开关电源设计技术.doc

1 引言开关电源是在电子、通信、电气、能源、航天航空、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电子电力装置。它具有电能转化效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性能好等有点，在小功率范围内基本上取代了线性调整电源，并迅速向中大功率范围推进，在很大程度上取代了晶闸管相控制电流电源。可以说，开关电源技术是目前中小功率直流电能变换装置的主流技术。根据应用领域和功率的等级不同，开关电源电路的结构种类繁多，控制方法灵活多样，其工程设计包括主电路、控制电路，传热、结构、电磁兼容等多方面内容，因此开关电源的设计工作较为繁琐，难度大。国内目前仍热以工程经验和防治为主进行设计，其缺点是缺少深入的理论基础，不能根据具体的应用去实现合理的设计，往往造成设计欲量过大，设计过程中对产品工作状况和实际性能的预见性比较差，经常出现样式制不成功而反复修改的设计情况，造成时间浪费。究其原因，设计工作不是设计实例的简单模仿和设计资料的拼凑，而是在理解的基本基础之上的再创造，因此，应该在深入理解开关电源电路、控制等基本原理上，在设计原则的指导下，利用设计公式，并遵循一定的设计方法进行设计，这样才能更加深入地对开关电源这门技术的提高，才能提高设计水平和质量，从而提高产品的质量，所以，我们很有必要对开关电源这门技术做深入的探讨与研究。2开关电源简单介绍 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间2.1开关电源的分类开关电源的分类:一、按开关器件、储能电感与负载的连接方式可分为串联式开关电源和并联式开关电源。二、按电源的启动方式可分为自激式开关电源和它激式开关电源。三、按稳压形式可分为调宽式开关稳压电源和调频式开关稳压电源。2.2开关电源的基本组成及工作原理图K-1是一串联开关电源的原理简易图,电路中的BG为开关晶体管,正常时工作在开关状态,D为续流二极管,L为电感线圈,是储能无件,C为滤波电容,R为负载 晶体管BG串在输入电源负载Rc 之间,在晶体管的基极输入开关脉冲信号,BG被周期性地开关而处于饱和导通和截止状态,二极管D类似于行输出电路中的阻二极管,开关晶体管处在相反的工作状态,在开关晶体管BG导通时, D则截止,而开关管BG截止时,D导通,从而使负载电路中有连续的电流流通,故称为续流二极管.当BG的基极输入正脉冲时,BG饱和导通,电压E加至续流二极管的负极,所以二极管D截止,输入电压E经BG-L1-C-Rc形成回路,回路电流经L向电容C充电,并向RL供电,当BG基极输入为负脉冲时,BG截止,根据电磁感应原理,此时L上的磁能转变为电能,L上所产生的电压为左负右正,此时D导通L上的感应电压通过D继续向电容充电同时也供给负载RL电流,这样由于D的存在维持了负载电流的连续性.这里L和C了良好的滤 波电路,滤去输出直流电压中的开关脉冲频率的波纹及其谐波。并联型开关电源是现在用得最多的电源,电脑显示器,彩电,电脑电源等均采用它,所以了解其工作原理,掌握其电路特点是每个电子人员所必需的  图K-3是并联型开关电源的最基本电路图,Q为开关输出管,T为脉冲变压器,D为整流二极管,C是滤波电容,R为负载电阻,因开关管Q与输入直流电压E1并接,所以属并联型开关电路,脉冲变压器耦合开关电路有正向激励和反向激励两种形式,正向激励方式-开关管导通期间,次级脉冲整流二极管也导通,而在截止期间,开关管Q与二极管D都截止.反向激励方式-开关管导通期间D截止,而Q截止期间D导通2.3开关电源特点1电压输入范围宽2高效率、低噪声、稳定可靠3成本低、体积小、重量轻、外围电路设计简单2.4开关电源中常见的原件识别与检测24.1、二极管 电源电路应用的二极管主要有工频整流管、高频整流管和稳压管3种。1.工频整流管用数字万用表“二极管”档测正向导通阻值时屏幕显示的数据在580欧姆左右，反向阻值为无穷大。无论原机300V电源采用何种型号的整流管，维修时均可用1N5404或1N5408更换。 2.高频整流管 用数字万用表“二极管”档测量正向导通阻值时屏幕显示的数据多在300-500欧姆之间，测量反向阻值是屏幕上显示的数字是1，说明阻值为无穷大。 3稳压管 稳压管必须用原型号的管子更换等2.4.2、三极管三极管有PNP型和NPN型两种1.类型的判别根据三极管所标的符号可判别管子的类型，比如，2SAXXX、2SBXXX属于PNP型三极管，2SCXXX、2SDXXX属于NPN型三极管。而此类三极管中间的引脚均为集电极（C），所以判断出基极（B）后，自然就知道发射极（E）了。将数字万用表置于“二极管”档，黑表笔接其中一个未知引脚，而红表笔接C极和另外一个引脚时，万用表屏幕上显示的数字均为700欧左右，则说明被测三极管是PNP型，并且黑表笔接的引脚是B极。反之，若红表笔接其中一个未知引脚，而黑表笔接C极和另外一个时，屏幕上显示的数字均为700欧左右，则说明被测三极管是NPN型，并且红表笔接的引脚是b极。2.放大倍数的检测确认被测三极管的引脚后，将引脚对应插入放大倍数测试插孔（标有B、C、E）内，屏幕上便显示出被测三极管的放大倍数。采用测量放大倍数的方法，也可判别不易判别引脚的三极管。2.4.3场效应管目前，部分大屏幕彩电开关电源的开关管采用大功率型场效应管。1.引脚的判别由于此类场效应管不但中间的引脚均为漏极（D）,而且在D极与源极（S）之间接有一个用做保护的二极管 ，所以判断出S极后，自然就知道控制极(G)了。将数字万用表置于“二极管”档，红表笔接其中一个未知引脚，而黑表笔接D极时，屏幕上显示500欧左右的数字，说明红表笔接的引脚是S极。而G极与D极、S极无论正、反向测试时阻值均为无穷大。2.好坏的判断 将数字万用表置于“二极管”档，红表笔接D极、黑表笔接S极时，将红表笔将D极、G极短接一下，屏幕显示的数值为150欧左右，将表笔互换后，屏幕显示的数值为40欧左右，说明该管能够触发导通。用表笔将3个极同时短接，再测d极、S极间的阻值一向为无穷大，说明该管能够关断。2.4.4晶闸管晶闸管与场效应相同，测量其各个极间阻值时仅有一次屏幕上显示的数值为700欧左右，此时黑表笔接的引脚是阴极（K），红表笔接的是控制极（G），剩下的引脚是阳极（A）。单向晶闸管也有被外信号触发后导通的性能，触发方法与场效应管相同。3开关电源单元电路的分析3.1开关电源基本电路3.1.1整流电路整流电路的作用是将交流电压转换为300V左右的直流电压，开关电源电路中通常采用桥式整流电路：桥式整流电路是使用最多的一种整流电路。这种电路，只要增加两只二极管口连接成“桥”式结构，便具有全波整流电路的优点，而同时在一定程度上克服了它的缺点。 3.1.2滤波电路半波整流电容滤波电路如图Z0710所示。其滤波原理如下：  电容C并联于负载 RL的两端，uLuC。在没有并入电容C之前，整流二极管在u2的正半周导通，负半周截止，输出电压uL的波形如图中红线所示。并入电容之后，设在 t=0时接通电源，则当u2由零逐渐增大时，二极管D导通，除有一电流iL流向负载以外还有一电流iC向电容C充电，充电电压uC的极性为上正下负。31.3稳压电路 为了使开关电源的输出电压不因市电电压、负载电流变换而变换，必须通过稳压电路来对开关管的导通时间进行控制，达到稳定输出电压的目的。稳压电路主要有取样电路、基准电压源、误差放大器、光电耦合器和脉冲调制电路等组成3.1.4保护电路 1过压保护回路 为了避免各种因素原因引起的输出电压升高，而造成负载电路的元器件损坏，一般都设置过压保护电路，方法有多重,有的在输出电压和地之间并联晶闸管的，一旦电压样本电路检测到输出电压升高，就会触发晶闸管通，起到过压保护功能，也可以在检测到输出电压值升高，直接控制开关管的正当过程，使开关电源停止工作2过流保护电路 主要是热继电器动作，当电气设备由于超负荷运行，其工作电流大于正常工作电流，经整定时间后热继电器动作，电气设备跳闸停电。起到保护设备的作用。 3欠压保护电路 再市电电压过低时，将引起激励脉冲幅度不足，导致开关管因开启损耗大而损坏，因此，有些开关电源设置了欠压保护电路，3.15功率转换电路在现代电力电子技术中，电力变换有下列几种，AC-DC（即AC转换成为DC，其中AC表示交流电，DC表示直流电）称为整流，DC-AC称为逆变，AC-AC称为交流-交流变换，DC-DC称为直流-直流变换。高频半导体功率器件出现后，用半导体功率器件作为高速开关，使其在开关状态下工作，实现能量转换的电路，称为开关变换器电路。利用闭环反馈控制稳定变换器的输出，再加上保护环节等，即可构成开关电源（Switching Power Supply）。开关电源主要组成部分是DC-DC变换器，它是功率转换的核心。4主电路设计4.1开关电源的主要技术指标4.11输入参数1输入电压 ： 交流国内、国际标准，通用电压范围 。2输入频率 ：民用、工业为50Hz，航空、航天及船舶为400Hz 。 及船舶为3输入相数 ：单相、三相，与功率有关。4输入电流：额定输入电流和最大电流 。5输入功率因数和谐波：标准规定，采取措施。4.1.2 输出参数 1 输出电压：额定值和调节范围。2 输出电流：额定值；过载倍数； 3 稳压、稳流精度：正负误差带。 4 纹波： 纹波： 类型高频噪声、开关频率纹波、低频纹波。5 效率：额定条件下的输入有功功率和输出功率之比。 4.1.3 电磁兼容性能指标 1 电磁兼容性：电磁敏感性和电磁干扰电子装置抵抗外来干扰的能力和自身产生的干扰强度。 2 各国有关电磁兼容的标准很多，开关电源产品一 各国有关电磁兼容的标准很多， 般用通用标准(IEC61000 (IEC610004 GB/T17626系列 系列) 4.2 主电路设计4.2.1 主电路电路的选型 1 反激型电路：功率小于100W的电源。2正激型电路：100W以上功率，且工作环境干扰很大、输入电压质量恶劣、输出短路频繁。 3半桥型电路：功率大于500W，工作条件较好， 4全桥型电路：功率很大，工作条件较好。 5推挽型电路：输入电压很低、功率较大。4.2.2 硬开关与软开关电路的选择1 一般情况下采用硬开关电路。对效率、体积和重量的要求非常高时，可以采用相应的软开关电路。2 软开关是未来电源技术的主流。 4.2.3正激型、推挽型、半桥型和全桥型电 正激型、推挽型、 正激型 路的主电路元器件参数的计算。1变压器的设计 ：设计的参数：电压比、铁心的形式和尺寸、各绕压比、导体截面积和绕组结构等。2铁心的选取： 铁心的选取 PT Ae Aw = f S Bjc kc AP法，计算出Ap，在厂家的产品手册中选择 法 计算出 ， 合适的铁心型号，使其形状和尺寸满足要求。 3绕组匝数：绕组匝数 T，通常先计算二次匝数 SV = uT dt 0 ， SV为绕组承受的最大伏-秒面积 为绕组承受的最大伏，其计算可简化为电压和脉冲宽度的乘积 on SV N = B Ae 不同的电路SV不同: 正激；半桥、全桥、 正激；半桥、全桥、推挽 U OTS U OTS N2 = N2 = 2BAe BAe 4 绕组导体截面 Ac = I jc 根据流过绕组的电流值和预先选定的电流密度， 即可计算出。 即可计算出。 4.2.4输出滤波电路的设计 滤波电路：单级LC滤波电路，二级LC滤波电路 (1) 滤波电感的设计确定电感量：由输出电压、电流和开关频率，电流最大纹波值决定。 (2)滤波电容的确定 根据产品手册确定滤波电容： 5开关电源控制电路设计5.1 控制电路结构和主要组成部分的原理 控制电路的结构调节器PWM驱动基准源保护并机均流反馈封锁信号去主电路电压/电流/温度连接并机线u*i*ufif1、驱动电路驱动电路是控制电路与主电路的接口，同开关电源的可靠性、效率等性能密切相关。2调节器电路调节器的作用是将给定量和反馈量进行比较和运算，得到控制量。调节器的核心是运算放大器。3并机均流电路开关电源经常需要并机组成系统运行，以获得更大的容量和更高的可靠性。4保护电路控制电路应包含保护电路，保护电路包含自身保护和负载保护两方面的功能。一旦出现故障，立即使开关电路停止工作，并以声或光的形式报警，以保证在任何情况下，自身不损坏，并且不损坏负载。自我保护功能：输入过电压，系统过热，输入欠电压、过电流负载保护功能：输出过电压，输出欠电压输入过电压、输入欠电压、过热保护电路中，应采用滞环比较器，以便在故障情况消失后，电源可以自动恢复工作。过电流保护电路应采用锁存器将过电流信号锁存。并且，锁存器应附加复位电路，以便在故障排除后重新开始工作，或者采用时间较长的延时复位电路，以降低过电流保护的频度。5.2PWM控制电路作用:将在一定范围内连续变化的控制量(模拟信号)转换为PWM信号，该信号的开关频率固定，占空比跟随输入信号连续变化。集成PWM控制器分为：电压模式控制器，电流模式控制器，峰值电流模式，平均电流模式，电荷模式常见的集成PWM控制器内部电路的典型结构如图+-基准源欠电压保护封锁振荡器分频器驱动A驱动BPWM比较器+-ucEA通常集成PWM控制器将误差电压放大器（EA）、振荡器、PWM比较器、驱动、基准源、保护电路等常用开关电源控制电路集成在同一芯片中，形成功能完整的集成电路：基准源：提高稳定度的基准电压，作为电路中给定的基准。振荡器：产生固定频率的时钟信号，以控制开关频率。误差电压放大器：实际上是一个运放，用来构成电压或电流调节器。PWM比较器：将调节器输出信号uc转换成PWM脉冲的占空比。驱动电路：结构通常为推挽结构的跟随电路，用来提供足够的驱动功率，以有效地驱动主电路的开关器件。5.3 电压模式控制电路的设计5.31、电压调节器结构形式开关电源通常都要求有较高的输出电压稳压精度，一般要求达到2%以内，较好的电源应该优于0.5%，这样高的稳态精度采用P调节器很难达到，因此，电压调节器的结构形式都采用PI或PID调节器，由于积分环节的存在，理论上，输出电压的稳态误差为零。实际电路中，由于运放零偏、漂移和基准源与反馈电路的误差等问题，实际稳态误差不会为零，但已可以达到较高的精度。调节器的电路形式如图所示：+-ucR1RufurR2+-ucR1RufurR2C1+-Uc R1RufurR2C2C1uf :电压反馈uc :控制量ur :电压参考信号，是电压给定在电压模式控制中，控制量用来直接控制占空比。在电流模式控制中，电压调节器的控制量作为电流环的给定信号，用来控制输出电流PI调节器具有1个零点，而PID调节器具有2个零点。通常电压调节器都采用PI调节器，其结构简单，参数整定比较容易。在某些动态性能要求较高的电源中，可采用PID调节器。注意：微分环节的引入会导致反馈信号中高频成分被放大，容易受到高频信号的干扰。5.4峰值电流模式控制电路的设计峰值电流模式控制系统包括：电流反馈控制环电压反馈控制环注意：电流环是内环，应先设计；电压环是外环，后设计。峰值电流环需要通过设计过程来确定的参数主要是：峰值电流比较补偿斜率，按如下公式设计因为M1>0,M2>0，因此，可以选取Mc的公式为在峰值电流控制电路的设计过程中，需要根据电路参数计算M1和M2的变化范围，并选取合适的Mc，使Qs在M1和M2的变化范围内都保持正值。电流闭环的传函为表明：电流环相当于一个二阶振荡环节，其共轭极点的频率为开关频率对应角频率的1/2，其阻尼系数由Qs决定。5.5平均电流模式控制电路设计 平均电流模式控制电路的设计同峰值电流控制电路，即先设计电流环的参数。不同之处：电流环采用PI调节器，需要确定两个参数比例系数、零点。调节器比例系数Kp的计算原则：保证电流调节器输出信号的上升段（对应电感电流下降段）的斜率比锯齿波斜率小。满足这个条件，电流环稳定。零点的计算原则：通常选择在较低的频率范围内，可选在开关频率所对应的角频率的1/101/20处，以获得在开环截止频率处较充足的相位裕量很多情况下，还可以在PI调节器的中增加一个位于开关频率附近的极点，用来消除开关过程中产生的噪声对控制电路的干扰。这样的PI调节器的结构如图8-15。该PI调节器的传函为：+-待添加的隐藏文字内容3Uc R1RufurR2C2C1由此看出，该PI调节器由1个积分环节、1个极点和1个零点构成。零点由R2和C1决定，极点由R2与C1串C2决定。经过这样的设计，平均电流模式控制系统的电流闭环特性与峰值电流模式控制系统电流闭环非常相似，其闭环特性仍可以等效为一个二阶振荡环节，其共轭极点的频率为开关频率对应角频率的1/2，因此，可以采用相同的方法设计电压调节器的参数。结 论开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高薪技术领域的应用，推动了开关电源的发展前进，每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。另外，开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。要想做到开关电源这些优点，我们必须一步一个脚印，只有对这些基本知识的明确掌握，对主控电路多种设计的基本知识掌握，这样才能提高国内开关电源设计的正确性，合理性和规范性，提高设计的水平和质量，从而最终提高产品的质量。致 谢行文至此，我的这篇论文已接近尾声；岁月如梭，我三年的大学时光也即将敲响结束的钟声。离别在即，站在人生的又一个转折点上，心中难免思绪万千，一种感恩之情油然而生。 育我成才者老师，这篇论文是在颜老师的的悉心指导与鼓励下完成的。颜老师为我提供了良好的实验条件，在申请和开展项目、撰写论文等方面提供了很多专业性的指导。颜老师渊博的学识、严谨的治学态度、精益求精的工作作风和诲人不倦的高尚师德，都将深深地感染和激励着我。在三年的时光里，颜老师不仅在学业上给我以悉心指导，同时还在思想、生活上给我以无微不至的关怀，在此谨向颜老师以及机电系所有的老师致以诚挚的感谢！感谢水质2008级的同学们。三年来，是同学让我的大学生活变得更加丰富多彩，我们一起亲历了大学的别样生活，愿同窗友谊之树长青。参 考 文 献1 王兆安，黄俊主编，电子电力技术.第四版.北京：机械工业出版社，20002 叶治政，叶靖国，开关稳压电源.北京：高等教育出版社，19893 王水平，贾静，方海燕，藏毅，白丽娜.开关电源原理与设计（M）.北京：人民邮电出版社，20084 张丽华，开关电源.北京：高等教育出版社，20035 刘建清，开关电源维修入门到精通.北京：人民邮电出版社，2010.86 杨旭，裴云庆，王兆安编著，开关电源技术.北京：机械工业出版社，2004.17 朱吉普，俞丽华，电子变压器，成都：电子科技大学出版社，19948 钱照明，程肇基.电力电子系统电兼容设计基础及干扰抑制技术.杭州：浙江大学出版社，20009王水平，付敏江编著,开关稳压电源原理设计与实用电路.西安：西安电子科技大学出版社，1997。