曹向麗-高壓開關(guān)電路及設(shè)計與應(yīng)用

1、中國石油大學(xué)（華東）現(xiàn)代遠程教育畢業(yè)設(shè)計（論文）題 目：高壓開關(guān)電路的設(shè)計與應(yīng)用 學(xué)習(xí)中心：重慶信息工程專修學(xué)院奧鵬學(xué)習(xí)中心 年級專業(yè)： 0509級電子信息工程 學(xué)生姓名： 曹向麗 學(xué) 號： 0541580189 指導(dǎo)教師： 楊秀珍 職 稱： 講師 導(dǎo)師單位： 重慶信息工程專修學(xué)院 中國石油大學(xué)（華東）遠程與繼續(xù)教育學(xué)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(shè)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(guān)損失可以采取的措施 PAGEREF _Toc166940185 h 3 HYPERLINK l _Toc166940186 2.6 通信電源設(shè)計新技術(shù) PAGEREF _Toc166940186 h 4 HYPERLINK l _Toc166940187 2.6.1 多相技術(shù) 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(shè)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(qū)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(jié) 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(shù)的不斷發(fā)展和成熟，開關(guān)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(lǐng)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(fù)雜的適時計算，當(dāng)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(yīng)增加，有些設(shè)備的供電電流已經(jīng)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(shè)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(shè)計者來說，需要采用更先進的新器件、新技術(shù)、

7、新材料、新工藝來逐步減小開關(guān)電源的體積和重量，改善電氣性能指標(biāo)，提高工作可靠性，降低對電網(wǎng)的污染，消除對其它設(shè)備的干擾，增強智能化程度等是其基本發(fā)展方向。在復(fù)印設(shè)備、醫(yī)學(xué)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(yīng)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(shè)計制作了一種新型高壓開關(guān)電源。該電源具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點，能廣泛應(yīng)用于復(fù)印設(shè)備、醫(yī)學(xué)儀器等精密電子系統(tǒng)中。 第2章 通信電源設(shè)計面臨的挑戰(zhàn) 在當(dāng)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(shù)挑戰(zhàn)的壓力，使低壓、大電流電源的設(shè)

8、計成為通信系統(tǒng)設(shè)計中最難任務(wù)之一。2.1 穩(wěn)壓器的挑戰(zhàn) 由于供電電壓不斷降低，已經(jīng)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(shè)備帶來很大的影響。而大電流是產(chǎn)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(chǎn)生的10-50mV的電壓降。當(dāng)輸出電壓在l-1.5V范圍內(nèi)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(shè)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(zhuǎn)換速率使電壓產(chǎn)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(yīng)的電源。2.2 散熱的挑戰(zhàn) 隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，系統(tǒng)封裝的密度也相應(yīng)增大。散熱成為系統(tǒng)硬件設(shè)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(shè)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(jīng)很熱的計算設(shè)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(shè)備正確工作。由于在降壓開關(guān)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(biāo)淮電源模塊對大多數(shù)應(yīng)用而言，都遠遠超過實際所用電源的指標(biāo)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(shè)計者應(yīng)尋找其他節(jié)省成本的電源。2.5 減小功率晶體管開關(guān)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(guān)斷速度快的優(yōu)點組合成一個性能優(yōu)良的等效開關(guān)器件，此方

11、法可應(yīng)用于各種電路。IGBT工作在軟關(guān)斷狀態(tài)，但電路屬硬開關(guān)性質(zhì)，可用回能吸收電路減小MOSFET的關(guān)斷損耗。由于其輔助電路簡單，只要驅(qū)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(zhuǎn)移(ZCT)諧振電路所有的幾乎是固定的對應(yīng)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(zhuǎn)換(ZCT)：主開關(guān)管并聯(lián)一個吸收電容器，減小關(guān)斷損耗，相當(dāng)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(guān)管。ZVT是指在主開關(guān)管兩端并聯(lián)一個諧振電感與輔助開關(guān)管串聯(lián)

12、通路，來實現(xiàn)零電壓開通的電路。（5）零電流關(guān)斷(ZCS)和零電流轉(zhuǎn)換(ZCT)：ZCS是指先將主開關(guān)管的電流減小到零，再關(guān)斷主開關(guān)管;ZCT是指在主開關(guān)管兩端并聯(lián)一個諧振電容器、諧振電感與輔助開關(guān)管串聯(lián)通路，來實現(xiàn)零電流關(guān)斷的電路。2.6 通信電源設(shè)計新技術(shù) 多相技術(shù) 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(dǎo)致在MOSFET上產(chǎn)生較大的開關(guān)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(guān)頻率都很低，必須使用大輸出電感器，使瞬態(tài)響應(yīng)變慢。多相拓撲結(jié)構(gòu)基于現(xiàn)有的單相結(jié)構(gòu)之上，能有效解決單相結(jié)

13、構(gòu)中較大的紋波電壓和較慢的瞬態(tài)響應(yīng)之間的矛盾，非常適合低電壓大電流精密電源的設(shè)計。多相技術(shù)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(yīng)用更具有吸引力。 可達到更快的負載瞬態(tài)響應(yīng)。因為并聯(lián)輸出電感可以改善瞬態(tài)響應(yīng)，比較小的等效電感可以提高輸出電流的轉(zhuǎn)換速率。 可獲得更高的效率。這是由干多相技術(shù)有較低的開關(guān)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(dān)的電流，避免了開關(guān)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(yīng)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(diào)節(jié)時間(過渡時間)，提高電源的快速瞬態(tài)響應(yīng)能力。 板載電源在低電壓大電流電源應(yīng)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(diào)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(biāo)準(zhǔn)電源模塊相比，板載電源具有以下優(yōu)勢：（1）更強的負載調(diào)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(diào)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(dǎo)損耗，而且可以使用接地層和其它直流電源層傳導(dǎo)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(dǎo)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(diào)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(biāo)準(zhǔn)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(jīng)整流濾波后與PWM脈沖調(diào)制器的輸出信號一起驅(qū)動高頻變壓器，通過高頻變壓器得到的高壓電源再經(jīng)整流濾波后，輸出直流高壓。輸出反饋信號經(jīng)光電隔離后反饋給脈沖調(diào)制器，通過與脈沖調(diào)制器中誤差放大器的基準(zhǔn)電壓比較，控制脈沖調(diào)制器的輸出占空比，以調(diào)節(jié)輸出電壓。 圖3-1系統(tǒng)原理框圖 第4章 電路設(shè)計要點4.1 PWM控制電路 系統(tǒng)采用的PWM調(diào)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(gòu)成一個軟啟動電路。設(shè)計軟啟動電路的目的是防止在電源突然開通時產(chǎn)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(jīng)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(guān)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(chǎn)生振蕩。為了消除這種寄生振蕩，應(yīng)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?xùn)艠O。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(chǎn)生的寄生振蕩。

18、圖4-1PWM電路圖4.2變壓器驅(qū)動電路圖4-2高壓變壓器驅(qū)動電路 驅(qū)動電路采用單端驅(qū)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(qū)動。11、14腳的單端并聯(lián)輸出。當(dāng)SG3524輸出高電平時，功率管導(dǎo)通，在電感L中儲能；輸出低電平時，功率管截止，導(dǎo)致流過電感L上的電流突然下降為零，L產(chǎn)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(qū)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(jīng)二極管VD2、VD3進行整流倍壓后，再經(jīng)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(jīng)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(jīng)隔離反饋后，從SG3524芯片的1腳輸入，控制占空比，進而調(diào)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(zhǔn)電壓比較后的電壓偏低，導(dǎo)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(diào)電阻，通過調(diào)節(jié)RW來調(diào)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(diào)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(yīng)時間為0.5s左右，電源系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)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(yīng)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(dāng)RW調(diào)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(yīng)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(jié) 論 采用單端反激式變換器，設(shè)計制作了一高壓開關(guān)電源。通過對所制作電源的性能測試可以得出，此高壓開關(guān)電源具有體積小、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點。能廣泛應(yīng)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(shè)計技術(shù)和多相工作技術(shù)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。總之，它與傳統(tǒng)方法相比降低了成本，并