shí)，應(yīng)當(dāng)考慮到流過(guò)電容的電流等于變壓器原邊電流值，有效值2.49A。實(shí)際選用4.7 uF/63V的無(wú)極性的薄膜電容。3.1.2 控制電路的參數(shù)設(shè)計(jì)1.頻率、死區(qū)、軟起動(dòng)設(shè)計(jì):控制電路采用SG3525集成PW

52、M芯片，只須加少量的外圍器件就能實(shí)現(xiàn)很好的性能。11和14腳輸出兩路占空比可調(diào)、相位相差180度的方波電壓。其應(yīng)用十分廣泛，具體的內(nèi)部結(jié)構(gòu)及用法見(jiàn)相關(guān)資料介紹，這里不作詳述。如圖3.2，振蕩器的頻率由6腳接地電阻Rt和5腳接地電容Cr確定，取Cr=2nf, Rt=2.64K，使得振蕩器頻率為200KHz。從而SG3525每路輸出的頻率為100 KHz。5腳和7腳之間接5電阻R0，設(shè)定死區(qū)時(shí)間。按資料上的公式，理論計(jì)算得出的振蕩器頻率會(huì)和實(shí)際測(cè)量的頻率略有差別，這主要是電阻、電容以及SG3525本身存在誤差，以SG3525實(shí)際輸出的驅(qū)動(dòng)頻率為準(zhǔn)。8腳通過(guò)luF電容接地實(shí)現(xiàn)軟起動(dòng)功能。（a）為 S

53、G3525振蕩頻率、死區(qū)、軟起動(dòng)設(shè)計(jì)圖 （b）功率管的驅(qū)動(dòng)電路圖圖3.2控制電路圖的設(shè)計(jì)2.驅(qū)動(dòng)電路： 由于MOSFET應(yīng)用在橋路中，驅(qū)動(dòng)需要隔離，這里采用如圖3.2所示的驅(qū)動(dòng)電路。SG3525的11和14腳輸出信號(hào)先經(jīng)過(guò)一級(jí)圖騰柱推拉放大，再接上后面的驅(qū)動(dòng)電路。Q1,Q2分別取為晶體管8050, 8550。C取為luF的電容，T為用于高頻、且具有高磁導(dǎo)率的磁罐。3.誤差放大器補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)已知變換器輸入電壓的變化范圍為(36-72)V，輸出電壓2.5V，變壓器變比N=6:1,L=2.5uH,C=6603uF，滿載到Im對(duì)應(yīng)的負(fù)載電阻R0為(1/6-5/3), TS=l0us, Td =0.25

54、us。在不加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)，開(kāi)環(huán)傳函的低頻段增益很低，不能滿足要求。為了形成穩(wěn)定快速的反饋控制系統(tǒng)，選擇了如圖3.3所示的三補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。對(duì)于這種補(bǔ)償方式的特點(diǎn)和計(jì)算方法在相關(guān)文獻(xiàn)中已有比較詳細(xì)的敘述，這里不再贅述。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由SG3525內(nèi)部的運(yùn)算放大器和阻容元件組成，1號(hào)腳為SG3525內(nèi)誤差放大器的反相輸入端，即輸出電壓的反饋信號(hào)端，2號(hào)腳為SG3525內(nèi)誤差放大器的同相輸入端，置為基準(zhǔn)電壓端。經(jīng)過(guò)在整個(gè)輸入電壓變化范圍和負(fù)載變化范圍內(nèi)對(duì)參數(shù)的選擇調(diào)整，最終選擇了以下參數(shù)值。Rg=5.6K,R9=130,R10=20K,C9=20nF, C10=2nF,C11=8.6nF。通過(guò)仿真的驗(yàn)證，以上參數(shù)的選擇合理。圖3.3 主電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)3.2 仿真結(jié)果圖3.4 開(kāi)環(huán)電路原理圖圖3.5 原邊繞組電壓波形圖3.6 副邊輔助繞組電壓波形圖3.7 輸出電壓波形圖 3.8閉環(huán)電路原理圖圖3.9采樣信號(hào)、三角波及對(duì)比誤差放大后的波形圖3.10輸出波形與采樣型號(hào)對(duì)比3.3 仿真結(jié)果分析1.從圖3.5一圖3.10的仿真波形可以看出，仿真結(jié)果與原理分析基本一致。各參數(shù)設(shè)計(jì)比較合理。2.從