開題報(bào)告開關(guān)電源的PCB設(shè)計(jì)

第7頁共7頁開題報(bào)告-開關(guān)電的PCB設(shè)計(jì)|開題報(bào)告電氣工程及自動化開關(guān)電的PCB設(shè)計(jì)一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義1.1本課題選題的依據(jù)和意義：隨著計(jì)算機(jī)、電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來越多，電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切。任何電子設(shè)備都離不開可靠的電，它們對電的要求也越來越高。電子設(shè)備的小型化和低成本化，使電以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向[1]。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電。這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓電技術(shù)比較成熟，并且已有大量集成化的線性穩(wěn)壓電模塊，具有穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠等優(yōu)點(diǎn)。但通常都需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器。由于調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射機(jī)之間必須承受較大的電壓差，導(dǎo)致調(diào)整管功耗較大，電效率很低，一般只有45%左右。另外，由于調(diào)整管上消耗較大的功率，所以需要采用大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器，很難滿足現(xiàn)代電子設(shè)備的發(fā)展要求[2]。在近半個多世紀(jì)的發(fā)展過程中，開關(guān)電因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)制造的連續(xù)工作電，并在電子整機(jī)與設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用[3]。在電力電子線路方面，高頻化已成為發(fā)展的重要趨勢。開關(guān)電的高頻化是電技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)，高頻化帶來的效益是使開關(guān)電裝置空前地小型化，并且是開關(guān)電計(jì)入更廣泛的領(lǐng)域，特別在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化[4]。另外，開關(guān)頻率的提高也是的電的電磁干擾問題變得突出起來。為了解決這一問題，20世紀(jì)80年代，出現(xiàn)了采用準(zhǔn)諧振技術(shù)的零電壓開關(guān)電路和零電流開關(guān)電路，這種技術(shù)被稱為軟開關(guān)技術(shù)。雖然近年來使用軟開關(guān)的高頻開關(guān)直流電己經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但是大部分都是在中小功率的場合。而在大功率場合（像大型機(jī)車、通訊基站等）普遍采用的都是硬開關(guān)[5]。提高在大功率場合中的軟開關(guān)的應(yīng)用是非常必需的。開關(guān)電技術(shù)的成熟,實(shí)現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展和社會發(fā)展要求，開關(guān)電技術(shù)吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進(jìn)行開發(fā)研究。開關(guān)電代替線性電和相控電是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動,并將很發(fā)展起來[6]。還有其它許多以開關(guān)電技術(shù)為核心的專用電、工業(yè)電正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。1.2開關(guān)電的國內(nèi)外研究動態(tài)：1.2.1開關(guān)電發(fā)展史國內(nèi)的研究動態(tài)：21世紀(jì)我國通信、信息、家電和國防等領(lǐng)域的電普遍采用高頻開關(guān)電，相控電將逐漸被淘汰。國內(nèi)開關(guān)電技術(shù)的發(fā)展，基本上起于20世紀(jì)70年代末和80年代初。當(dāng)時引進(jìn)的開關(guān)電技術(shù)在高等院校和一些科研院所停留在試驗(yàn)開發(fā)和教學(xué)階段[7]。20世紀(jì)80年代中期開關(guān)電產(chǎn)品開始推廣和應(yīng)用。20世紀(jì)80年代開關(guān)電的特點(diǎn)是采用20KHz，脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，效率可達(dá)65%—70%。經(jīng)過20多年的不斷發(fā)展，開關(guān)電技術(shù)有了重大的進(jìn)步和突破。新型功率器件的開發(fā)促進(jìn)了開關(guān)電你的高頻化，功率MUSFEET和IGBT可使中小型開關(guān)電工作頻率達(dá)到400kHz，（AC/DC）或1MHz（DC/DC）；軟開關(guān)技術(shù)使高頻開關(guān)電的實(shí)現(xiàn)有了可能，它不僅可以減少電的體積和重量，而且提高了電的功率，國產(chǎn)6kW通訊開關(guān)電，采用軟開關(guān)技術(shù)，效率可達(dá)到93%[8]。1.2.2開關(guān)電發(fā)展方向新型半導(dǎo)體器件的發(fā)展是開關(guān)電技術(shù)進(jìn)步的龍頭，電力電子技術(shù)的進(jìn)步必須依靠不斷推出新型電力電子器件。功率場效應(yīng)管（MOS-FET）由于采用單極性多子導(dǎo)電，是開關(guān)時間顯著地減小，又因其很容易達(dá)到1MHz的開關(guān)工作頻率而受到世人矚目。對于肖特基二極管的開發(fā)，最近利用trench結(jié)構(gòu)，有望出現(xiàn)壓降更小的肖特基二極管，它被稱作TMBS溝槽MOS勢壘肖特基二極管，有可能在極低電電壓應(yīng)用中與同步整流的MOS-FET競爭[9]。作為半導(dǎo)體器件材料的硅應(yīng)用在半導(dǎo)體器件中已有50余年，硅性能潛力的進(jìn)一步挖掘時很難的，目前正在研究高性能的碳化硅半導(dǎo)體器件，一旦成功，對于電技術(shù)的影響將是革命性的[10]。此外，平面變壓器、壓電變壓器及新型電容等原件的發(fā)展，也將對電技術(shù)的發(fā)展起到重要作用。另外，集成化是開關(guān)電的一個重要發(fā)展方向。通過控制電路的集成、驅(qū)動電路的集成以及保護(hù)電路的集成，最后達(dá)到整機(jī)的集成化生產(chǎn)。集成化和模塊化減少了外部連線和焊接，提高了設(shè)備性能的可靠性，縮小了電的體積，減輕了重量。目前，DC/DC開關(guān)電的功率可達(dá)到。電路集成的進(jìn)一步發(fā)展方向是系統(tǒng)集成，如現(xiàn)在的逆變器是將200-300個零件裝配在一起成為一個系統(tǒng)。這種做法要花很多時間和人力，成本高，難于做得體積很小[11]。美國VI-COR公司生產(chǎn)的第一代電模塊受生產(chǎn)技術(shù)、功率、磁元件體積以及封裝技術(shù)的限制，功率密度始終未能超過。近年來推出的第二代電模塊，內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變?yōu)槟K式，達(dá)到高度集成化和全面電腦化，功率密度已經(jīng)達(dá)到[12]。功率因數(shù)的校正是開關(guān)電研究的另外一個方向。功率因數(shù)校正的概念起于20世紀(jì)80年代，但被重視和推廣則是在80年代末期和90年代[13]。歐洲和日本相繼對開關(guān)電裝備的輸入諧波要求制定了標(biāo)準(zhǔn)。目前有兩個標(biāo)準(zhǔn)，即IEC555-2和IEC10000-3-2。這使得研究PFC技術(shù)已經(jīng)成為電界的熱點(diǎn)[14]。通常有兩大類PFC技術(shù)：一類是無PFC技術(shù)，另外一類是有PFC技術(shù)。前者采用無元件來改善輸入功率因數(shù)，減小電諧波，以滿足標(biāo)準(zhǔn)要求。后者則采用一個變壓器串入整流濾波與DC/DC變換器之間，通過特殊的控制，第一強(qiáng)迫輸入電流跟隨輸入電壓，從而實(shí)現(xiàn)單位功率因數(shù)，第二反饋輸出電壓便隨之穩(wěn)定，從而使DC/DC變換器的輸入實(shí)現(xiàn)隱喻[15]。隨著開關(guān)電性能的不斷提高，對于開關(guān)電的要求也愈來愈高。一個開關(guān)電的品質(zhì)除了電性能指標(biāo)外，還有許多其他指標(biāo)，如環(huán)境溫度、外形尺寸、EMI要求、抗振動要求、可靠性指標(biāo)、集成度和美觀性等[16]?？傊?，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性事大勢所趨，也是今后的主要研究方向。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題：2.1研究的基本內(nèi)容：開關(guān)電通常都包含四個電流回路：電開關(guān)交流回路、輸入信號電流回路、輸出整流交流回路和輸出負(fù)載電流回路。這些交流回路電流中諧波成分很高，其頻率遠(yuǎn)大于開關(guān)頻率，峰值幅度很高。這三個回路最容易產(chǎn)生電磁干擾，因此必須在電中其它印制線布線之前先布好這些交流回路。因此，研究的內(nèi)容如下：（1）開關(guān)電的總體結(jié)構(gòu)框圖（2）開關(guān)電的典型結(jié)構(gòu)的選擇（3）功率模塊及功率集成電路的選擇（4）確定開關(guān)電的主電路圖（5）設(shè)計(jì)開關(guān)電的控制電路（6）整體元器件的選擇和計(jì)算（7）繪制電路圖，制作PCB板2.2解決的主要問題：(1)確定開關(guān)電主電路結(jié)構(gòu)(2)功率模塊及功率集成電路的選擇(3)各個回路電流中的電子器件的選用(4)PCB板制作過程中元器件的排線放置三、研究步驟、方法及措施：步驟及方法：(1)了解國內(nèi)外開關(guān)電的發(fā)展方向和研究動態(tài)。(2)熟悉開關(guān)電的工作原理及設(shè)計(jì)流程。(3)結(jié)合所設(shè)計(jì)電路圖選擇合理的元器件。(4)利用AltiumDesignerSu