自激式开关电源设计毕业设计论文.docx

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自激式开关电源设计毕业设计论文

洛阳理工学院

毕业设计（论文）

题目＿＿自激式开关电源设计＿＿

2013年3月18日

自激式开关电源设计

摘要

电源犹如人体的心脏，是所有电设备的的动力，但电源却不像心脏那样形式单一。

因为标志电源特性的参数有功率、电压、频率、噪音及带负载时参数的变化等，在同一参数要求下，又有体积。

重量、形态、效率、可靠性等指标。

人们可按此去“塑造和完美电源，因此电源的形式是极多的。

本设计重点介绍开关电源的原理和设计方法。

论文主要完成的内容有：

（1）根据设计需要选择开关电源电路；

（2）设计输入整流滤波电路，并确定相关器件参数；

（3）设计输出电路，并确定相关器件参数；

（4）设计电压反馈电路；

（5）通过实验和计算对设计中的数据进行验证。

广义上说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成为另一形态的主电路都叫做开关变换器电路，转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源。

开关电源主要组成部分是DC-DC变换器，因为它是变换的核心，涉及频率变换。

关键词:

开关电源，可靠性，反馈电路，频率变换

Self-excitedSwitchingPower

ABSTRACT

Powerisliketheheartofthehumanbody,isthepowerofallelectricalequipment,butnotlikeheart,formasinglepowersupply.Becausemarkpowercharacteristicparametersarepower,voltage,frequency,noise,andtheloadparameters,suchasthechangeoftheparametersinthesamerequest,andvolume.Weight,shape,efficiency,reliabilityindex.Peoplecanclickheretogoto"shapeandperfectthepowerandthereforeisverymuchintheformofpower.Thisdesignmainlyintroducesprincipleanddesignmethodofswitchingpowersupply.

Themaincontentofthepapersare:

（1）Chooseswitchingpowersupplycircuitbasedontherequirement;

（2）Designinputrectifierfiltercircuitandidentifytherelevantdeviceparameters;

（3）Designrectifieroutputandestablishtherelevantdeviceparameters;

（4）Designvoltagefeedbackcircuit;

（5）Validatedataofthedesigningbyadoptionofexperimentalandcomputations.

Inabroadsense,allwithasemiconductorpowerdeviceasaswitch,anewformofpowerwillbetransformedintoanotherformofmaincircuitarecalledswitchconvertercircuit,shiftwhenusingautomaticcontrolclosed-loopstableoutputlinkiscalledswitchingpowersupplyandprotection.SwitchingpowersupplyisthemainpartofDC-DCconverter,becauseitisthecoreofthetransformation,frequencyconversion.

KEYWORDS:

SwitchingPowerSupply,reliability,feedbackcircuit,frequencytransformation

前　言

开关电源的原理已经应用了100多年。

然而，随着开关电源的磁性元件、开关器件和整流器三大主要元器件的快速发展，开关电源才进入了快速发展的阶段。

何谓开关电源，就是利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成另一种电源形态。

在转变时用自动控制闭环并有保护环节稳定输出电压的装置。

今年来，国内直流开关电源技术无论是理论研究，还是生产应用已有相当的成果和规模。

高频、高效、高功率密度、高功率因素、高可靠性、高电气指标等特征，使开关电源具有更强的竞争力，应用领域不断扩大。

各种开关电源设备在用户、工业、医疗、交通、国防领域已广泛应用，取得了显著地社会效益和经济效益。

开关电源涉及多个学科，如电子技术、电力电子技术、计算机技术、集成电路技术、控制理论、变换技术、电磁材料等，开关电源是技术集密性产品，不再是一个普通电源。

但是目前用户对其了解甚少，维护使用方面存在问题较多，因此越来越多开关电源产品的使用，与多数用户对开关电源的知识缺乏这一矛盾日益突出。

所以，快速普及开关电源的原理知识势在必行。

开关电源技术是一门运用半导体功率器件实现电能的高频率变换，将粗电变换成精电，以满足供电质量要求的技术。

由于在开关电源中半导体功率器件工作在高频开关方式，因此它具有高效率，高功率密度，高可靠性。

由于开关电源的突出优点，开关电源更替线性电源是发展的必然趋势。

近年来，由于微型计算机的普及，通信行业的迅猛发展，推动了开关电源技术的进步和产业的迅速发展。

自激式开关电源触发开关管的信号由自激振荡产生，在一定程度上简化了电路。

基本的自激式开关电源是不隔离式的，输入电压经开关管控制后构成输出电压，输入与输出共有负极为公共端。

采用不隔离的开关电源的用电设备当由市电整流输出时，用电设备可能接有交流高压的输入，因此其应用条件和范围有所限制。

第1章开关电源基础

1.1开关电源功能

开关电源输入端直接将交流电整流变成直流电，再在高频震荡电路的作用下，用开关管控制电流的通断，形成高频脉冲电流。

在电感（高频变压器）的帮助下，输出稳定的低压直流电。

由于变压器的磁芯大小与他的工作频率的平方成反比，频率越高铁心越小。

这样就可以大大减小变压器，使电源减轻重量和体积。

而且由于它直接控制直流，使这种电源的效率比线性电源高很多。

这样就节省了能源，因此它受到人们的青睐。

开关电源有好多优点，一是稳压范围宽，在一定范围内输出电压与输入电压变化无关，电源可以在80V－240都可以正常工作，是其它方式电源无法比拟的。

二是效率高，由于采用开关震荡工作方式，热损耗特别少，发热低。

三是结构简单，相对于其它相同功率的电源，开关电源的体积与重量要少得多。

因此，在众多的电子设备中，开关式电源已经是相当普遍。

它的输出可分多组抽头，一般输出有5V、12V、14V、18V、26V、52V、115V、190V等。

电视机、显示器、打印机等都用的是开关电源。

1.2开关电源的结构

交流输入、直流输出的开关电源将交流电转化为直流电，高频逆变-变压器-高频整流电路是开关电源的核心部分，电路采用的是隔离型直流-直流变流电路。

针对不同的功率与输入电压，我们可以选取不同的电路。

整流电路普遍采用二级管构成桥式电路，直流侧采用大电容滤波，电路结构简单、工作可靠、成本低，效率比较高。

1.3开关电源的工作原理

开关电源的工作原理可以用图1-1进行说明。

图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。

这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压Uo。

（a）电路图；（b）波形图

图1-1开关电源的工作原理

为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下：

D=

（1-1）

式中，T表示开关S的开关重复周期；TON表示开关S在一个开关周期中的导通时间。

开关电源直流输出电压Uo与输入电压Ui之间有如下关系：

Uo=UiD（1-2）

由式（1-1）和式（1-2）可以看出，若开关周期T一定，改变开关S的导通时间TON，即可改变脉冲占空比D，从而达到调节输出电压的目的。

T不变，只改变TON来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调制（PWM）。

由于PWM式的开关频率固定的，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此PWM式开关电源用得比较多。

若保持TON不变，利用改变开关频率ƒ=1/T实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压Uo稳压的方法，称做脉冲频率调节（PFM）。

由于该方式的开关频率不固定，因此输出滤波电路的设计不易实现最优化。

即改变TON,又改变T，实现脉冲占空比调节的稳压方式叫做脉冲调频调宽方式。

在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节的稳压方式均有应用。

开关电源是利用现代电力技术，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）控制IC和MOSFET构成。

开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。

与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。

脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。

一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。

通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。

最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。

控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。

也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。

他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。

开关电源有两种主要的工作方式：

正激式变换和升压式变换。

尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。

1.4开关电源的组成

开关电源的组成如图1-2所示。

其中DC/DC变换器用以进行功率交换，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，该信号由他激或自激电路产生，可以是PWM信号、PFM信号或其他信号；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。

图1-2开关电源的基本组成

DC/DC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普通。

开关电源与线性电源相比，其输入的瞬态变换比较多的表现在输出端，在提高开关频率的同时，由于比较放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应指标也能得到改善。

开关电源的负载变换瞬态响应主要由输出端LC滤波器的特性决定，所以可以通过提高开关频率、降低输出滤波器LC的方法来改善瞬态响应特性。

1.5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压在90～270V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，由于可以方便的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20kHz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。

1.6开关电源的分类

现在，电子技术和应用迅速的发展，对电子仪器和设备的要求是：

在性能上，更加安全可靠；在功能上，不断地增加；在使用上，自动化程度要越来越高；在体积上，要日趋小型化。

这使采用具有更多优点的开关稳压电源就显的更加重要了。

所以，开关稳压电源在计算机、通信、航天、彩色电视机等方面都得到了越来越广泛的应用，发挥了巨大的作用，这大大促进了开关稳压电源的发展，从事这方面的研究和生产人员也越来越多。

图1-3给出了各种类型的开关稳压电源的原理图。

常见的开关稳压电源分类方法有已下几种：

1．按激励方式划分

（1）它激式

它激式开关电源必须有一个振荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。

电路中专设激励信号产生的振荡器，电路形式如图1-3（c）所示。

（2）自激式

自激式开关电源利用电源电路中的开关晶体管和高频脉冲变压器构成正反馈电路，来完成自激振荡，使开关电源输出直流电压。

在显示设备的PWM式开关电源中，自激振荡频率同步于行频脉冲，即使在行扫描电路发生故障时，电源电路仍能维持自激振荡而有直流输出电压。

开关管兼作振荡器中的振荡管，电路形式如图1-3（d）所示

2．按调制方式划分

（1）脉冲调制型

振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小，有时通过取样电路，耦合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。

（2）频率调整型

频率调整型占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。

（3）混合型

通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。

3．按开关管电流的工作方式划分

（1）开关型

用开关晶体管把直流变成高频标准方式，电路形式类似于他激式。

（2）谐振型

开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准的正弦波，电路形式类似于自激式。

4．按开关晶体管的类型划分

（1）晶体管型

采用晶体管作为开关管，电路形式如图1-3（b）所示。

（2）可控硅型

采用可控硅作为开关管，这种电路的特点是直接输交流电，不需要一次整流部分，其电路形式如图1-3（g）所示。

5．按储能电感与负载的连接方式划分

（1）串联型

储能电感串联在输入与输出电压之间，电路形式如图1-3（a）所示。

（2）并联型

储能电感并联在输入与输出电压之间，电路形式如图1-3（b）所示。

6．按晶体管的连接方式划分

（1）单端式

仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，这种电路的特点是价格低，电路结构简单，但输出功率不能提高，其电路形式如图1-3（a）（b）（c）。

（2）推挽式

使用两个开关晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式，这种电路的特点是开关变压器必须是有中心抽头，电路形式如图1-3（I）所示

（3）半桥式

使用两个开关晶体管，将其连接成半桥的形式，它的特点是适应于输入电压较高的场合，其电路形式如图1-3（m）所示。

（4）全桥式

使用四个开关晶体管，将其连接成全桥的形式，它的特点是输出功率较大，其电路形式如图1-3（h）所示。

7．按输入与输出电压大小划分

（1）升压式

输出电压比输入电压高，实际就是并联型开关稳压电源。

（2）降压式

输出电压比输入电压低，实际就是串联型开关稳压电源。

8．按工作方式划分

（1）可控整流型

所谓可控整流型开关稳压电源，是指采用可控硅整流元件作为调整开关管，可由交流市电电网直接供电，在可工作的半波内，截去正弦曲线的前一部分，这一部分所占角度称为截止角，导通的正弦曲线后一部分称为导通角，依靠调节导通角的大小，可达到调整输出电压和稳定输出电压的目的，其电路形式如图1-3（f）所示。

（2）斩波型

斩波型开关稳压电源是指直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关电路的输出端得到单相的脉动直流，经过滤波得到与输入电压不同的稳定的直流输出电压。

电路还从输出电压取样，经过比较、放大，控制脉冲发生电路产生的脉冲信号，用以控制调整开关的导通时间和截止时间的长短和开关的工作频率，最后达到稳定输出电压的目的，电路的过压保护电路也是依据这一部分所提供的取样信号来进行工作的，斩波型电路形式如图1-3（e）所示。

（3）隔离型

这种形式的开关电源是在输入回路与逆变电路之间，经过高频变压器，利用磁场的变化实现能量传递，没有电流间的之间流通，隔离型开关稳压电源采用直流供电，经过开关电路将直流电变成频率很高的交流电，再经变压器隔离、变压，然后经整流器整流，最后就可以得到新的、极性和数值各不相同的多组直流输出电压。

电路从输出端取样，经放大后反馈至开关控制端，控制驱动电路的工作，最后达到稳定输出电压的目的，这种形式的开关稳压电源在实际中应用的最为广泛。

9．按电路结构划分

（1）散件式

整个开关稳压电源电路都是采用分立式元器件组成的，它的电路形式较为复杂，可靠性较差。

（2）集成电路式

整个开关稳压电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的，这种集成电路通常为厚膜电路。

有的厚膜集成电路包括开关晶体管，有的则不包括开关晶体管。

这种电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。

彩色电视机中常采用这种开关电源。

10．按电路的输出取样样式分类

（1）直接输出取样开关电源

直接输出取样开关电源在光电耦合器尚未应用时，主要在串联开关电源上使用；在光电耦合器应用后，开始在变压器耦合并联开关电源上使用。

（2）间接输出取样开关电源

间接输出取样方式输出电压的变化须经开关变压器磁耦合才能反映到取样绕组两端，所以稳压速度低，并且这种开关电源不能空载检修，检修时须在输出端接替代负载。

以上五花八门的开关稳压电源都是站在不同的角度，已开关稳压电源不同的特点命名的。

图1-3示出开关稳压电源的原理框图。

尽管电路的激励方法、输出直流电压的调节手段、储能电感的连接方式、开关管的器件种类以及串并联结构各不相同，但是它们最后总可以归结为串联型开关稳压电源和并联型开关稳压电源这两大类。

图1-3各种开关电源原理图（a）-（c）

图1-3各种开关电源原理图（d）-（n）

1.7开关电源的主要技术指标

开关电源有以下主要技术指标。

（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的变化范围。

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围有关。

目前开关电源的输入电压变化范围已达到90～270V，可以省去许多电器中的110V/220V转换开关。

（2）输出内阻Ro:

输出电压的变化量ΔUo与输出电流的变化量ΔIo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，稳定性越好。

（3）效率η：

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。

（4）输出纹波电压：

由于开关电源的稳压过程是一个不断反馈调节的过程，因此在输出的直流电压Uo上会出现一个叠加的波动的纹波电压，即输出纹波电压。

这个电压值越小，表示电源的输出性能越好。

这个参数的表示有两种方法：

一是输出纹波电压有效值；二是输出纹波电压的峰峰值Upp。

（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应在线性电源上时稳压调整管集电极电流的变化范围。

（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20%～50%的裕量。

第二章自激式开关电源元器件的选用

2.1开关器件概述

开关器件的特性及其驱动是开关电源电路中关键的问题。

对开关器件的认识和了解是电路设计和使用的基本知识。

开关器件的五个特征

同处理信息的电子器件相比，开关电源的电子器件具有以下特征：

（1）能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重要的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于处理信息的电子器件。

（2）开关器件一般都工作在开关状态，导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。

（3）开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。

作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际开关。

（4）电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。

在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器件的驱动电路。

（5）为保证不致于因损耗散发的热量导致开关器件温度过高而损坏，不仅在开关器件封装上讲究散热设计，在其工作时一般都要安装散热器。

导通时，器件上有一定的通态压降；形成通态损耗阻断时，开关器件上有微小的断态漏电流流过；形成断态损耗时，在开关器件开通或关断的转换过程中产生开通损耗和关断损耗，总称开关损耗。

对某些器件来讲，驱动电路向其注入的功率也是造成开关器件发热的原因之一。

2.2自激式开关电源元器件的选用

无论那一种变换器，用的是那一种结构形式的开关电源，所使用的元器件都是开关晶体管、电阻、电容、电感及磁性材料等。

选用好元器件，是决定开关电源质量的关键。

往往设计的开关电源在试验室中式成功的，一到生产线上进行规模生产时，就会出现各种问题。

当然，有设计方面的，有工艺方面的，还有焊接方面的，但多数是元器件选用问题。

元器件本身质量的差异是影响开关电源质量的一个重要原因。

开关器件的特征：

同处理信息的电子器件相比，开关电源的电子器件具有以下特征：

（1）能处理电功率的大小，即承受电压和电流的能力是开关器件最重要的参数，其处理电功率的能力小至毫瓦级，大至兆瓦级，大多远大于处理信息的电子器件。

（2）开关器件一般都工作在开关状态，导通时（通态）阻抗很小，接近于短路，管压降接近于零，电流由外电路决定；阻断时阻抗很大，接近于断路，电流几乎为零，管子两端电压由外电路决定。

（3）开关器件的动态特性也是很重要的方面，有些时候甚至上升为第一位的重要问题。

作电路分析时，为简单起见往往用理想开关来代替实际开关。

（4）电路中的开关器件往往需要由信息电子电路来控制。

在主电路和控制电路之间，需要一定的中间电路对控制电路的信号进行放大，这就是开关器件的驱动电路。