畢業(yè)設(shè)計(jì)開關(guān)電源電路設(shè)計(jì)畢業(yè)論文

1、柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文）論文題目 開關(guān)電源電路設(shè)計(jì) 系 別 電子工程系 專業(yè)班級(jí) 電氣自動(dòng)化技術(shù)七班 成 員 羅福 學(xué) 號(hào) 8302007311 指導(dǎo)教師 展星 時(shí) 間2010年11月25日至2010年12月27日目錄摘要 TOC o 1-3 h z u HYPERLINK l _Toc282029389 一、緒論 PAGEREF _Toc282029389 h 1 HYPERLINK l _Toc282029390 （一）課題背景及意義 PAGEREF _Toc282029390 h 1 HYPERLINK l _Toc282029391 （二）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 PAGEREF

2、_Toc282029391 h 1 HYPERLINK l _Toc282029392 （三）論文主要任務(wù) PAGEREF _Toc282029392 h 5 HYPERLINK l _Toc282029393 二、開關(guān)電源設(shè)計(jì) PAGEREF _Toc282029393 h 5 HYPERLINK l _Toc282029394 （一）工作原理 PAGEREF _Toc282029394 h 5 HYPERLINK l _Toc282029395 1.降壓變換電路 PAGEREF _Toc282029395 h 5 HYPERLINK l _Toc282029396 2.絕緣柵雙極型晶體管I

3、GBT PAGEREF _Toc282029396 h 9 HYPERLINK l _Toc282029397 3.開關(guān)穩(wěn)壓電源的控制原理 PAGEREF _Toc282029397 h 10 HYPERLINK l _Toc282029398 (二)開關(guān)電源電路 PAGEREF _Toc282029398 h 10 HYPERLINK l _Toc282029399 1.主電路降壓變換電路 PAGEREF _Toc282029399 h 10 HYPERLINK l _Toc282029400 信號(hào)發(fā)生器 PAGEREF _Toc282029400 h 11 HYPERLINK l _Toc

4、282029401 3.開關(guān)穩(wěn)壓電源的IGBT驅(qū)動(dòng)電路及其保護(hù)電路 PAGEREF _Toc282029401 h 12 HYPERLINK l _Toc282029402 三開關(guān)電源的PCB PAGEREF _Toc282029402 h 16 HYPERLINK l _Toc282029403 1.電路PCB綜述 PAGEREF _Toc282029403 h 16 HYPERLINK l _Toc282029404 2. Protel DXP 2004中的系統(tǒng)工具箱和元件簡(jiǎn)介 PAGEREF _Toc282029404 h 16 HYPERLINK l _Toc282029405 原理圖

5、及PCB板 PAGEREF _Toc282029405 h 16 HYPERLINK l _Toc282029406 總結(jié) PAGEREF _Toc282029406 h 17 HYPERLINK l _Toc282029407 參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc282029407 h 18 HYPERLINK l _Toc282029408 致謝 PAGEREF _Toc282029408 h 19 HYPERLINK l _Toc282029409 附錄 PAGEREF _Toc282029409 h 20 開關(guān)電源設(shè)計(jì)摘要：隨著經(jīng)濟(jì)和科學(xué)的發(fā)展，世界能源逐漸緊缺，為拉更好的發(fā)展；追求更簡(jiǎn)

6、易，經(jīng)濟(jì)的的電源是必不可少的，因此，作為能耗小，效率高的開關(guān)電源在各行各業(yè)都起到重要的地位。本文主要通過論述開關(guān)電壓的研究狀況及其的工作原理。體現(xiàn)出開關(guān)電源的優(yōu)越及其的重要性，并繪出PCB圖及PCB板。關(guān)鍵詞:開關(guān)電源；DC/DC；直流變換電路；降壓；PWM；IGBT一、緒論（一）課題背景及意義 電源技術(shù)是一種應(yīng)用功率半導(dǎo)體器件，綜合電力變換技術(shù)、現(xiàn)代電子技術(shù)、自動(dòng)控制技術(shù)的多科學(xué)邊緣交叉技術(shù)。隨著科學(xué)的發(fā)展，電源技術(shù)又與現(xiàn)代控制理論、材料科學(xué)、電機(jī)工程、微電子技術(shù)等領(lǐng)域密切相關(guān)，目前電源技術(shù)已發(fā)展成為一門多科學(xué)互相滲透的綜合性技術(shù)學(xué)科。他對(duì)現(xiàn)代通訊、電子儀器、計(jì)算機(jī)、工業(yè)自動(dòng)化、電力工程、國(guó)

7、防及某些高新技術(shù)提供高技術(shù)、高效率、高可靠性的電源起著關(guān)鍵性的作用。當(dāng)代許多高新技術(shù)均與市電的電壓、電流、頻率、相位、和波形等相關(guān)參數(shù)的變換和控制相關(guān)，電源技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)這些參數(shù)的精確控制和高效處理，特別能夠?qū)崿F(xiàn)大功率電能的頻率變換，從而為多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展提供有力支持。因此，電源技術(shù)不但本身是一項(xiàng)高新技術(shù)，而且還是其他多項(xiàng)高新技術(shù)的發(fā)展基礎(chǔ)。電源技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)的進(jìn)一步發(fā)展必將為大幅度節(jié)約電能、降低材料消耗及提高生產(chǎn)效率提供重要手段，并為現(xiàn)代生產(chǎn)和現(xiàn)代生活帶來深遠(yuǎn)的影響。電源，如今已經(jīng)是非常重要的基礎(chǔ)科學(xué)和產(chǎn)業(yè)，從日常生活到高端的科技，都離不開電源技術(shù)的參與和支持，電源技術(shù)也是在這種環(huán)境中不斷的

8、發(fā)展起來的。電源重要性不可否認(rèn)，但傳統(tǒng)的電源存在不足的地方，例如，傳統(tǒng)電源效率不高，線性電源由于功率管是在工作在線性放大狀態(tài)，功率管的電流和輸出電流是成比例的，因此當(dāng)輸出電流越大時(shí)，功耗越大。通常，線性電源效率只有45%到50%左右，因此提高電源效率是未來電源設(shè)計(jì)，應(yīng)著重解絕的問題，而開關(guān)電源能夠很好的解決這個(gè)問題，開關(guān)電源的功率開關(guān)管是工作在開關(guān)狀態(tài)，也就是，只是在開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，管子才會(huì)產(chǎn)生損耗，因此開關(guān)電源的效率比線性電源要高得多，通常達(dá)到80%以上。本設(shè)計(jì)是以直流電源變換作為設(shè)計(jì)對(duì)象，利用輸出電壓與輸入電壓之間的占空比的關(guān)系，用變壓器降升電壓達(dá)到設(shè)計(jì)的要求.在用二極管做成一個(gè)整流橋把電流

9、進(jìn)行A/D之間的轉(zhuǎn)換，調(diào)節(jié)PWM的相關(guān)參數(shù)實(shí)現(xiàn)可調(diào)開關(guān)電源的其中條件。（二）國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀 從八十年代末起，工程師們?yōu)榱丝s小DC/DC變換器的體積，提高功率密度，首先從大幅度提高開關(guān)電源的工作頻率做起，但這種努力結(jié)果是大幅度縮小了體積，卻降低了效率。發(fā)熱增多，體積縮小，難過高溫關(guān)。因?yàn)楫?dāng)時(shí)MOSFET的開關(guān)速度還不夠快，大幅提高頻率使MOSFET的開關(guān)損耗驅(qū)動(dòng)損耗大幅度增加。工程師們開始研究各種避開開關(guān)損耗的軟開關(guān)技術(shù)。雖然技術(shù)模式百花齊放，然而從工程實(shí)用角度僅有兩項(xiàng)是開發(fā)成功且一直延續(xù)到現(xiàn)在。一項(xiàng)是VICOR公司的有源箝位ZVS軟開關(guān)技術(shù)；另一項(xiàng)就是九十年代初誕生的全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù)。

10、 有源箝位技術(shù)歷經(jīng)三代，且都申報(bào)了專利。第一代系美國(guó)VICOR公司的有源箝位ZVS技術(shù)，其專利已經(jīng)于2002年2月到期。VICOR公司利用該技術(shù)，配合磁元件，將DC/DC的工作頻率提高到1MHZ，功率密度接近200W/in3，然而其轉(zhuǎn)換效率卻始終沒有超過90%，主要原因在于MOSFET的損耗不僅有開關(guān)損耗，還有導(dǎo)通損耗和驅(qū)動(dòng)損耗。特別是驅(qū)動(dòng)損耗隨工作頻率的上升也大幅度增加，而且因1MHZ頻率之下不易采用同步整流技術(shù)，其效率是無法再提高的。因此，其轉(zhuǎn)換效率始終沒有突破90%大關(guān)。 為了降低第一代有源箝位技術(shù)的成本，IPD公司申報(bào)了第二代有源箝位技術(shù)專利。它采用P溝MOSFET在變壓器二次側(cè)用于f

11、orward電路拓樸的有源箝位。這使產(chǎn)品成本減低很多。但這種方法形成的MOSFET的零電壓開關(guān)（ZVS）邊界條件較窄，在全工作條件范圍內(nèi)效率的提升不如第一代有源箝位技術(shù)，而且PMOS工作頻率也不理想。 為了讓磁能在磁芯復(fù)位時(shí)不白白消耗掉，一位美籍華人工程師于2001年申請(qǐng)了第三代有源箝位技術(shù)專利，并獲準(zhǔn)。其特點(diǎn)是在第二代有源箝位的基礎(chǔ)上將磁芯復(fù)位時(shí)釋放出的能量轉(zhuǎn)送至負(fù)載。所以實(shí)現(xiàn)了更高的轉(zhuǎn)換效率。它共有三個(gè)電路方案：其中一個(gè)方案可以采用N溝MOSFET。因而工作頻率較高，采用該技術(shù)可以將ZVS軟開關(guān)、同步整流技術(shù)、磁能轉(zhuǎn)換都結(jié)合在一起，因而它實(shí)現(xiàn)了高達(dá)92%的效率及250W/in3以上的功率密

12、度。（即四分之一磚DC/DC做到250W功率輸出及92%以上的轉(zhuǎn)換效率） 我們給出三代產(chǎn)品的等效電路，讀者可從其細(xì)節(jié)品味各自的特色。有關(guān)有源箝位技術(shù)近年論文論述頗多，此處不多贅述。 全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù)，從90年代中期風(fēng)靡大功率及中功率開關(guān)電源領(lǐng)域。該電路拓樸及控制技術(shù)在MOSFET的開關(guān)速度還不太理想時(shí)，對(duì)DC/DC變換器效率的提升起了很大作用。但是工程師們?yōu)榇烁冻龅拇鷥r(jià)也不小。第一個(gè)代價(jià)是要增加一個(gè)諧振電感。它的體積比主變壓器小不了多少（約1/2左右），它也存在損耗，此損耗比輸出濾波電感損耗也小不了太多。第二個(gè)代價(jià)是丟失了810%的占空比，這種占空比的丟失將造成二次側(cè)的整流損耗。所以弄

13、得不好，反而有得不償失的感覺。第三，諧振元件的參數(shù)需經(jīng)過調(diào)試，能適應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)用的準(zhǔn)確值的選定是要花費(fèi)較多的時(shí)間，試驗(yàn)成本較高。此外，因同步整流給DC/DC效率的提高帶來實(shí)惠頗多，而全橋移相對(duì)二次側(cè)同步整流的控制效果并不十分理想。例如：第一代PWM ZVS全橋移相控制器，UC3875及UCC3895只控制初級(jí)側(cè)。若要提供準(zhǔn)確的控制同步整流的信號(hào)需另加邏輯電路。第二代全橋移相PWM控制器如LTC1922-1、LTC3722-1/-2，雖然增加了對(duì)二次側(cè)同步整流的控制信號(hào)，在做好ZVS軟開關(guān)的同時(shí)做好二次側(cè)的同步整流。但仍舊不能十分有效地控制好二次側(cè)的ZVS ZCS同步整流，而這是提高DC/DC變換

14、器效率最有效的措施。UCC3722-1/-2的另一個(gè)重大改進(jìn)是減小諧振電感的感量,這不僅縮小了諧振電感的體積,而且降低了損耗,占空比的丟失也減小了許多.這里我們給出LTC3722加上同步整流的控制電路，由業(yè)界工程師們自己去分析對(duì)照。 在DC/DC業(yè)界，應(yīng)該說，軟開關(guān)技術(shù)的開發(fā)、試驗(yàn)、直到用于工程實(shí)踐，費(fèi)力不小，但收效卻不是太大。花在這方面的精力和資金還真不如半導(dǎo)體業(yè)界對(duì)MOSFET技術(shù)的改進(jìn)。經(jīng)過幾代MOSFET設(shè)計(jì)工業(yè)技術(shù)的進(jìn)步，從第一代到第八代。光刻工藝從5M進(jìn)步到。完美晶格的外延層使我們將材料所選擇的電阻率大幅下降。加上進(jìn)一步減薄的晶片。優(yōu)秀的芯片粘結(jié)焊接技術(shù)，使當(dāng)今的MOSFET （例

15、如80V40A）導(dǎo)通電阻降至5m以下，開關(guān)時(shí)間已小于20ns，柵電荷僅20nc，而且是在邏輯電平下驅(qū)動(dòng)即可。在這樣的條件下，同步整流技術(shù)獲得了極好的效果，幾乎使DC/DC的效率提高了將近十個(gè)百分點(diǎn)。效率指標(biāo)已經(jīng)普遍進(jìn)入了90%的范圍。 目前，自偏置同步整流已經(jīng)普遍用于5V以下的低壓小功率輸出。自偏置同步整流用法簡(jiǎn)單易行，選擇好MOSFET即告成功，此處不多述。而對(duì)于12V以上至20V左右的同步整流則多采用控制驅(qū)動(dòng)IC，這樣可以收到較好的效果。ST公司的STSR2和STSR3可以很好地用于反激變換電路及正激變換電路。線性技術(shù)公司的LTC3900和LTC3901則是2001年才推出的更優(yōu)秀的同步整

16、流控制IC.采用IC驅(qū)動(dòng)的同步整流電路中，應(yīng)該說最好的還是業(yè)界于2002年才正式使用的ZVS,ZCS同步整流電路，它將DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率帶上了95%這一歷史性臺(tái)階。 ZVS,ZCS同步整流只適用初級(jí)側(cè)為對(duì)稱型電路拓樸，磁芯可以雙向工作的場(chǎng)合。即推挽、半橋以及全橋硬開關(guān)的電路。二次側(cè)輸出電壓24V以下，輸出電流較大的場(chǎng)合，這時(shí)可以獲得最佳的效果。我們知道，對(duì)于傳輸同樣功率高壓小電流硬開關(guān)的損耗要比低壓大電流硬開關(guān)時(shí)的損耗低很多。我們利用這種性能將PWM的輸出信號(hào)經(jīng)過變壓器或高速光耦傳輸至二次側(cè)，適當(dāng)處理其脈寬后，再去驅(qū)動(dòng)同步整流的MOSFET。讓同步整流的MOSFET在其源漏之間沒有電壓，不

17、流過電流時(shí)開啟及關(guān)斷。只要此時(shí)同步整流的MOSFET的導(dǎo)通電阻足夠小，柵驅(qū)動(dòng)電荷足夠小，就能大幅度地提升轉(zhuǎn)換效率。最高的95%的轉(zhuǎn)換效率即是這樣獲得的，業(yè)界將其稱為CoolSet,即冷裝置，不再需要散熱器和風(fēng)扇了。 這種電路拓樸的輸出電壓在12V、15V輸出時(shí)效率最高，電壓降低或升高，效率隨之下降。輸出電壓超過28V時(shí)，將與肖特基二極管整流的效果相當(dāng)。輸出電壓低于5V時(shí)采用倍流整流會(huì)使變壓器利用更充分，轉(zhuǎn)換效率也會(huì)更高。在ZVS及ZCS同步整流技術(shù)應(yīng)用于工程獲得成功后，人們?cè)诓粚?duì)稱電路拓樸中也在進(jìn)行軟開關(guān)同步整流控制的試驗(yàn)。例如已經(jīng)有了有源箱位正激電路的同步整流驅(qū)動(dòng)（NCP1560），雙晶體管

18、正激電路的同步整流驅(qū)動(dòng)（LTC1681及LTC1698）但都未取得如對(duì)稱型電路拓樸的ZVS,ZCS同步整流的優(yōu)良效果。近來,TI的工程師采用予撿測(cè)同步整流MOSFET開關(guān)狀態(tài),然后用數(shù)字技術(shù)調(diào)整MOSFET開關(guān)時(shí)間的方法突破性的做出ZVS的同步整流,從而解決了非對(duì)稱電路的軟開關(guān)同步整流,詳情見專題論述. 近年來，復(fù)合電路拓樸也迅速發(fā)展起來，這種電路拓樸的集中目標(biāo)都在于如何讓同步整流部分的效率做到最佳狀態(tài)。當(dāng)初級(jí)電壓變化一倍時(shí)，二次側(cè)的占空比會(huì)相應(yīng)縮小一半。而MOSFET的源漏電壓卻升高一倍。這意味著我們必須選擇更高耐壓的同步整流用MOSFET。我們知道，從半導(dǎo)體技術(shù)來分析MOSFET這種器件，

19、當(dāng)其耐壓高一倍時(shí)，其導(dǎo)通電阻會(huì)擴(kuò)大兩倍。這對(duì)于用做同步整流十分不利，于是我們?cè)O(shè)想可否將二次側(cè)同步整流的MOSFET的工作占空比定在48%50%。這樣我們選擇比輸出電壓高倍的MOSFET就可以了。例如：輸出電壓時(shí)同步整流MOSFET的耐壓選12V檔就可以了。而占空比變化大的我們就得選20V甚至30V的MOSFET，大家對(duì)比一下，12V的MOSFET會(huì)比20V的MOSFET的導(dǎo)通電阻小很多！正是基于這樣一種思維，美國(guó)業(yè)界工程師先后搞出了多個(gè)復(fù)合電路拓樸。 第一家申請(qǐng)專利的是美國(guó)SynQor公司，它的電路為Buck加上雙組交互forward組合技術(shù)。第一級(jí)是同步整流的Buck電路，將較高的輸入電壓（

20、3675V）降至某一中間值如26V?？刂苾晒苷伎毡仍?060%工作。第二級(jí)為兩組交互forward電路。各工作在50%占空比，而且兩者輸出相位相差180剛好互補(bǔ)。變壓器僅為隔離使用,其磁密和電密都處在最佳狀態(tài)。Buck級(jí)只要輸出濾波電感，而forward級(jí)在整流后只要輸出濾波電容。如此情況下SynQor產(chǎn)品獲得了92%以上的轉(zhuǎn)換效率。下面給出其電路，其控制IC就是我們熟知的UCC3843。它利用一顆IC巧妙地控制了上述全部功能。 第二家申請(qǐng)專利的是美國(guó)國(guó)家半導(dǎo)體公司，它的電路為Buck加上一組對(duì)稱拓樸（推挽、半橋、全橋）。第一級(jí)與SynQor公司相同，而第二級(jí)則為對(duì)稱型電路拓樸。這樣就可方便地

21、實(shí)現(xiàn)ZVS,ZCS同步整流，它的同步整流不僅是ZVS,ZCS軟開關(guān)的，而且是最大占空比條件下的同步整流。如此情況下，它獲得了94%的轉(zhuǎn)換效率。限于兩級(jí)交聯(lián)其效率畢竟為兩級(jí)的乘積，因此這種方式的最高效率還是受到限制。 國(guó)家半導(dǎo)體公司給出的控制IC是當(dāng)今最新穎獨(dú)特的。首先它無需起動(dòng)電路?？芍苯咏?00V以下高壓。其次它驅(qū)動(dòng)Buck電路的電平位移電路也做在IC內(nèi)部。然后還同步地給出第二級(jí)的雙路輸出驅(qū)動(dòng)?？芍苯域?qū)動(dòng)推挽電路，或加上驅(qū)動(dòng)器IC驅(qū)動(dòng)半橋或全橋電路，二次側(cè)反饋的光耦可直接接至IC。此IC即今年剛問世的LM5041。 以上兩種電路拓樸由于二次占空比不變還很適合多路輸出。復(fù)合電路拓樸中還有一個(gè)新

22、的發(fā)明就是推挽電路二次側(cè)同步整流之后再加上Buck電路以實(shí)現(xiàn)多輸出。采用一顆UCC3895再加上幾個(gè)門電路形成了一個(gè)革命性的變革組合。其電路如下。這是一個(gè)很奇妙的思維及組合，其推挽及同步整流也都是處在最大占空比之下工作的，但電壓卻在變化著。 在開關(guān)電源中普遍應(yīng)用高頻鐵氧體磁芯，作為變壓器和電感，由于鐵氧體固有的磁滯特性，使得我們?cè)谠O(shè)計(jì)所有各類電路拓樸時(shí)都不得不面對(duì)這個(gè)問題。在此之前絕大多數(shù)電路的做法都是用R、C、D網(wǎng)絡(luò)將該部分磁能消耗掉，對(duì)變換器效率有幾個(gè)百分點(diǎn)的影響。由于還有比它損耗比例更大的部位，所以注意力并沒有放在此處。然而到了轉(zhuǎn)換效率升至90%以上時(shí)，這種做法就絕對(duì)不可以了。從現(xiàn)在DC

23、/DC工程化的產(chǎn)品來看，由于增加半導(dǎo)體器材（如MOSET、驅(qū)動(dòng)IC等）是易如反掌的事。因此多數(shù)電路拓樸選用的是全橋電路拓樸及雙晶體管正激電路。這兩個(gè)電路是能使磁芯自動(dòng)復(fù)位的最佳拓樸。對(duì)全橋電路與四個(gè)MOSFET并接上四個(gè)肖特基二極管即可，當(dāng)對(duì)角線MOSFET同時(shí)關(guān)斷時(shí)，變壓器初級(jí)繞組勵(lì)磁電感中的能量可自動(dòng)地通過另兩個(gè)二極管回饋至供電電源。如果工作頻率不高，或選用了具快恢復(fù)性能體二極管的MOSFET，就可以省掉這四支肖特基二極管。這很適合100W以上的大功率DC/DC。而對(duì)于100W以下的DC/DC則多選雙晶體管正激電路。它的復(fù)位原理已人盡皆知，唯一的不足就是最大只有50%的占空比。對(duì)小功率的f

24、orward電路近年來開發(fā)出一個(gè)諧振式自動(dòng)復(fù)位電路。用了幾個(gè)無源元件就能基本無損耗地將磁芯復(fù)位，其不足點(diǎn)也是最大占空比僅有50%，此外就是主功率MOSFET的耐壓要提升約30%。 目前，美國(guó)幾家高級(jí)DC/DC制造商已經(jīng)在高功率密度的DC/DC中使用了小型微處理器的技術(shù)。首先它可以取代很多模擬電路，減少了模擬元件的數(shù)量，它可以取代窗口比較器 、檢測(cè)器、鎖存器等完成電源的起動(dòng)、過壓保護(hù)、欠壓鎖定、過流保護(hù)、短路保護(hù)及過熱保護(hù)等功能。由于這些功能都是依靠改變?cè)谖⒖刂破魃线\(yùn)行的微程序。所以技術(shù)容易保密。此外，改變微控制器的微程序還可以適應(yīng)同一印板生產(chǎn)多品種DC/DC的要求，簡(jiǎn)化了器材準(zhǔn)備、生產(chǎn)管理等的

25、復(fù)雜工作。由于它是數(shù)字化管理，它的保護(hù)功能及控制功能比采用模擬電路要精密得多，有了它還可以解決多個(gè)模塊并聯(lián)工作的排序和均流問題。 第二代微控制器控制的DC/DC還沒有將典型的開關(guān)電源進(jìn)行全面的數(shù)字閉環(huán)控制，但是已經(jīng)沒有PWM IC出現(xiàn)在電路中,一個(gè)小型MCU參與DC/DC的整個(gè)閉環(huán)控制。但PWM部分仍是模擬控制，現(xiàn)在,采用DSP數(shù)字信號(hào)處理器參與脈寬調(diào)制，最大、最小占空比控制、頻率設(shè)置、降頻升頻控制、輸出電壓的調(diào)節(jié)等工作,以及全部保護(hù)功能的DC/DC變換器已經(jīng)問世。這就是使用TI公司的TSM320L2810控制的開關(guān)電源,是全數(shù)字化的電源,這時(shí)DC/DC的數(shù)字化進(jìn)程就真正地實(shí)現(xiàn)了。（三）論文主

26、要任務(wù)結(jié)合所寫知識(shí)查閱相關(guān)書籍資料確立設(shè)計(jì)原理圖，并進(jìn)行解說分析原理圖，講述開關(guān)電源的工作過程及其的工作原理，然后畫出PCB圖。二、開關(guān)電源設(shè)計(jì)（一）工作原理 是指調(diào)整管在工作在開關(guān)方式，即導(dǎo)通和截止?fàn)顟B(tài)的穩(wěn)壓電源。開關(guān)電源的核心部分是一個(gè)直流變換器，在電路狀態(tài)下就是直流變換電路。利用直流變換電路可以把一種直流電壓變成極性、數(shù)值不同的多種直流電壓。如圖2.1所示，為開關(guān)電源的核心部分.，直流變換電路中的降壓直流變換電路。圖中開關(guān)T是各種開關(guān)元件，VD是續(xù)流二極管，其開關(guān)速度與T同等級(jí)，常用快速恢復(fù)二極管。L、C分別為濾波電感電容，組成低通濾波器，R為負(fù)載。為簡(jiǎn)化分析，作如下假設(shè):T、VD是無損

27、耗的理想開關(guān)，輸入直流電源Ud是理想電壓源，其內(nèi)阻為零，L、C中損耗可忽略，R為理想負(fù)載。 圖2.1 降壓變換電路及其波形圖 在圖2.1（a）所示電路中，觸發(fā)脈沖在t=0是，使開關(guān)T導(dǎo)通，在ton 導(dǎo)通期間電感L中有電流流過，且二極管VD反向偏置，導(dǎo)致電感兩端呈現(xiàn)正電壓uL=Ud-uo,在該電壓作用下，電感中的電流iL線性增加，其等效電路如2.1（b）所示。當(dāng)觸發(fā)脈沖在t=DTS時(shí)uL= -uo,電感L中的電流iL線性衰減，其等效電路圖2.1（C）所示，各點(diǎn)量的波形圖如2.1（d）所示。 由波形圖2.1（d）可以計(jì)算輸出電壓的平均值為 （2-1）上式公式中Ud為輸入直流電壓，因?yàn)镈是01之間變

28、化系數(shù)，因此在D變化的范圍內(nèi)，輸出電壓Uo總是下雨輸入電壓Ud，輸出功率等于輸入功率，即 即 （2-2）因此，輸入電流Id與負(fù)載電流Io的關(guān)系為 （2-3）降壓變換電路有兩種可能的運(yùn)行情況：電感電流連續(xù)模式和電感電流模式。電感電流連續(xù)是指如圖2.1（a）所示的電路中，電感電流在整個(gè)開關(guān)周期Ts中都存在，如圖2.2（a）所示；電感電流是指在開關(guān)管T斷開的toff期間后期內(nèi)，輸出電感的電流已降為零，如圖2.2（c）所示，處于這兩種工作情況的臨界點(diǎn)稱為電感電流臨界連續(xù)狀態(tài)。這時(shí)在開關(guān)管阻斷期結(jié)束時(shí)，電感電流剛好降為零，如圖2.2（b）所示。電感中的電流iL是否連續(xù)取決于開關(guān)頻率、濾波電感L和電容C的

29、數(shù)值。 圖2.2 電感電流波形圖在ton期間，開關(guān)T導(dǎo)通，根據(jù)等效電路圖2.1（b），可以得出電感上的電壓為 在這期間由于電感L和電容C無損耗，因此iL從 I1線性增長(zhǎng)至I2，上式可以寫成 (2-4)式中， IL=I2-I1為電感上電流的變化量，Uo為輸出電壓平均值。 在toff期間，T關(guān)斷，VD導(dǎo)通續(xù)流。依據(jù)假設(shè)條件，電感中的電流iL從I2線性下降到I1，則有 （2-5）根據(jù)式（2-4）。（2-5）可求出開關(guān)周期Ts為 (2-6)由上式可求出 （2-7） 式中，IL為流過電感電流的峰-峰差值，最大為I2最小為I1。電感電流奏起內(nèi)的平均值與負(fù)載電流Io相等，即 (2-8)將式（2-6）、（2-

30、7）同時(shí)代入關(guān)系IL=I2-I1，可得 (2-9)當(dāng)電感電流臨界狀態(tài)時(shí)，應(yīng)有I1=0，將此關(guān)系代入式（2-8）中可求出維持電流臨界連續(xù)的電感值Lo為 （2-10）電感電流臨界連續(xù)時(shí)的負(fù)載電流平均值為 （2-11）很明顯，臨界負(fù)載電流Iok與輸入電壓Ud、電感L、開關(guān)頻率f以及開關(guān)管T的占空比D度有關(guān)。開關(guān)頻率f越高、電感L越大、Iok越小，越容易實(shí)現(xiàn)電感電流連續(xù)給你做情況。當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流IoIok時(shí)，電感電流連續(xù)如圖2.2（a）所示。當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流Io=Iok時(shí)，電感電流處于臨界連續(xù)(有斷流臨界點(diǎn))，如圖2.2（b）所示。當(dāng)實(shí)際負(fù)載電流IoIok時(shí)，電感電流斷流，如圖2.2（c）所示。在降壓變

31、換電路中，如果濾波電容C的容量足夠大，則輸出電壓Uo為常數(shù)，然而在電容C為有限值的情況下，直流輸出電壓將會(huì)有紋波成分。假定iL中多有波紋分量都流過電容，而其平均分量都流過負(fù)載電阻。在圖2.1（d）iL的波形中當(dāng)iLIL時(shí)，C被充電。因?yàn)榱鬟^電容的電流在一周期內(nèi)的平均值為零，那么在Ts/2時(shí)間內(nèi)電容充電或放電的電荷量可用波形圖中陰影面積來表示，即 (2-12)波紋電壓的峰-峰值Uo為 代入式（2-12）得 考慮到式（2-7）有 （2-13）所以電流連續(xù)時(shí)的電壓紋波系數(shù)為 （2-14）式中， 是降壓變換電路的開關(guān)頻率；是電路的截止頻率。它表明通過選擇合適的L、C的值，當(dāng)滿足時(shí)，可以限制輸出紋波電壓

32、的大小，而且波紋電壓的大小與負(fù)載無關(guān)。在開關(guān)穩(wěn)壓電源中晶體管致關(guān)重要，晶體管的性能好壞直接最影響到開關(guān)穩(wěn)壓電源的輸出電壓的質(zhì)量；所以我們要選擇合適的晶體管來保證輸出電壓的質(zhì)量，下面將對(duì)性能較好的IGBT進(jìn)行分析。絕緣柵雙極型晶體管（Insulated Gate Bipolar Transistor）簡(jiǎn)稱IGBT，它將MOSFET的GTR的優(yōu)點(diǎn)集于一身，具有輸入阻抗高、速度快，熱穩(wěn)定性好和驅(qū)動(dòng)電路簡(jiǎn)單的特點(diǎn)，又具有通態(tài)電壓低、耐壓高和承受電流大等優(yōu)點(diǎn)，因此發(fā)展迅速，備受青睞。IGBT有取代MOSFET的GTR的趨勢(shì)。由于它的等效結(jié)構(gòu)具有晶體管模式，因此被稱為絕緣柵雙極型晶體管。IGBT于1982

33、年開始研制，1986年投產(chǎn)，是發(fā)展最快、使用最廣泛的一種混合型器件。目前IGBT產(chǎn)品已系列化，最大電流容量1800A，最高電壓等級(jí)達(dá)4500V，工作頻率達(dá)50kHz。IGBT綜合了MOSFET、GTR和GTO的優(yōu)點(diǎn)，其導(dǎo)通電阻是同一耐壓規(guī)格的功率MOSFET的1/10。在電機(jī)控制、中頻電源、各種開關(guān)電源以及其他高速低損耗的中小功率領(lǐng)域中得到廣泛的應(yīng)用。IGBT的結(jié)構(gòu)是在P-MOSFET結(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上作了相應(yīng)的改善，相當(dāng)于一個(gè)P-MOSFET驅(qū)動(dòng)的厚基區(qū)GTR，其簡(jiǎn)化等效電路如圖2.3所示，電氣符號(hào)如圖2.4所示。IGBT有三個(gè)電極，分別是集電極C、發(fā)射極E和柵極G。在應(yīng)用電路中，IGBT的C接電

34、源正極，E接電源負(fù)極。它的導(dǎo)通和關(guān)斷由柵極電壓來控制。柵極施以正向電壓時(shí),P-MOSFET內(nèi)形成溝道，為PNP型的晶體管提供基極電流，從而使IGBT導(dǎo)通。此時(shí)，從P區(qū)注入到N區(qū)的空穴（少數(shù)載流子）對(duì)N區(qū)進(jìn)行電導(dǎo)調(diào)制，減少N區(qū)的電阻，使高耐壓的IGBT也具有低的通態(tài)壓降。在柵極上施以負(fù)電壓時(shí)，P-MOSFET內(nèi)的溝道消失，PNP晶體管的基極電流被城切斷，IGBT關(guān)斷。由此可知，IGBT的導(dǎo)通原理與P-MOSFET相同圖2.3 IGBT的簡(jiǎn)化等效電路 圖2.4 IGBT的圖形符號(hào) 開關(guān)電源中，變換電路起著主要的調(diào)節(jié)穩(wěn)壓作用，這是通過調(diào)節(jié)功率開關(guān)管的占空比來實(shí)現(xiàn)的。設(shè)開關(guān)管的開關(guān)周期為T，在一個(gè)周期

35、內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間為ton,則占空定義為D=ton/t0在開關(guān)電源中，改變占空比的控制方式有兩種，即脈沖寬度調(diào)制(PWM)和脈沖頻率調(diào)制。在脈沖寬度控制中，保持開關(guān)頻率開關(guān)周期不變，通過改變ton來改變占空比D，從而達(dá)到改變輸出電壓的目的，即D越大，濾波后輸出電壓也就越大；D越小，濾波后輸出電壓越小，如圖2.5所示。 為何要采用PWM控制，因?yàn)轭l率控制方式中，保持導(dǎo)通時(shí)間ton不變，通過改變頻率（即開關(guān)周期T）而達(dá)到改變占空比的一種控制方式。由于頻率控制方式的工作頻率是變化的，造成后續(xù)電路濾波器的設(shè)計(jì)比較難。因此采用PWM控制。(二)開關(guān)電源電路如圖2.6所示，為開關(guān)電源工作過程的電路方框圖，當(dāng)輸入經(jīng)

36、變壓器降壓后的經(jīng)整流二極管整流橋后變?yōu)橹绷麟妷?，由于PWM發(fā)生器自帶基準(zhǔn)電壓，直接調(diào)節(jié)PWM發(fā)生器的PWM波就能控制電路開關(guān)元件GTBT的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間比（即調(diào)節(jié)脈沖寬度）來控制電壓的大小和頻率。然后經(jīng)濾波電路后得到相應(yīng)的穩(wěn)定的輸出電壓。 如圖2.7為設(shè)計(jì)的主電路降壓變換電路，該型的開關(guān)電源將Vin變換成0V0Vin的穩(wěn)定輸出電壓所以叫降壓開關(guān)電源。Vin電源使用變壓器將220V的工頻交流電降壓到規(guī)定的電壓。IGBT為電路開關(guān)管，其C極接Vin，G極接控制信號(hào)，R為負(fù)載。在一個(gè)開關(guān)周期中，首先，在控制電路作用下IGBT導(dǎo)通，二極管VD受反向偏置而截止，流過經(jīng)IGBT，電感L，電容C和負(fù)載。電感

37、電流持續(xù)上升，電感儲(chǔ)能增加，能量傳送到電感并儲(chǔ)存在電感中；第二階段，控制信號(hào)使IGBT截止，切斷電源與電感元件的連接，于是電感產(chǎn)生電感電動(dòng)勢(shì)使得電流維持原來的流向，使二極管VD正向?qū)?，為電感電流提供通路，電流由電感L流向電容C和負(fù)載，電感電流隨時(shí)間下降，能量由電感流向負(fù)載。經(jīng)電感L，電容C濾波，在負(fù)載R上可以得到脈動(dòng)很小的電壓。 圖2.8 SG3525集成PWM信號(hào)發(fā)生器圖中調(diào)節(jié)W1可以改變PWM信號(hào)發(fā)生器的信號(hào)頻率。SD3525振蕩器頻率有7、6、5號(hào)腳的值決定，7號(hào)腳給電容C1進(jìn)行沖電在經(jīng)W1調(diào)節(jié)電流的大小經(jīng)6號(hào)腳的接入SG3525內(nèi)部的振蕩器與5號(hào)定時(shí)電容腳6號(hào)腳定時(shí)電阻接入放大器進(jìn)入

38、PWM儲(chǔ)存器，最后調(diào)節(jié)輸出給A、B路信號(hào)輸出。調(diào)節(jié)W2可以改變PWM信號(hào)發(fā)生器的的信號(hào)寬度。調(diào)節(jié)給定信號(hào)的電流大小經(jīng)比較放大后計(jì)入PWM儲(chǔ)存器，最后調(diào)節(jié)輸出給A、B路信號(hào)輸出。在經(jīng)1N4148單相導(dǎo)通拋除VCC的干擾導(dǎo)通9013形成一個(gè)從SG3525處理的PWM波形的輸出。 SG3525的管腳功能如下：腳：誤差放大器的反向輸入端；腳：誤差放大器的同向輸入端；腳：振蕩器外接同步信號(hào)輸入端；腳：振蕩器輸出端；腳：振蕩器定時(shí)電容接入端；腳：振蕩器定時(shí)電阻接入端；腳：振蕩器放電端；腳：軟啟動(dòng)端，外接軟啟動(dòng)電容，該電容由內(nèi)部Uref的100uF恒流源充電；腳：補(bǔ)償信號(hào)輸入端；腳：外部關(guān)斷信號(hào)輸入端，當(dāng)該

39、腳為高電平時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)被封鎖，該腳主要用于故障保護(hù)；腳：A路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出；腳：接地；腳：輸出級(jí)偏置電壓接入端；腳：B路驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出；腳：電源，其范圍為835V;腳：內(nèi)部+5其準(zhǔn)電壓輸出。 在之前的主電路和控制電路分析中都有驅(qū)動(dòng)電路的身影，下面我們對(duì)其功能進(jìn)行分析。首先我們對(duì)IGBT專用集成驅(qū)動(dòng)進(jìn)行了解，EXB系列為IGBT專用集成驅(qū)動(dòng)模塊是日本富士公司出品的；它們性能好，可靠性高，體積小，得到了廣泛的應(yīng)用。EXB850、EXB851是標(biāo)準(zhǔn)型，EXB840、EXB841是高速型，它們的內(nèi)部框圖如圖2.10所示，EXB系列驅(qū)動(dòng)器管腳功能如下：腳：連接用于反向偏置的濾波電容器；腳：電源（+2

40、0V）;腳：驅(qū)動(dòng)輸出；腳：用于連接外部電容器，以防止過流保護(hù)電路誤動(dòng)作（絕大部分場(chǎng)合不需要電容器）腳：過流保護(hù)輸出；腳：集電極電壓監(jiān)視；腳：不接；腳：不接；腳：電源（0V）;腳：不接；腳：不接；14腳：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（-）15腳：驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸入（+） 圖2.10 EXB841驅(qū)動(dòng)模塊框圖如圖2.11是集成驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用電路，它能驅(qū)動(dòng)150A/600V、 75A/1200V、 400A/600V和300A/1200V的IGBT模塊。EXB850和EXB851的驅(qū)動(dòng)延遲4s,因此適用于頻率高達(dá)10kHz的開關(guān)操作。EXB840和EXB841的驅(qū)動(dòng)信號(hào)延遲1s.適用于高達(dá)40kHz開關(guān)操作。 圖2.11

41、集成驅(qū)動(dòng)器的應(yīng)用電路 單有驅(qū)動(dòng)有實(shí)現(xiàn)應(yīng)用中還不行，必須有保護(hù)電路和驅(qū)動(dòng)電路一起使用才能給開關(guān)管IGBT一個(gè)安全穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)信號(hào)；開關(guān)穩(wěn)壓電源才能更好地提供可靠的電壓輸出。所以保護(hù)電路的可靠性直接影響開關(guān)穩(wěn)壓電源的性能好壞，我們將對(duì)保護(hù)電路進(jìn)行分析。如圖2.12所示，保護(hù)電路主要由圖中的4N35 、EAB841 和上面提到的SG3525共同構(gòu)成保護(hù)回路。工作原理如下：電源+5V加在4N35的5號(hào)引腳4號(hào)引腳接地，在EAB841的6號(hào)引腳（集電極電壓監(jiān)視）沒有監(jiān)視到IGBT的集電極有過流現(xiàn)象時(shí)4號(hào)引腳為高電平；4N35的2號(hào)引腳電平高低和EAB841的4號(hào)引腳的電平是一樣的，而4N35的1號(hào)引腳接的

42、是電源+20V因此1、2號(hào)引腳都為高電平所經(jīng)4N35不工作也就是4、5號(hào)引腳不能導(dǎo)通電源+5V就不能與地連接，SG3525的10號(hào)引腳（當(dāng)該腳為高電平時(shí)，輸出驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)被封鎖）也接地在沒有與高電平連接時(shí)SG3525不關(guān)閉將繼續(xù)工作。當(dāng)EXB841的6號(hào)引腳監(jiān)視到IGBT的集電極有過流現(xiàn)象時(shí)4號(hào)引腳為低電平時(shí)，4N35的2號(hào)引腳也為低電平1號(hào)引腳為高電平，4N35開始工作經(jīng)光耦合輸出（4號(hào)引腳為輸出端電平等于5號(hào)引的的電平）高電平到地，同樣與地連接的SG3525的10號(hào)引腳便與高電平相接SG3525就馬上關(guān)閉停止工作驅(qū)動(dòng)電路就失去信號(hào)；隨著驅(qū)動(dòng)電路的輸入信號(hào)消失輸出信號(hào)也就不存在，IGBT沒有

43、了驅(qū)動(dòng)信號(hào)便截止電源輸出電壓就為零；這樣IGBT就不會(huì)因電流過大而燒壞同時(shí)，也起到防止輸出負(fù)載短路將整個(gè)電路燒壞。當(dāng)導(dǎo)致電流過大的故障排除后我們要讓電路重新工作必須讓電路復(fù)位，圖中的復(fù)位鍵的功能就是為此設(shè)計(jì)的。工作原理如下：當(dāng)我們將故障排除后給電路通電在沒有按下復(fù)位鍵CD4030BE的RS觸發(fā)器邏輯電路（參考電子技術(shù)）中的R引腳得到低電平，而S引腳接地為低電平所以Q輸出也為低電平；Q輸出的低電平接入74LS00的一個(gè)與門電路的1號(hào)引腳，所以與門的1號(hào)引腳為低電平而2號(hào)引腳接的是觸發(fā)電路SG3525的輸出信號(hào)（矩形波）有時(shí)為高電平有時(shí)為低電平，但任2號(hào)引腳的電平如何改變與門（74LS00）的3號(hào)

44、引腳（與門輸出端）都為低電平；觸發(fā)電路SG3525的輸出信號(hào)無法進(jìn)入EXB841就沒驅(qū)動(dòng)信號(hào)輸出IGBT也就不能導(dǎo)通。EXB841的6號(hào)引腳就沒監(jiān)視到IGBT的集電極有過流現(xiàn)象，SN35就不會(huì)有所動(dòng)作觸發(fā)電路SG3525仍然續(xù)繼工作。這樣在沒有按下復(fù)位鍵的情況下電路中的觸發(fā)電路SG3525、驅(qū)動(dòng)電路EXB841和IGBT（主電路）就像是被隔開一樣無法正常連接起來運(yùn)行，在這時(shí)我們只要按下復(fù)位鍵它便能正常運(yùn)行。當(dāng)按下復(fù)位鍵CD4030BE的RS觸發(fā)器邏輯電路中的R引腳得到高電平，而S引腳接地為低電平所以Q輸出也為高電平并保持高電平狀態(tài)；Q輸出的低電平接入74LS00的與門電路的1號(hào)引腳，所以與門的

45、1號(hào)引腳為高電平而2號(hào)引腳接的是觸發(fā)電路SG3525的輸出信號(hào)（矩形波）有時(shí)為高電平有時(shí)為低電平，當(dāng)2號(hào)引腳的電平為高電平時(shí)與門（74LS00）的3號(hào)引腳為高電平，當(dāng)2號(hào)引腳的電平為低電平時(shí)與門（74LS00）的3號(hào)引腳也為低電平；由此可知與門（74LS00）的輸出電平變化與觸發(fā)電路SG3525的輸出信號(hào)一致，這樣驅(qū)動(dòng)電路便得到了一個(gè)和觸發(fā)電路SG3525的輸出信號(hào)一樣的矩形方波；在驅(qū)動(dòng)電路的驅(qū)動(dòng)下IGBT有規(guī)律的導(dǎo)通和關(guān)斷，主電路正常運(yùn)行同時(shí)EXB841的6號(hào)引腳對(duì)IGBT的集電極進(jìn)行監(jiān)視若沒有過流現(xiàn)象過流保護(hù)電路不會(huì)動(dòng)作。這樣保護(hù)電路隨時(shí)對(duì)電路進(jìn)行監(jiān)視保護(hù)，從而提高電源的安全可靠性 IGB

46、T開關(guān)管驅(qū)動(dòng)及保護(hù)電路三開關(guān)電源的PCB電視機(jī)帶給人影像世界的精彩，收音機(jī)帶給人聲音的享受， 帶給人的便捷，汽車，輪船，飛機(jī)，航空航天；其能夠簡(jiǎn)便自動(dòng)化的使用控制來源與各個(gè)或大或小的電路板，隨著世界的發(fā)展，經(jīng)濟(jì)、簡(jiǎn)單、方便就是發(fā)展趨勢(shì)，集成電路板就是命脈。當(dāng)設(shè)計(jì)好電路圖后打開DXP，創(chuàng)建一個(gè)PCB項(xiàng)目在項(xiàng)目下建立PCB原理圖保存完后進(jìn)行畫圖當(dāng)畫好圖使用文檔的網(wǎng)絡(luò)表進(jìn)行檢查，檢查完整無錯(cuò)誤建立一個(gè)PCB文件并進(jìn)行保存，然后點(diǎn)擊菜單欄設(shè)計(jì)在點(diǎn)擊Update PCB Document PCBxxx（XXX為命名的PCB文件）然后會(huì)彈出一個(gè)詢問框點(diǎn)擊YES，然后點(diǎn)繼續(xù)，當(dāng)彈出工程變化訂單后點(diǎn)擊左下腳的執(zhí)行變化就會(huì)切換到PCB文件在上面出現(xiàn)的是PCB原理圖的各個(gè)元件封裝，排好板，然后點(diǎn)菜單欄的自動(dòng)布線就完成啦。2. Protel DXP 2004中的系統(tǒng)工具箱和元件簡(jiǎn)介（1）整合式的元件與元件庫 在Protel DXP 20