开关电源毕业设计.docx

1、绪论 1.1开关电源的工作原理与组成1.1.1 工作原理1.交流电源输入经整流滤波成直流。2.通过高频PWM(脉冲宽度调制)信号控制开关管,将那个直流加到开关变压器初级上。3.开关变压器次级感应出高频电压,经整流滤波供给负载。4.输出部分通过一定的电路反馈给控制电路,控制PWM占空比,以达到稳定输出的目的。 插图11.1.1开关电源的组成开关电源的基本组成如图2所示。其中DC/DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是PWM信号、PFM信号或

2、其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。插图21.1.3开关电源的特点开关电源具有如下特点：(1) 效率高。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在80%90%，高的可达90%以上。 (2) 重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，从而使其重量只有同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小了。(3) 稳压范围宽。开关电源的交流输入电

3、压在90270 V内变化时，输出电压的变化在2%以下。合理设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。(4) 安全可靠。在开关电源中，由于可以方便地设置各种形式的保护电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠。(5) 功耗小。由于开关电源的工作频率高，一般在20 kHz以上，因此滤波元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。1.2开关电源的分类1. 按电路的输出稳压控制方式分类1)脉冲宽度调制(

4、PWM)式2)脉冲频率调制(PFM)式3)脉冲调频调宽式2. 按开关电源的触发方式分类1) 自激式开关电源2) 它激式开关电源3. 按电路的输出取样方式分类1) 直接输出取样开关电源2) 间接输出取样开关电源4. 按连接方式分类1)单端正激开2)关电源3)单端反激开关电源4)半桥开关电源和全桥开关电源5. 按输出方式1)串联开关电源2)并联开关电源1.3 开关电源的主要技术指标(1) 输入电压变化范围：当稳压电源的输入电压发生变化时，使输出电压保持不变的输入电压变化范围。这个范围越宽，表示电源适应外界电压变化的能力越强，电源使用范围就越宽。它和电源的误差放大、反馈调节电路的增益以及占空比调节范

5、围有关。目前开关电源的输入电压变化范围已做到90270 V，可以省去许多电器中的110 V/220 V转换开关。(2) 输出内阻Ro：输出电压的变化量Uo与输出电流的变化量Io的比值。这个比值越小，表示电源输出电压随负载电流的变化越小，稳压性能越好。(3) 效率：电源输出功率Po与输入功率Pi的比值。这个比值越高，开关电源的体积越小，同时可靠性也越高。目前开关电源的效率可达到90以上。(5) 输出电压调节范围：由于电源的输出电压只和基准电压与输出取样电路的元器件参数有关，因此，输出电压调节范围反映在线性电源上是稳压调整管集电极电流的变化范围，反映在开关电源上是开关调整管脉冲占空比D的变化范围。

6、(6) 输出电压稳定性：输出电压随负载变化而变化的特性，这个变化量越小越好。它主要和反馈调节回路的增益及频响特性有关。反馈调节回路增益越高，基准电压UE越稳定，输出电压Uo的稳定性就越好。(7) 输出功率Po：电源能输出给负载的最大功率，它和负载功率有关。为了保证电源安全，要求输出功率有2050的裕量。1.4 开关电源的发张和趋势自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在70年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、

7、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求。随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接元件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近年来高反压MOS大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从20kHz提高到150-200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更

8、小，重量更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了很高的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。在70年代后期，功率在100w以上的开关电源是有竞争力的。到1980年，功率在50w以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到80年代后期，电子设备的消耗功率在20w以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入90年代后，其成本下降非常显著，当然这包括了功率元件，控制元件和磁性元件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。1. 总体设计方案 高稳定度直流电源设计一文就是要

9、设计一个在工频电网电压变化较大时，仍能保证有较稳定的输出电压的开关电源。其系统要求为：输入电压为22020%，即85V（）265V（），输出功率为288W(24V/12A)，开关电源工作频率为100kHz，效率85%，占空比为50%。1.1 设计方案的提出1） 方案一 正激式变换器正激式变换器开关电源输出电压的瞬态控制特性和输出电压负载特性，相对来说比较好，因此，工作比较稳定，输出电压不容易产生抖动，在一些对输出电压参数要求比较高的场合，经常使用。插图3正激式变换器开关电源工作原理：所谓正激式变换器开关电源，是指当变压器的初级线圈正在被直流电压激励时，变压器的次级线圈正好有功率输出。图2-1是

10、正激式变换器开关电源的简单工作原理图，图2-1中Ui是开关电源的输入电压，T是高频变压器，K是控制开关，L是储能滤波电感，C是储能滤波电容，D2是续流二极管，D3是削反峰二极管，R是负载电阻。需要特别注意的是高频变压器初、次级线圈的同名端。如果把高频变压器初线圈或次级线圈的同名端弄反，图 2-1就不再是正激式变换器开关电源了2） 方案二 反激式变换器反激式变换器开关电源工作原理比较简单，输出电压控制范围比较大，因此，在一般电器设备中应用广泛。所谓反激式变换器开关电源，是指当变换器的初级线圈被直流电压激励时，变换器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变换器初级线圈的激励电压被关断后，才向负载

11、提供功率输出，这种变换器开关电源称为反激式开关电源。Ui是开关电源的输入电压，T是高频变压器，K是控制开关，C是储能滤波电容，R是负载电阻。图 2-2（b）是反激式变换器开关电源的电压输出波形。3） 方案三 半桥变换器 为了减小开关三极管的承受电压，可以采用半桥式变换器，它是开关电源比较好的拓扑结构。电容C1、C2与开关晶体管VT1、VT2组成变换器，如图2-3所示。桥的对角线接高频变压器TR的初级绕组。如果C1、C2容量、耐压均相等，在某一只开关晶体管导通时，绕组上的电压只有电源电压Vin的一半。在稳定的条件下，VT1导通，C1上的电压1/2 Vin加在变压器的初级线圈上。由于初级绕组和漏感

12、的作用，电流继续流入初级绕组黑点标示端。如果变压器初级绕组漏感储存的电能足够大，二极管VD6导通，钳位电压进一步变负。在VD6导通的过程中，反激能量对C2进行充电。连结点A的电压在阻尼电阻的作用下，以振荡形式最后回到中间值。如果这时VT2的基极有触发脉冲，则VT2导通，初级绕组黑点标示端电压变负，Ip电流加上磁化电流流经初级绕组和VT2，然后重复前面的过程。不同的是Ip变换了方向。二极管VD5对三极管VT1的导通钳位，反激能量再对电容C1进行充电。 图2-3半桥式变换器工作原理图 该电源采用半桥式变换电路，如图2-3所示，其工作频率50kHz，在初级一侧的主要部分是Q4和Q5功率管及C34和C35电容器。Q4和Q5交替导通、截止，在高频变压器初级绕组N1两端产生一幅值为U1/2的正负方波脉冲电压。能量通过变压器传递到输出端，Q4和Q5采用IRFP460功率MOS管。1.2 方案的论证 正激式变换器的优点是铜损低，因为使用无气隙磁芯，电感量较高，变压器的峰值电流比较小，输出电压纹波低；缺点是电路较为复杂，所用元器件多，如果有假负载存在，效率将降低。它适用于低电压、大电流的开关电源，多用于150W以下的小功率场合。所以不用方案一。 综上 用半桥型电路