推挽式开关电源设计.docx
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推挽式开关电源设计
推挽式开关电源设计
洛阳理工学院
毕
业设计（论文）题目＿推挽式开关电源的设计
2013年5月30日
Designofapush-pullDCswitchingpowersupply
*****T
Poweristoachievepowerconversionandpowertransmissionmajorequipment.Intheinformationage,therapiddevelopmentofagriculture,energy,transportation,information,nationaldefense,educationandotherfields,forthepowerindustrymademore,higherrequirements,suchasenergysaving,energysaving,materialsaving,reducedbodyweightloss,environmentalprotection,reliable,safetyetc..Thishasforcedthepowerworkerscontinuetoexploreinthepowerdevelopmentprocess,toseekavarietyofrelatedtechnology,thepowertomakethebestproducts,tomeettherequirementsofallwalksoflife.Switchingpowersupplyisanewtypeofpowersupplyequipment,comparedtotraditionallinearpowersupply,hightechnologicalcontent,lowenergyconsumption,easytouse,andhasachievedgoodeconomicbenefit.Switchingpowersupplywithlowpowerconsumption,highefficiency,widevoltagerange,smallsize,andotheradvantages,iswidelyusedincommunicationequipment,numericalcontrolequipment,instrumentation,audioandvideoequipment,householdappliancesandotherelectroniccircuits.Thispaperfirstintroducesthebasicprincipleofswitchingpowersupply,thenintroducedualoutputdriverUC3524iswidelyusedinswitchingpowersupply,andtodriveUC3524asthefoundation,throughtheprinterpowersupplycircuit,ontheworkingprincipleofpush-pullswitchingpowersupply.
KEYWORDS:
transformationofelectricalenergy,transformationofelectricalenergy,UC3524,transformationofelectricalenergy
前言................................................................................................1
第1章绪论......................................................................................2
1.1开关电源的发展历程.............................................................2
1.2开关电源的分类.....................................................................3
1.2.1按电路的输出稳压控制方式分类.................................3
1.2.2按开关电源的触发方式分类........................................3
1.2.3按输入与输出是否隔离分类........................................3
1.2.4按功率开关管关断和开通工作条件分类.....................4
1.3开关电源的主要技术指标.....................................................4
1.4开关电源电路组成.................................................................5
1.5电源电路的主要特点.............................................................5
1.6开关电源的特点.....................................................................6
第2章开关器件...............................................................................7
2.1开关器件的特征.....................................................................7
2.2开关器件的分类.....................................................................7
2.3常见开关器件介绍.................................................................8
第3章开关电源的基本原理.........................................................10
3.1开关电源拓扑结构...............................................................10
3.1.1非隔离式开关电源拓扑结构......................................10
3.1.2隔离式电源开关拓扑结构..........................................12
3.2推挽式开关变换电路基本原理..........................................14
3.3各种不同开关变换电路的比较...........................................16
第4章UC3524介绍........................................................................17
4.1UC3524介绍........................................................................17
4.2UC3524的内部结构及其原理.............................................17
第5章UC3524组成的高压开关电源分析与设计.........................20
5.1基于UC3524的高压开关电源原理分析............................20
5.2变压器绕制步骤...................................................................22
5.3开关电源的电磁兼容性问题...............................................23
5.3.1电磁兼容性..................................................................23
5.3.2电磁兼容问题要素......................................................23
5.3.3解决开关电源的电磁兼容性......................................24
结论................................................................................................25
谢辞................................................................................................26
前言
电源是实现电能变换和功率传递的主要设备。
在信息时代，农业、能源、交通运输、信息、国防、教育等领域的迅猛发展，对电源产业提出了更多、更高的要求：
如节能、节电、节材、缩体、减重、环保、可靠、安全等。
这就迫使电源工作者在电源研发过程中不断探索，寻求各种相关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。
开关电源是一种新型电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高，耗能低，使用方便，并取得了较好的经济效益。
自20世纪50年代，美国航空航天局为开发设计搭载火箭，研发制造以小型化，重量轻为目标的首个开关电源以来，在将近半个多世纪的发展中，开关电源慢慢逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并且广泛应用到电力电子整机设备中。
伴随集成电路的发展，开关电源逐步向集成化方向发展，趋于模块化和小型化。
将近20年以来，集成开关电源向着两个方向发展。
第一个方向是向着中、小功率开关电源单片集成化的方向发展，美国电源集成公司（PowerIntegrations）1994年率先研发成功三端隔离式PWM型单片开关电源在世界上，其属于AC/DC电源变换器。
之后相继推出TOPSwitch-Fx、TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-GX、LinkSwitch、PeakSwitch等系列产品。
第二个方向是对开关电源的控制电路实现集成化，1977年国外首先研发制造出脉宽调制（PWM）控制器集成电路，SiliconGeneral公司、美国Motorola公司、Unitrode公司等相继推出一系列PWM芯片。
近些年来，国外研发制作出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片。
目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。
与国外开关电源技术相比，中国从1977年才刚开始进入初步发展期，起步较晚，技术比国外落后些。
目前国内DC/DC模块电源市场主要被外国品牌所占领，他们占领了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。
但是，伴随着国内技术的进步及生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在迅速被国产DC/DC产品所替代。
本文主要是引入UC3524驱动器来介绍推挽式开关变换电路的基本原理，通过打印机电路来详细分析其主要的工作过程。
第1章绪论
1.1开关电源的发展历程
随着电子技术的发展，DC/DC电源已经形成一个庞大的工业，材料、工艺、外封装的不断改进,使DC/DC产品普遍被工业界采用，并在军界、医疗、宇航等领域迅速推广。
现已有数家产值达数千万美元的公司生产DC/DC电源，产品从0.5瓦至上千瓦。
从单输出到多输出，也有的公司把自己的DC/DC模块产品组合设计成用户需要的电源系统。
激烈的竞争局面,导致各厂家积极采用先进技术,使模块以最小的体积达到最高的功率输出,某些新产品的功率密度已可达每立方英寸10瓦。
提高效率和输出功率是大家追求的目标,场效应开关管，肖特基整流管以及磁性材料的改进,都是关键因素。
计算机工业的发展给DC/DC电源提出了新的目标。
以往的TTL电路逻辑电压为5V，超大规模集成电路的驱动电流较大,一个需5A电流的设计至少要25瓦输出的电源模块。
为节省能源,新的CMOSIC设计使电压降为
3.3V，同样需5A电流则可仅用16.5瓦的模块。
目前一些超大规模集成电路生产厂家有意把电压降至2.9V、2.1V,以节省电力,因对DC/DC电源产品带来了新的挑战。
目前DC/DC模块的设计人员采用同步整流技术在一定程度上使效率有所提高,但最终的改进尚依赖于半导体元件性能的改善。
为解决DC/DC模块的控制电路。
使用一定规模的集成电路将使DC/DC模块性能得到革命性的进步。
DC/DC模块的外封装的散热也是个关键间题。
由于体积的限制,模块外壳需有良好的导热能力,否则将烧毁内部半导体元件。
近几年已有把电路印刷在铝制或陶瓷荃板上的DC/DC产品间世。
铝板和陶瓷板导热较好,给DC/DC模块的发展提供的新的方向。
1.2开关电源的分类
1.2.1按电路的输出稳压控制方式分类
按电路的输出稳压控制方式，开关电源可分为脉冲宽度调制模式（PWM）式、脉冲频率调制式（PFM）和脉冲调频调宽式三种：
（1）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）
（2）保持TON不变，利用改变开关频率f=1/T实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压U0稳压的方法，称做脉冲频率调制（PFM）。
（3）既改变TON，又改变T，实现脉冲占空比调节的稳压方式称做脉冲调频调宽方式。
1.2.2按开关电源的触发方式分类
（1）自激式开关电源
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环路，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。
（2）它激式开关电源
它激式开关电源必须有一个振荡器，以便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。
1.2.3按输入与输出是否隔离分类
（1）隔离式开关变换器：
它是将高频变压器变换器的输入一次侧与输出二次侧隔离。
这些变换器类型主要有单端正激式变换器和推挽式变换器，单端反激式变换器，全桥式变换器，半桥式变换器。
（2）非隔离式开关变换器：
它是指输出与出入在电气上不隔离，输出与输入共用一个端子。
非隔离式变换器类型主要有降压型（Buck）变换器，降压－升压（Buck-Boost）变换器，升压型（Boost）变换器，以及组合变形电路。
1.2.4按功率开关管关断和开通工作条件分类
（1）硬开关变换器功率开关器件是在承受电压或电流应力的情况下接通或关断的。
这样不但会形成开关尖峰干扰噪声，而且会产生开关损耗，需要附加屏蔽，滤波等抗噪声技术，才可满足高性能，高精度用电设备的要求。
（2）软开关变换器功率开关器件是在不承受电压或电流应力的情况下接通或关断的；例如；流过开关管的电流为零，称零电流开关（ZCS）；加在开关管上的电压为零，称零电压开关（ZVS）。
因开关过程中无电压，电流重叠（理想情况），开关损耗大大降低，而且开关噪声比较小，有利于开关变换器的小型化，高频化。
1.3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）输入的电压变化范围：
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围有关。
（2）输出内阻R0：
输出电压的变化量ΔU0与输出电流的变化量ΔI0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P0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。
（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U0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。
（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）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。
（7）输出功率P0：
电源能输出给负载的最大功率，它和负载功率有关。
1.4开关电源电路组成
电源电路一般由主开关电路、副电源、辅助电路等组成。
（1）主开关电源：
主开关电源的输出功率较副电源、辅助电路的输出功率要大。
它将220V交流输入直接整流、滤波为300V左右的直流电压，再经过开关稳压调整环节中的开关调整管、开关变压器、稳压控制电路、激励脉冲产生电路对300V左右的直流电压进行DC/DC开关变换，产生各种所需的稳定直流电压输出。
主开关电源主要是为主负载电路提供110V-145V的直流电压。
电源电路的遥控待机功能是通过对主开关电源的控制实现的，主开关电源一旦停止工作，则相应的功率放大级也将停止工作，于是主负载失去直流供电。
（2）副电源：
副电源的主要作用是为微处理器控制电路提供+5V的供电电压。
副电源电路一般较简单，既可采用简易开关电源，也可以采用传统的线性稳压电路。
无论负载处于正常工作状态还是待机状态，副电源都必须正常工作。
（3）辅助电路：
将行输出变压器中产生的行扫描脉冲进行整流与滤波，就可以得到各种所需的直流电压。
由于辅助电路是将行输出级经直流-交流-直流做两次变换，所以又称为二次电源。
行输出级产生的各种直流电压主要给显像管各电极供电，同时也可以为视频输出板尾板、场扫描以及图像和伴音通道供电。
1.5电源电路的主要特点
电源电路的主要特点有：
（1）由于负载均属高可靠性设备，对电源的要求较高，因此除了提供大的功率外，还要求有较高的效率。
（2）为扩大仪器设备的使用范围，要求电源电路能适应110V和220V交流供电的需要。
（3）为了使负载仪器设备使用安全，要求机芯为冷底板设计，所以输出
稳压取样反馈回路普遍采用光电耦合进行电源初、次级侧的隔离，以提高设备的抗干扰性和安全性。
（4）要求电源电路有良好的过压、过流、输出短路、X射线保护及复位功能。
（5）为了保证遥控待机功能的正确实现，电源电路一般还加有副电源电路。
副电源电路功率不大，一般在几瓦左右，既可以用开关电源实现，也可以用线性电源实现。
1.6开关电源的特点
（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。
由于开关电源的交流输入省掉了电源变压器，节省了大量漆包线和硅钢片，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压在90V-270V内变化时，输出电压变化在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，能自动切换电源，保证其功能可靠。
（5）功耗小。
由于开关电源的工作频率高，一般在20kHZ以上，因此滤波原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，周围原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。
第2章开关器件
2.1开关器件的特征
（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mW级，大至MW级，大多数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）为保证不至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，总成开关损耗。
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。
通常电力电子器件的断态漏电流极小，因而通态损耗是开关器件功率损耗的主要原因。
当开关器件开关频率较高时，开关损耗会随时增大，可能成为开关器件功率损耗的主要原因。
2.2开关器件的分类
（1）半控型器件：
半控型器件是指通过控制信号可以控制其导通但不能控制其关断，晶闸管及其大部分派生器件的关断由其在主电路中承受的电压和电流决定。
（2）全控型器件：
全控型型器件是指通过控制信号既可以控制其导通
又可控制其截止，又称为自关断器件，如电力场效应晶体管MOSFET，门极可关断晶闸管GTO，绝缘双极晶体管IGBT。
（3）不可控器件：
不可控器件是指不能用控制信号来控制其关断，即不需要驱动电路。
如电力二极管只有两个端子，它的导通和截止是由其在主电路中承受的电压和电流决定的。
2.3常见开关器件介绍
（1）电力二极管：
电力二极管自20世纪50年代初期就获得应用，当时也被称为半导体整流器，并已开始逐步取代汞弧整流器。
虽然是不可控器件，但其结构和原理简单，工作可靠，所以直到现在电力二极管仍然大量应用于许多电气设备当中。
其基本结构和工作原理与信息电子电路中的二极管一样，以半导体PN结为基础，由一个面积较大的PN结和两端引线以及封装组成。
由于电力二极管正向导通时要流过很大的电流，其电流密度较大，因而额外载流子的注入水平较高，电导调制效应不能忽略，且其引线和焊接电阻的压降等都有明显的影响。
（2）电力场效
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