開關電源設計論文

1、本文由圖個鳥貢獻 doc文檔可能在WAP端瀏覽體驗不佳。建議您優(yōu)先選擇TXT，或下載源文件到本機查看。 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 常州信息職業(yè)技術學院 學生畢業(yè)設計（論文）報告 系 專 班 別： 業(yè)： 號： 機電工程學院 機電一體化 學 生 姓 名： 學 生 學 號： * * * 設 （ 文 題 ： 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 計論 ）目 指 導 教 師： 設 計 地 點： 起 迄 日 期： * * * 常州信息職業(yè)技術學院 10.7.2 10.8.20 1 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 畢業(yè)設計（論文）任務書 專業(yè) 一、課題名稱： 班級 姓名 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 二、課題應達

2、到的要求： (1 通過本次的畢業(yè)設計，闡述開關電源的一些基本知識以及它們在日常生活中的應用 (2 開關電源的基本原理和它的發(fā)展趨勢，以及它們在日常生活中的應用 (3 高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化 三、主要工作內(nèi)容 (1 闡述開關電源的一些基本知識以及它們在日常生活中的應用 (2 以具體的實例和圖表等來闡述開關電源的原理、高頻化以及怎樣解決在日常生活中 出現(xiàn)的問題 四、主要參考文獻： 1 2 3 4 5 6 葉慧貞，開關穩(wěn)壓電源.M北京：國防工業(yè)出版社，1993 楊志民，杜文廣,董銀虎.開關電源的尖峰干擾及其抑制.電源技術應用M，20008 錢照明，開關電源的 EMC 設計J.電源

3、世界，2002 (3:4650 張占松，蔡宣三編著.開關電源的原理與設計M.北京:電子工業(yè)出版社，1998 王淑蘭，開關電源的噪聲抑制J.電子技術，1991 朱文立，開關電源的電磁騷擾抑制技術J.電子質(zhì)量，2002 學 生（簽名） * * * 年 年 年 年 月 月 月 月 日 日 日 日 指 導 教師（簽名） * * * 教研室主任（簽名） 系 主 任（簽名） 2 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 摘 要：本文介紹一種以 KA3525 作為控制核心，根據(jù) KA3525 的應用特點，設計了一種基于該電流型 PWM 控制芯片、實現(xiàn)輸出電 壓可調(diào)的開關穩(wěn)壓電源電路。開關電源是利用現(xiàn)代電子技術，控制開

4、關晶體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 關電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）和 MOSFET 構(gòu)成。開關電源和 線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增 長速率各異。開關電源比普通的線性電源效率高，開關電源的發(fā)展與 應用在節(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。 關鍵詞：KA3525、開關電源、PWM 關鍵詞 目錄 緒論3 第一章 開關電源介紹1 11 開關電源的發(fā)展史2 111 國際發(fā)展狀況3 112 國內(nèi)發(fā)展情況4 12 開關電源優(yōu)缺點5 121 開關電源優(yōu)點6 122 開關電源缺點7 第二章 開關電源種類8 2. 1 按激勵方式劃分9 按

5、調(diào)制方式劃分1 按功率開關的類型劃分2 按功率開關的連接方式劃分3 按輸入和輸出電壓的大小劃分4 按工作方式劃分5 按電路結(jié)構(gòu)劃分6 2. 2 23 24 25 26 27 第三章 系統(tǒng)設計7 3.1 3.1.1 3.1.2 主電路的整體簡介8 它激型推挽式電路工作原理9 驅(qū)動電路1 3 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.2 KA3525 工作原理2 死區(qū)時間設置3 檢測電路4 參數(shù)設計5 3.2.1 輸入濾波電容6 3.2.2 原副邊變比7 3.2.3 輸出濾波電容的選擇7 第四章 實際工作中遇到的問題及解決方法8 總結(jié) 參考文獻 4 開關電源的基本原理及

6、發(fā)展趨勢 緒論 電子技術的高速發(fā)展，電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而 電子設備都離不開可靠的電源，進入 90 年代開關電源相繼進入各種電子、電器 設備領域，程控交換機、通訊、電力檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地 使用了開關電源，更促進了開關電源技術的迅速發(fā)展。開關電源是利用現(xiàn)代電子 技術，控制開關晶體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， 開關電源一般由脈沖寬度調(diào)制（PWM）和 MOSFET 構(gòu)成。開關電源和線性電源 相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。開關電 源比普通的線性電源效率高，開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保 護

7、環(huán)境方面都具有重要的意義。 開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電 源進入更廣泛的應用領域，開關電源比普通線性電源體積小，輕便化，更便于攜 帶。 第一章 11 111 開關電源介紹 開關電源的發(fā)展史 國際發(fā)展歷史 1955 年，美國的科學家羅耶首先研制成功了利用磁心的磁飽和來進行自激 振蕩的晶體管直流變換器。20 世紀 60 年代末，由于微電子技術的快速發(fā)展，高 反壓、大電流的功率開關晶體管出現(xiàn)，從此，直流變換器就可以直接由工頻電網(wǎng) 電壓經(jīng)整流、濾波后輸入供電，終于將體積大、重量重、效率低的工頻降壓變壓 器甩掉了，從而迅速地擴大了它的應用范圍，在此基礎上誕生了無工頻變

8、壓器的 開關穩(wěn)壓電源。 目前面臨四個困難： （1）隨著電力電子技術和微電子技術的高速發(fā)展以及集成度高、功能強的大 規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn)，電子設備的體積在不斷地縮小，重量在不斷地減輕， 內(nèi)部功率損耗在不斷地減小。因此開關電源的小型化、微型化、模塊化就成了技 術人員研究和探討 的核心。 （2）開關電源的效率與功率開關的變換速度成正比，要進一步提高開關電源 5 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 的轉(zhuǎn)換效率，就必須提高其工作頻率。但是，當工作頻率提高以后，對整個電路 中的元器件又有了新的要求。例如，高頻電容、儲能電感等新問題。 （3）開關電源電路中的功率開關工作在頻率較高的開關狀態(tài)，其高頻電壓和 電流就

9、會產(chǎn)生較強的尖峰干擾和諧振噪聲。隨著開關電源的發(fā)展，雖然這些缺點 得以改進， 但是在一些對輸出穩(wěn)定度和輸出紋波要求較高的精密電子測量儀器和 儀表中，卻不能得到使用。所以，克服開關電源的這一缺點，進一步提高它的輸 出穩(wěn)定度和降低它的輸出紋波電壓，擴大它的適用范圍，就成了第三個困難。 （4）尋求新的驅(qū)動方式和新的功率開關去解決驅(qū)動導通的上升時間內(nèi)損耗、 驅(qū)動關斷的下降時間內(nèi)的損耗、 導通后由于管壓降不能為零而產(chǎn)生的損耗和關斷 后由于漏電流不能為零而引起的損耗這將成為第四個困難。 隨著科技人員不斷努力探索， 終于研制出了具有零流關斷和零壓開通的復合 ，綜合性能優(yōu)勢在門極驅(qū)動與保 功率開關 IGBT（

10、芯片：IXDN404、SIE20031） 護。這種復合功率開關 IGBT 把晶體管和 MOSFET 管的優(yōu)點集于一體，既具有 MOSFET 管的輸入驅(qū)動所需功率非常小的輸入特性，又具有晶體管的導通后管 壓降非常小的輸出特性。解決如上不少的難題，實現(xiàn)了突破性的進展。 112 國內(nèi)發(fā)展情況 我國的開關電源設計、研制和生產(chǎn)開始于 20 世紀 60 年代初期，到 60 年代 中期進入了實用階段。70 年代初期開始設計、研制和生產(chǎn)無工頻降壓變壓器的 開關電源。1974 年研制成功了我國第一臺工作頻率為 10kHZ、輸出直流電壓為 5V 的無工頻降壓變壓器的開關電源。雖然這些年取得了進步但和發(fā)達國家相比

11、我們的技術還很落后。由于我國的半導體技術與工藝跟不上時代發(fā)展，導致我們 自己研制和生產(chǎn)的無工頻降壓變壓器的開關電源關鍵器件，如開關晶體管，高頻 開關變壓器磁性材料都是國外的。因此，我們最根本的問題是要提高我國的半導 體技術和工藝。 1 . 2 開關電源優(yōu)缺點 1. 2. 1 優(yōu)點： （1） 內(nèi)部功率損耗小，轉(zhuǎn)換效率高。 （2） 體積小，重量輕。 （3） 穩(wěn)壓范圍寬，線性調(diào)整率高。 6 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 （4） 濾波效率大為提高，濾波電容的容量和體積大為減小。 （5） 電路形式靈活多樣。 與線性穩(wěn)壓電源相比，其工作頻率比線性電源工頻高了幾個數(shù)量級， 開關電源比普通的線性電源效率高。

12、由于線性電源功率管工作在線性區(qū)， P=UI 由 得 ，隨著 I 越來越大功率就越大。而開關電源工作在開、關兩種狀態(tài)，當電阻很 小時為開，當電阻很大時為關。當開關斷開時，電流很??；當開關閉合時，電壓 很小，所以發(fā)熱功率 UI 就會很小。這就是開關電源效率高的原因。 1. 2. 2 缺點： （1）存在較嚴重的開關噪聲和干擾 （2）電路復雜，不便于維修 （3）成本高，可靠性低 第二章 21 開關電源種類 按激勵方式劃分 （1） 它激式開關電源電路。這種形式電路具有工作穩(wěn)定、可靠和便于控制的優(yōu) 點。一般應用于大功率和超大功率輸出場合。 圖 2-1 （2） 自激式開關電源電路。該電路中的功率開關管既作功

13、率開關，又作 PWM 驅(qū)動信號產(chǎn)生的振蕩管。具有內(nèi)部損耗小，轉(zhuǎn)換效率高，成本低等優(yōu)點。應用于 小功率和中功率輸出場合。 7 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 圖 2-2 22 按調(diào)制方式劃分 （1） 脈寬調(diào)制型開關電源 （2） 頻率調(diào)制型開關電源 （3） 混合型開關電源 23 按功率開關的類型劃分 （1） 晶體管型開關電源。優(yōu)點是功率開關飽和導通后，管子開關損耗較小。缺 點是驅(qū)動功率與輸出功率成正比，不宜用在大功率場合。 圖 2-3 （2） 可控硅型開關電源。優(yōu)點是可直接輸入工頻電網(wǎng)電壓，成本低；缺點：電 磁輻射污染較大。 （3） MOSFET 型開關電源。該電路用 MOSFET 作為功率開關，其

14、特點是驅(qū)動 功率小，可以輸出大功率和超大功率。 8 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 圖 2-4 （4） IGBT 型開關電源。該電路采用 IGBT 復合功率模塊作為功率開關，把晶 體管型和 MOSFET 型開關電源優(yōu)點集于一身。 24 按功率開關的連接方式劃分 （1） 單端正激式開關電源。 圖 2-5 （2） 單端反激式開關電源。 圖 2-6 （3） 推挽式開關電源。 9 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 圖 2-7 （4） 半橋式開關電源。 圖 2-8 （5） 全橋式開關電源。 10 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 圖 2-9 25 按輸入和輸出電壓的大小分類 (1升壓式開關電源 圖 2-10 升壓

15、式開關電源 (2降壓式開關電源 (3輸出極性反轉(zhuǎn)式開關電源 26 按工作方式分類 (1可控硅整流型開關電源 (2斬波型開關電源 (3隔離型開關電源 27 按電路結(jié)構(gòu)分類 (1分立式開關電源 (2集成式開關電源 第三章 31 系統(tǒng)設計 主電路的整體簡介 11 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 本論文采用的是它激式推挽電路，脈沖由專用芯片 KA3525 提供。 為實現(xiàn)系統(tǒng)的功能，完成設計要求，采用模塊化結(jié)構(gòu)。我采用電路是由 PWM 集成塊 KA3525 組成的激勵變 換部分和開關管組成的它激型推挽式電路，電路結(jié) 構(gòu)如下:圖 3- 1 主電路整體結(jié)構(gòu)圖 12腳通過電阻接到16腳，給定恒定電位，作為誤差放

16、大器的同相輸入端。 2 1腳是接的反饋，由負載輸出反饋和給定統(tǒng)一決定1腳電位，并和9腳相接，達 到調(diào)節(jié)電壓的目的。 3 5腳的電容和6腳的電阻共同決定了輸出脈沖的頻率。5腳和7腳之間的電阻決 定了死區(qū)時間。 4）11腳和14腳是兩路輸出脈沖。 5 13腳和15腳接的是15V工作電源，12腳接地。 68 腳接軟啟動。 311 它激型推挽式電路工作原理 它激型推挽式電路實際上是由兩個單端正激式變換電路組成的， 只是它們工 作時相位相反。在每一個工作周期內(nèi)，兩組功率開關輪換交替導通和截止，在各 自導通的半個周期內(nèi)，分別把輸入電源的能量傳輸給負載系統(tǒng)。 12 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 （a） (b

17、 圖3-2 它激型推挽式直流變換器電路 （a）基本電路 （b）各點工作波形 由于線圈的電流不可能突變，所以Ic1上的電流是緩慢上升。如（a）所示 Uec1=-Ui。由同名端所感應的電流的相同，所以線圈原副兩邊的電流同為上正下 負，又由于電磁感應知識所知，線圈總是阻止它的發(fā)展方向，所以副邊產(chǎn)生的感 應電流下正上負，則VD1截止，VD2通。 3 1 2 驅(qū)動電路 13 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 在選擇開關管的驅(qū)動電路時，本電源主功率管選用的是電壓型驅(qū)動方式的 MOSFET，每個橋臂的兩個開關管 180 互補導通，每個橋臂的兩個開關管的驅(qū)動電 路相互隔離。如果要驅(qū)動功率較大的 MOSFET，控制

18、芯片的驅(qū)動能力就顯得不夠 了，那么可以將控制芯片的驅(qū)動信號加以功率放大。 場效應晶體管（Field Effect Transistor 縮寫(FET）簡稱場效應管。一 般的晶體管是由兩種極性的載流子,即多數(shù)載流子和反極性的少數(shù)載流子參與導 電,因此稱為雙極型晶體管,而 FET 僅是由多數(shù)載流子參與導電,它與雙極型相反, 也稱為單極型晶體管。 它屬于電壓控制型半導體器件， 具有輸入電阻高、 噪聲小、 功耗低、動態(tài)范圍大、易于集成、沒有二次擊穿現(xiàn)象、安全工作區(qū)域?qū)挼葍?yōu)點。 場效應管與晶體管的比較 1. 場效應管是電壓控制元件，而晶體管是電流控制元件。在只允許從信號源取 較少電流的情況下，應選用場效

19、應管；而在信號電壓較低，又允許從信號源 取較多電流的條件下，應選用晶體管。 2. 場效應管是利用多數(shù)載流子導電，所以稱之為單極型器件，而晶體管是即有 多數(shù)載流子，也利用少數(shù)載流子導電。被稱之為雙極型器件。 3. 有些場效應管的源極和漏極可以互換使用，柵壓也可正可負，靈活性比晶體 管好 。 4. 場效應管能在很小電流和很低電壓的條件下工作，而且它的制造工藝可以很 方便地把很多場效應管集成在一塊硅片上，因此場效應管在大規(guī)模集成電路 中得到了廣泛的應用。 5. 場效應管開關速度快,沒有雙極型三極管的電流拖尾現(xiàn)象,但導通電阻比雙極 型三極管大,電流也沒雙雙極型大(同級別相對而言.不過現(xiàn)在現(xiàn)在的場效應

20、管在導通電阻和通過電流方面已經(jīng)有相當大的改進了,用于開關電源性能優(yōu) 于雙極型三極管.只不過實際使用時考慮到價格和性能要求,不用場效應管也 可以. 在大功率應用中，MOSFET 比雙極型晶體管廣泛，這是因為他是電壓驅(qū)動型 開關，漏電流小，且管耗低。 綜上考慮，選擇了如下驅(qū)動電路： 14 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 圖 3-3 上述電路中 R5，R6，R7，R8 四個電阻是作用是使電路均衡，緩沖和保護限 流作用。四個開關的作用是在飽和時驅(qū)動能力更強。電容 C6 和電阻 R9 的作用是 濾去高頻部分，防止高頻振蕩。 313 KA3525 工作原理 圖 3-4 KA3525是采用電流模式控制方式的集

21、成PWM控制器。在KA3525內(nèi)部采用精度 為士1%的5.1V 基準源. KA3525采用電壓模式控制，它內(nèi)部的振蕩器輸出的時鐘 信號RS觸發(fā)器，形成PWM信號的上升沿，使主電路的開關開通。誤差放大器EA的 15 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 輸出信號同振蕩器輸出的三角波信號相比較，當三角波的瞬時值高于EA的輸出 時，PWM比較起翻轉(zhuǎn)，觸發(fā)RS觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，形成PWM信號的下降沿，使主電路的開 關關斷。RS觸發(fā)器輸出的PWM信號的占空比為0一100%，考慮到死區(qū)時間的存在， 最大占空比通常為90%一95%.T觸發(fā)器作用是分頻，將RS觸發(fā)器的輸出分頻，得到 占空比為50%的頻率為振蕩器頻率的1/2

22、的方波。將T觸發(fā)器輸出的這兩路互補的 方波同RS觸發(fā)器輸出的PWM信號進行“或”運算，就可以得到兩路互補的占空比 為0一50%的PWM信號。 314 死區(qū)時間設置 在設計過程中，MOSFET 開關功率管經(jīng)常燒壞，是由于兩組功率管同時導通 時，功率開關變壓器初級繞組一個給磁心正向激磁，另一個給磁心反向激磁，相 互抵消。這樣一來，功率開關變壓器的次級無感應電壓產(chǎn)生，輸出端無直流電壓 流出；而且，功率開關變壓器初級的兩個對稱繞組將輸入直流電源電壓直接短路 到兩只功率開關的集電極發(fā)射極之間，使集電極峰植電流急劇增加，嚴重時兩 只功率開關同時電流擊穿而被損壞。 產(chǎn)生這個問題的原因除了功率開關所在的存 儲

23、時間以外，還有一個就是死區(qū)時間不夠。 (a 16 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 （b） 圖 3-5 （a）產(chǎn)生共態(tài)導通現(xiàn)像（b） 各點的波形 為解決如上圖所示的死區(qū)時間的問題，我們使用 KA3525 芯片，其 7 腳 DISCHAGE 是控制死區(qū)時間。如圖 3-2 所示，在它和 5 腳上分別接上不同的電阻 R2 和電容 C1 就可以設置不同的死區(qū)時間。 315 檢測電路 圖 3-6 如上檢測電路所示，當 T1 的原邊沒有電流時，副邊也沒有電流渡過，這時二極 管 D1 和 D3 反向擊穿，給磁環(huán)去磁，使磁環(huán)磁復位。RC 濾波環(huán)節(jié)，用來濾除電 流尖峰。 該電路簡單可靠， 損耗極小， 成本低廉。 反

24、饋端， Ref 反饋信息送到 KA3525 的 1 腳比較后，控制其脈寬大小，最后控制輸出電壓。也就是當反饋端檢測的電 17 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 壓變大時，送回 1 腳比較之后，使其輸出脈寬變窄，輸出電壓也就變小，這樣就 達到穩(wěn)壓保護的目的。 3 2 2 參數(shù)設計 輸入濾波電容 3 2 4 1 在最低輸入交流電時， 整流濾波后的直流電壓的脈動值 Vpp 是最低輸入交流 電壓峰值的 20%-25%。設輸入交流電壓的變化范圍為 Vline(min Vline(max,頻率 f=40khz。 相電壓有效值：Vline(min Vline(max：220V*（15%20%）=176253V

25、相電壓峰值： 2 Vline(min 2 Vline(max：249358V 整流濾波后直流電壓的最大脈動值：Vpp= 2 Vline(min*（20%25%）=50V（單相） 整流濾波后的直流電壓 Vin:（ 2 Vline(min-Vpp） 2 Vline(max 為了保證整流濾波后的直流電壓最小值 Vin(min符合要求，每個周期中 Cin 所提供 的能量約為：Win= Pin f = Pin Af = 600 0.85 =15.7(焦耳 40 每個半周期輸入濾波電容所提供的能量為： Win 1 2 = Cin( 2 Vline(min -Vin(min2 2 2 因此輸入濾波電容容量為

26、： Cin=Win/( 2 Vline(min -Vin(min2=713 F 2 上式中，變壓器轉(zhuǎn)換率 =70% ，由于我們提供的是單相輸入則： A=1 ，頻率 f=40KHZ 3.2.4.2 原副邊變比 為了在任意輸入電壓時能夠輸出所要求的電壓， 變壓器的變比應按最低輸入 電壓 Vin(min選擇。選擇副邊的最大占空比為 Dsec(max.則可計算出副邊電壓最小值 為：Vsec(min=(Vo(max+VD+VLf/ Dsec(max=28.6V 式中 Vo(max是最高輸出電壓，VD 是輸出整流二極管的通態(tài)壓降，VLf 是輸出濾波電 感上的直流壓降。 故變壓器原副邊變比為：K=15V/2

27、8.6V=1/2 （1）確定原邊和副邊匝數(shù) 18 開關電源的基本原理及發(fā)展趨勢 由于開關頻率為 80KHz,為了減小鐵損， 可確定最高工作磁密 Bm=0.10T,所以 副邊匝數(shù) Wsec= (Vsec(min* Dsec(max/(4fs*Ae*Bm （2）確定原副邊繞組導線線徑和股數(shù) 在選用繞組的導線線徑時，要考慮導線的集膚效應，一般要求導線線線徑小 于兩倍穿透深度。變壓器的工作頻率為 80KHz，在些頻率下，銅導 線的穿透深度 為 ? =0.2336mm,因此繞組應選用線徑小于 0.4672mm 的銅導線。我們選用 15 股 線徑為 0.15mm 的漆包線絞結(jié)而成的多股線，多股線的導電面積為： S1=( d2/4*15=0.2651mm2 我們就使用了 15 股線徑為 0.15mm 的多股線。 （3）繞制方式 為了減小漏感，采用原副邊分層交叉繞法，同時，為了減小高頻噪聲，原副 邊之間加入屏蔽層。 1繞原邊繞組，用 15 股線徑為 0.15mm 的多股線 2繞副邊繞組，兩組副邊同時并繞。 3.2.4.3 輸出濾波電容的選擇 輸出濾波電容的計算公式： ? ? ? Vo (min Vo (min Cf= ?1 ? Vin (min ? =31