开关电源设计论文 (2).doc

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1、开关电源设计论文.txt33学会宽容，意味着成长，秀木出木可吸纳更多的日月风华，舒展茁壮而更具成熟的力量。耐力，是一种不显山石露水的执着；是一种不惧风不畏雨的坚忍；是一种不图名不图利的忠诚。 本文由图个鸟贡献 doc文档可能在WAP端浏览体验不佳。建议您优先选择TXT，或下载源文件到本机查看。 开关电源的基本原理及发展趋势 常州信息职业技术学院 学生毕业设计（论文）报告 系 专 班 别： 业： 号： 机电工程学院 机电一体化 学 生 姓 名： 学 生 学 号： * * * 设 （ 文 题 ： 开关电源的基本原理及发展趋势 计论 ）目 指 导 教 师： 设 计 地 点： 起 迄 日 期： * *

2、 * 常州信息职业技术学院 10.7.2 10.8.20 1 开关电源的基本原理及发展趋势 毕业设计（论文）任务书 专业 一、课题名称： 班级 姓名 开关电源的基本原理及发展趋势 二、课题应达到的要求： (1) 通过本次的毕业设计，阐述开关电源的一些基本知识以及它们在日常生活中的应用 (2) 开关电源的基本原理和它的发展趋势，以及它们在日常生活中的应用 (3) 高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化 三、主要工作内容 (1) 阐述开关电源的一些基本知识以及它们在日常生活中的应用 (2) 以具体的实例和图表等来阐述开关电源的原理、高频化以及怎样解决在日常生活中 出现的问题 四、主要参考文献：

3、 1 2 3 4 5 6 叶慧贞，开关稳压电源.M北京：国防工业出版社，1993 杨志民，杜文广,董银虎.开关电源的尖峰干扰及其抑制.电源技术应用M，20008 钱照明，开关电源的 EMC 设计J.电源世界，2002 (3):4650 张占松，蔡宣三编著.开关电源的原理与设计M.北京:电子工业出版社，1998 王淑兰，开关电源的噪声抑制J.电子技术，1991 朱文立，开关电源的电磁骚扰抑制技术J.电子质量，2002 学 生（签名） * * * 年 年 年 年 月 月 月 月 日 日 日 日 指 导 教师（签名） * * * 教研室主任（签名） 系 主 任（签名） 2 开关电源的基本原理及发展趋

4、势 摘 要：本文介绍一种以 KA3525 作为控制核心，根据 KA3525 的应用特点，设计了一种基于该电流型 PWM 控制芯片、实现输出电 压可调的开关稳压电源电路。开关电源是利用现代电子技术，控制开 关晶体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）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。开关电源比普通的线性电源效率高，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。 关键词：KA3525、开关电源、PWM 关键词 目录 绪论3 第一章 开关电源介绍

5、1 11 开关电源的发展史2 111 国际发展状况3 112 国内发展情况4 12 开关电源优缺点5 121 开关电源优点6 122 开关电源缺点7 第二章 开关电源种类8 2. 1 按激励方式划分9 按调制方式划分1 按功率开关的类型划分2 按功率开关的连接方式划分3 按输入和输出电压的大小划分4 按工作方式划分5 按电路结构划分6 2. 2 23 24 25 26 27 第三章 系统设计7 3.1 3.1.1 3.1.2 主电路的整体简介8 它激型推挽式电路工作原理9 驱动电路1 3 开关电源的基本原理及发展趋势 3.1.3 3.1.4 3.1.5 3.2 KA3525 工作原理2 死区时

6、间设置3 检测电路4 参数设计5 3.2.1 输入滤波电容6 3.2.2 原副边变比7 3.2.3 输出滤波电容的选择7 第四章 实际工作中遇到的问题及解决方法8 总结 参考文献 4 开关电源的基本原理及发展趋势 绪论 电子技术的高速发展，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而 电子设备都离不开可靠的电源，进入 90 年代开关电源相继进入各种电子、电器 设备领域，程控交换机、通讯、电力检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地 使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电子 技术，控制开关晶体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

7、调制（PWM）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。开关电 源比普通的线性电源效率高，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。 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，开关电源比普通线性电源体积小，轻便化，更便于携 带。 第一章 11 111 开关电源介绍 开关电源的发展史 国际发展历史 1955 年，美国的科学家罗耶首先研制成功了利用磁心的磁饱和来进行自激 振荡的晶体管直流变换器。20 世纪 60 年代末，由于微电子技术的快速发展，高 反压

8、、大电流的功率开关晶体管出现，从此，直流变换器就可以直接由工频电网 电压经整流、滤波后输入供电，终于将体积大、重量重、效率低的工频降压变压 器甩掉了，从而迅速地扩大了它的应用范围，在此基础上诞生了无工频变压器的 开关稳压电源。 目前面临四个困难： （1）随着电力电子技术和微电子技术的高速发展以及集成度高、功能强的大 规模集成电路的不断出现，电子设备的体积在不断地缩小，重量在不断地减轻， 内部功率损耗在不断地减小。因此开关电源的小型化、微型化、模块化就成了技 术人员研究和探讨的核心。 （2）开关电源的效率与功率开关的变换速度成正比，要进一步提高开关电源 5 开关电源的基本原理及发展趋势 的转换效

9、率，就必须提高其工作频率。但是，当工作频率提高以后，对整个电路 中的元器件又有了新的要求。例如，高频电容、储能电感等新问题。 （3）开关电源电路中的功率开关工作在频率较高的开关状态，其高频电压和 电流就会产生较强的尖峰干扰和谐振噪声。随着开关电源的发展，虽然这些缺点 得以改进， 但是在一些对输出稳定度和输出纹波要求较高的精密电子测量仪器和 仪表中，却不能得到使用。所以，克服开关电源的这一缺点，进一步提高它的输 出稳定度和降低它的输出纹波电压，扩大它的适用范围，就成了第三个困难。 （4）寻求新的驱动方式和新的功率开关去解决驱动导通的上升时间内损耗、 驱动关断的下降时间内的损耗、 导通后由于管压降

10、不能为零而产生的损耗和关断 后由于漏电流不能为零而引起的损耗这将成为第四个困难。 随着科技人员不断努力探索， 终于研制出了具有零流关断和零压开通的复合 ，综合性能优势在门极驱动与保 功率开关 IGBT（芯片：IXDN404、SIE20031） 护。这种复合功率开关 IGBT 把晶体管和 MOSFET 管的优点集于一体，既具有 MOSFET 管的输入驱动所需功率非常小的输入特性，又具有晶体管的导通后管 压降非常小的输出特性。解决如上不少的难题，实现了突破性的进展。 112 国内发展情况 我国的开关电源设计、研制和生产开始于 20 世纪 60 年代初期，到 60 年代 中期进入了实用阶段。70 年

11、代初期开始设计、研制和生产无工频降压变压器的 开关电源。1974 年研制成功了我国第一台工作频率为 10kHZ、输出直流电压为 5V 的无工频降压变压器的开关电源。虽然这些年取得了进步但和发达国家相比 我们的技术还很落后。由于我国的半导体技术与工艺跟不上时代发展，导致我们 自己研制和生产的无工频降压变压器的开关电源关键器件，如开关晶体管，高频 开关变压器磁性材料都是国外的。因此，我们最根本的问题是要提高我国的半导 体技术和工艺。 1 . 2 开关电源优缺点 1. 2. 1 优点： （1） 内部功率损耗小，转换效率高。 （2） 体积小，重量轻。 （3） 稳压范围宽，线性调整率高。 6 开关电源的

12、基本原理及发展趋势 （4） 滤波效率大为提高，滤波电容的容量和体积大为减小。 （5） 电路形式灵活多样。 与线性稳压电源相比，其工作频率比线性电源工频高了几个数量级， 开关电源比普通的线性电源效率高。 由于线性电源功率管工作在线性区， P=UI 由 得，随着 I 越来越大功率就越大。而开关电源工作在开、关两种状态，当电阻很 小时为开，当电阻很大时为关。当开关断开时，电流很小；当开关闭合时，电压 很小，所以发热功率 UI 就会很小。这就是开关电源效率高的原因。 1. 2. 2 缺点： （1）存在较严重的开关噪声和干扰 （2）电路复杂，不便于维修 （3）成本高，可靠性低 第二章 21 开关电源种类

13、 按激励方式划分 （1） 它激式开关电源电路。这种形式电路具有工作稳定、可靠和便于控制的优 点。一般应用于大功率和超大功率输出场合。 图 2-1 （2） 自激式开关电源电路。该电路中的功率开关管既作功率开关，又作 PWM 驱动信号产生的振荡管。具有内部损耗小，转换效率高，成本低等优点。应用于 小功率和中功率输出场合。 7 开关电源的基本原理及发展趋势 图 2-2 22 按调制方式划分 （1） 脉宽调制型开关电源 （2） 频率调制型开关电源 （3） 混合型开关电源 23 按功率开关的类型划分 （1） 晶体管型开关电源。优点是功率开关饱和导通后，管子开关损耗较小。缺 点是驱动功率与输出功率成正比，

14、不宜用在大功率场合。 图 2-3 （2） 可控硅型开关电源。优点是可直接输入工频电网电压，成本低；缺点：电 磁辐射污染较大。 （3） MOSFET 型开关电源。该电路用 MOSFET 作为功率开关，其特点是驱动 功率小，可以输出大功率和超大功率。 8 开关电源的基本原理及发展趋势 图 2-4 （4） IGBT 型开关电源。该电路采用 IGBT 复合功率模块作为功率开关，把晶 体管型和 MOSFET 型开关电源优点集于一身。 24 按功率开关的连接方式划分 （1） 单端正激式开关电源。 图 2-5 （2） 单端反激式开关电源。 图 2-6 （3） 推挽式开关电源。 9 开关电源的基本原理及发展趋

15、势 图 2-7 （4） 半桥式开关电源。 图 2-8 （5） 全桥式开关电源。 10 开关电源的基本原理及发展趋势 图 2-9 25 按输入和输出电压的大小分类 (1)升压式开关电源 图 2-10 升压式开关电源 (2)降压式开关电源 (3)输出极性反转式开关电源 26 按工作方式分类 (1)可控硅整流型开关电源 (2)斩波型开关电源 (3)隔离型开关电源 27 按电路结构分类 (1)分立式开关电源 (2)集成式开关电源 第三章 31 系统设计 主电路的整体简介 11 开关电源的基本原理及发展趋势 本论文采用的是它激式推挽电路，脉冲由专用芯片 KA3525 提供。 为实现系统的功能，完成设计要

16、求，采用模块化结构。我采用电路是由 PWM 集成块 KA3525 组成的激励变换部分和开关管组成的它激型推挽式电路，电路结 构如下:图 3- 1 主电路整体结构图 1)2脚通过电阻接到16脚，给定恒定电位，作为误差放大器的同相输入端。 2) 1脚是接的反馈，由负载输出反馈和给定统一决定1脚电位，并和9脚相接，达 到调节电压的目的。 3) 5脚的电容和6脚的电阻共同决定了输出脉冲的频率。5脚和7脚之间的电阻决 定了死区时间。 4）11脚和14脚是两路输出脉冲。 5) 13脚和15脚接的是15V工作电源，12脚接地。 6)8 脚接软启动。 311 它激型推挽式电路工作原理 它激型推挽式电路实际上是

17、由两个单端正激式变换电路组成的， 只是它们工 作时相位相反。在每一个工作周期内，两组功率开关轮换交替导通和截止，在各 自导通的半个周期内，分别把输入电源的能量传输给负载系统。 12 开关电源的基本原理及发展趋势 （a） (b) 图3-2 它激型推挽式直流变换器电路 （a）基本电路 （b）各点工作波形 由于线圈的电流不可能突变，所以Ic1上的电流是缓慢上升。如（a）所示 Uec1=-Ui。由同名端所感应的电流的相同，所以线圈原副两边的电流同为上正下 负，又由于电磁感应知识所知，线圈总是阻止它的发展方向，所以副边产生的感 应电流下正上负，则VD1截止，VD2通。 3 1 2 驱动电路 13 开关电

18、源的基本原理及发展趋势 在选择开关管的驱动电路时，本电源主功率管选用的是电压型驱动方式的 MOSFET，每个桥臂的两个开关管 180 互补导通，每个桥臂的两个开关管的驱动电 路相互隔离。如果要驱动功率较大的 MOSFET，控制芯片的驱动能力就显得不够 了，那么可以将控制芯片的驱动信号加以功率放大。 场效应晶体管（Field Effect Transistor 缩写(FET)）简称场效应管。一 般的晶体管是由两种极性的载流子,即多数载流子和反极性的少数载流子参与导 电,因此称为双极型晶体管,而 FET 仅是由多数载流子参与导电,它与双极型相反, 也称为单极型晶体管。 它属于电压控制型半导体器件，

19、 具有输入电阻高、 噪声小、 功耗低、动态范围大、易于集成、没有二次击穿现象、安全工作区域宽等优点。 场效应管与晶体管的比较 1. 场效应管是电压控制元件，而晶体管是电流控制元件。在只允许从信号源取 较少电流的情况下，应选用场效应管；而在信号电压较低，又允许从信号源 取较多电流的条件下，应选用晶体管。 2. 场效应管是利用多数载流子导电，所以称之为单极型器件，而晶体管是即有 多数载流子，也利用少数载流子导电。被称之为双极型器件。 3. 有些场效应管的源极和漏极可以互换使用，栅压也可正可负，灵活性比晶体 管好。 4. 场效应管能在很小电流和很低电压的条件下工作，而且它的制造工艺可以很 方便地把很

20、多场效应管集成在一块硅片上，因此场效应管在大规模集成电路 中得到了广泛的应用。 5. 场效应管开关速度快,没有双极型三极管的电流拖尾现象,但导通电阻比双极 型三极管大,电流也没双双极型大(同级别相对而言).不过现在现在的场效应 管在导通电阻和通过电流方面已经有相当大的改进了,用于开关电源性能优 于双极型三极管.只不过实际使用时考虑到价格和性能要求,不用场效应管也 可以. 在大功率应用中，MOSFET 比双极型晶体管广泛，这是因为他是电压驱动型 开关，漏电流小，且管耗低。 综上考虑，选择了如下驱动电路： 14 开关电源的基本原理及发展趋势 图 3-3 上述电路中 R5，R6，R7，R8 四个电阻

21、是作用是使电路均衡，缓冲和保护限 流作用。四个开关的作用是在饱和时驱动能力更强。电容 C6 和电阻 R9 的作用是 滤去高频部分，防止高频振荡。 313 KA3525 工作原理 图 3-4 KA3525是采用电流模式控制方式的集成PWM控制器。在KA3525内部采用精度 为士1%的5.1V 基准源. KA3525采用电压模式控制，它内部的振荡器输出的时钟 信号RS触发器，形成PWM信号的上升沿，使主电路的开关开通。误差放大器EA的 15 开关电源的基本原理及发展趋势 输出信号同振荡器输出的三角波信号相比较，当三角波的瞬时值高于EA的输出 时，PWM比较起翻转，触发RS触发器翻转，形成PWM信号

22、的下降沿，使主电路的开 关关断。RS触发器输出的PWM信号的占空比为0一100%，考虑到死区时间的存在， 最大占空比通常为90%一95%.T触发器作用是分频，将RS触发器的输出分频，得到 占空比为50%的频率为振荡器频率的1/2的方波。将T触发器输出的这两路互补的 方波同RS触发器输出的PWM信号进行“或”运算，就可以得到两路互补的占空比 为0一50%的PWM信号。 314 死区时间设置 在设计过程中，MOSFET 开关功率管经常烧坏，是由于两组功率管同时导通 时，功率开关变压器初级绕组一个给磁心正向激磁，另一个给磁心反向激磁，相 互抵消。这样一来，功率开关变压器的次级无感应电压产生，输出端无

23、直流电压 流出；而且，功率开关变压器初级的两个对称绕组将输入直流电源电压直接短路 到两只功率开关的集电极发射极之间，使集电极峰植电流急剧增加，严重时两 只功率开关同时电流击穿而被损坏。 产生这个问题的原因除了功率开关所在的存 储时间以外，还有一个就是死区时间不够。 (a) 16 开关电源的基本原理及发展趋势 （b） 图 3-5 （a）产生共态导通现像（b）各点的波形 为解决如上图所示的死区时间的问题，我们使用 KA3525 芯片，其 7 脚 DISCHAGE 是控制死区时间。如图 3-2 所示，在它和 5 脚上分别接上不同的电阻 R2 和电容 C1 就可以设置不同的死区时间。 315 检测电路

24、 图 3-6 如上检测电路所示，当 T1 的原边没有电流时，副边也没有电流渡过，这时二极 管 D1 和 D3 反向击穿，给磁环去磁，使磁环磁复位。RC 滤波环节，用来滤除电 流尖峰。 该电路简单可靠， 损耗极小， 成本低廉。 反馈端， Ref 反馈信息送到 KA3525 的 1 脚比较后，控制其脉宽大小，最后控制输出电压。也就是当反馈端检测的电 17 开关电源的基本原理及发展趋势 压变大时，送回 1 脚比较之后，使其输出脉宽变窄，输出电压也就变小，这样就 达到稳压保护的目的。 3 2 2 参数设计 输入滤波电容 3 2 4 1 在最低输入交流电时， 整流滤波后的直流电压的脉动值 Vpp 是最低

25、输入交流 电压峰值的 20%-25%。设输入交流电压的变化范围为 Vline(min) Vline(max),频率 f=40khz。 相电压有效值：Vline(min) Vline(max)：220V*（15%20%）=176253V 相电压峰值： 2 Vline(min) 2 Vline(max)：249358V 整流滤波后直流电压的最大脉动值：Vpp= 2 Vline(min)*（20%25%）=50V（单相） 整流滤波后的直流电压 Vin:（ 2 Vline(min)-Vpp） 2 Vline(max) 为了保证整流滤波后的直流电压最小值 Vin(min)符合要求，每个周期中 Cin 所

26、提供 的能量约为：Win= Pin f = Pin Af = 600 0.85 =15.7(焦耳) 40 每个半周期输入滤波电容所提供的能量为： Win 1 2 = Cin( 2 Vline(min) -Vin(min)2 2 2 因此输入滤波电容容量为： Cin=Win/( 2 Vline(min) -Vin(min)2)=713 F 2 上式中，变压器转换率 =70% ，由于我们提供的是单相输入则： A=1 ，频率 f=40KHZ 3.2.4.2 原副边变比 为了在任意输入电压时能够输出所要求的电压， 变压器的变比应按最低输入 电压 Vin(min)选择。选择副边的最大占空比为 Dsec(

27、max).则可计算出副边电压最小值 为：Vsec(min)=(Vo(max)+VD+VLf)/ Dsec(max)=28.6V 式中 Vo(max)是最高输出电压，VD 是输出整流二极管的通态压降，VLf 是输出滤波电 感上的直流压降。 故变压器原副边变比为：K=15V/28.6V=1/2 （1）确定原边和副边匝数 18 开关电源的基本原理及发展趋势 由于开关频率为 80KHz,为了减小铁损， 可确定最高工作磁密 Bm=0.10T,所以 副边匝数 Wsec= (Vsec(min)* Dsec(max)/(4fs*Ae*Bm) （2）确定原副边绕组导线线径和股数 在选用绕组的导线线径时，要考虑导

28、线的集肤效应，一般要求导线线线径小 于两倍穿透深度。变压器的工作频率为 80KHz，在些频率下，铜导线的穿透深度 为 ? =0.2336mm,因此绕组应选用线径小于 0.4672mm 的铜导线。我们选用 15 股 线径为 0.15mm 的漆包线绞结而成的多股线，多股线的导电面积为： S1=( d2/4)*15=0.2651mm2 我们就使用了 15 股线径为 0.15mm 的多股线。 （3）绕制方式 为了减小漏感，采用原副边分层交叉绕法，同时，为了减小高频噪声，原副 边之间加入屏蔽层。 1绕原边绕组，用 15 股线径为 0.15mm 的多股线 2绕副边绕组，两组副边同时并绕。 3.2.4.3

29、输出滤波电容的选择 输出滤波电容的计算公式： ? ? ? Vo (min) Vo (min) Cf= ?1 ? Vin (min) ? =31.48 F 8Lf (2 fs )2 ?Vopp ? ? VLf ? VD ? ? K ? 3.2.4.4 主功率管的选择 考虑到功率器件的开关速度和驱动电路的简洁，本电源选用 MOSFET 作为功 率开关管。由于 MOSFET 是电压型驱动的，而本电源是由 A3525 芯片提供的电压， 可能不能很好的完成驱动任务，所以要在芯片和 MOSFET 管之间加入驱动电路以 更好的达到设计要求。 第四章 实际工作中遇到的问题及解决方法 实际工作中遇到的问题及解决

30、方法 1线圈是纯手工绕制，多次绕制都不能满足要求，未能达到理想效果。通 过查阅相关资料后明白是由于绕制时匝与匝之间空隙太大。 由于是手工绕制仍然 无法达到匝与匝之间完全无空隙，基于这样的问题，将空隙补齐，基本能达到要 求。 2在设计过程中，MOSFET 开关功率管经常烧坏，是由于两组功率管同时 19 开关电源的基本原理及发展趋势 导通时， 功率开关变压器初级绕组一个给磁心正向激磁， 另一个给磁心反向激磁， 相互抵消。这样一来，功率开关变压器的次级无感应电压产生，输出端无直流电 压流出；而且，功率开关变压器初级的两个对称绕组将输入直流电源电压直接短 路到两只功率开关的集电极发射极之间，使集电极峰

31、值电流急剧增加，严重时 两只功率开关同时电流击穿而被损坏。 产生这个问题的原因除了功率开关所在的 存储时间以外，还有一个就是死区时间不够。为解决死区时间的问题，我们使用 KA3525 芯片，其 7 脚 DISCHAGE 是控制死区时间。在它和 5 脚上分别接上不同的 电阻 R2 和电容 C1 就可以设置不同的死区时间。 20 开关电源的基本原理及发展趋势 参考文献 1 2 3 4 5 6 叶慧贞，开关稳压电源.M北京：国防工业出版社，1993 杨志民，杜文广,董银虎.开关电源的尖峰干扰及其抑制.电源技术应用M，20008 钱照明，开关电源的 EMC 设计J.电源世界，2002 (3):4650 张占松，蔡宣三编著.开关电源的原理与设计M.北京:电子工业出版社，1998 王淑兰，开关电源的噪声抑制J.电子技术，1991 朱文立，开关电源的电磁骚扰抑制技术J.电子质量，2002 211