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直流开关稳压电源毕业设计
2008～2009学年第二学期
毕业设计（论文）
课题直流开关稳压电源
姓名
系部电子与计算机系专业应用电子
班级学号
指导教师
摘要
稳压电源就是其输出电压相对稳定，它与人们的日常生活密切相关,也称为稳定电源、稳压器等。
随着电子技术发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，对稳压电源的要求更加灵活多样。
电子设备的小型化和低成本化，使稳压电源朝轻、薄、小和高效率的方向发展。
设计上，稳压电源也从传统的晶体管串联调整稳压电源向高效率、体积小、重量轻的开关型稳压电源迅速发展。
本文中设计的直流稳压电源电路采用脉冲宽度调制型（PWM）即开关工作频率保持不变，控制导通脉冲的宽度；开关型稳压电路中的调整管工作在开关状态，可以通过改变调整管导通与截止时间的比例来改变输出电压的大小。
当调整管饱和导通时，虽然流过较大的电流，但饱和管压降很小；当调整管截止时，管子将承受较高的电压，但流过的电流基本等于零。
可见，工作在开关状态调整管的功耗很小，因此，开关型稳压电路的效率较高，一般课达65%-90%。
同时本文还采用恒压差控制，其中接有软启动电路，在开关机时，对产生过冲现象有相当大程度的抑制。
同时通过控制DC-DC变换的脉宽，可实现过热、过流保护。
关键词：
脉宽调制开关管滤波电容
第一章稳压电源
1.1稳压电源简介
稳压电源问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。
早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。
随着脉宽调制（PWM）技术的发展，PWM开关电源问世，它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%～70%，而线性电源的效率只有30％～40％。
因此，用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。
随着超大规模集成芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机、移动电话等）更需要小型化、轻量化的电源。
因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。
此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。
这一切高新要求便促进了开关稳压电源的不断发展和进步。
1.2稳压电源技术的亮点
（1）稳压电源功率密度
提高开关电源的功率密度，使之小型化、轻量化，是人们不断追求的目标。
这对便携式电子设备（如移动电话，数字相机等）尤为重要。
使开关电源小型化的具体办法有以下几种。
一是高频化。
为了实现电源高功率密度，必须提高PWM变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。
二是应用压电变压器。
应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。
压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压-振动”变换和“振动-电压”变换的性质传送能量，其等效电路如同一个串并联谐振电路，是功率变换领域的研究热点之一。
三是采用新型电容器。
为了减小电力电子设备的体积和重量，须设法改进电容器的性能，提高能量密度，并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器，要求电容量大、等效串联电阻（ESR）小、体积小等。
（2）高频磁性元件
电源系统中应用大量磁元件，高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件，有许多问题需要研究。
对高频磁元件所用的磁性材料，要求其损耗小、散热性能好、磁性能优越。
适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，纳米结晶软磁材料也已开发应用。
（3）软开关技术
高频化以后，为了提高开关电源的效率，必须开发和应用软开关技术。
它是过去几十年国际电源界的一个研究热点。
PWM开关电源按硬开关模式工作（开／关过程中电压下降／上升和电流上升／下降波形有交叠），因而开关损耗大。
高频化虽可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了。
为此，必须研究开关电压／电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关（ZVS）／零电流开关（ZCS）技术，或称软开关技术，小功率软开关电源效率可提高到800%～85%。
上世纪70年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础。
随后新的软开关技术不断涌现，如准谐振全桥移相ZVS-PWM，恒频ZVS-PWM／ZCS-PWMZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWM／ZCT-PWM全桥移相ZV-ZCS-PWM等。
我国已将最新软开关技术应用于6kW通信电源中，效率达93％。
（4）同步整流技术
对于低电压、大电流輸出的软开关变换器，进一步提高其效率的措施是设法降低开关的通态损耗。
例如同步整流（SR）技术，即以功率MOS管反接作为整流用开关二极管，代替肖特基二极管（SBD），可降低管压降，从而提高电路效率。
（5）功率因数校正（PFC）变换器
由于AC／DC变换电路的输入端有整流器件和滤波电容，在正弦电压输入时，单相整流电源供电的电子设备，电网侧（交流输入端）功率因数仅为0.6～0.65。
采用功率因数校正（PFC）变换器，网侧功率因数可提高到0.90～0.95，输入电流THD<10％。
既治理了对电网的谐波污染，又提高了电源的整体效率。
这一技术称为有源功率因数校正（APFC），单相APFC国内外开发较早，技术已较成熟；三相APFC的拓扑类型和控制策略虽然已经有很多种，但还有待继续研究发展。
高功率因数AC／DC开关电源，由两级拓扑组成，对于小功率AC／DC开关电源来说，采用两级拓扑结构总体效率低、成本高。
如果对输入端功率因数要求不特别高时，将PFC变换器和后级DC／DC变换器组合成一个拓扑，构成单级高功率因数AC／DC开关电源，只用一个主开关管，可使功率因数校正到0.8以上，并使输出直流电压可调，这种拓扑结构称为单管单级PFC变换器。
（6）全数字化控制
电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。
全数字控制是发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。
全数字控制的优点是数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量，芯片价格也更低廉；对电流检测误差可以进行精确的数字校正，电压检测也更精确；可以实现快速，灵活的控制设计。
（7）电磁兼容性
高频开关电源的电磁兼容（EMC）问题有其特殊性。
功率半导体器件在开关过程中所产生的di／dt和dv／dt，将引起强大的传导电磁干扰和谐波干扰，以及强电磁场（通常是近场）辐射。
不但严重污染周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，还可能危及附近操作人员的安全。
同时，电力电子电路（如开关变换器）内部的控制电路也必须能承受开关动作产生的EMI及应用现场电磁噪声的干扰。
上述特殊性，再加上EMI测量上的具体困难，在电力电子的电磁兼容领域里，存在着许多交叉学科的前沿课题有待人们研究。
国内外许多大学均开展了电力电子电路的电磁干扰和电磁兼容性问题的研究，并取得了不少可喜成果。
（8）设计和测试技术
建模、仿真和CAD是一种新的设计研究工具。
为了仿真电源系统，首先要建立仿真模型，包括电力电子器件、变换器电路、数字和模拟控制电路以及磁元件和磁场分布模型等，还要考虑开关管的热模型、可靠性模型和EMC模型。
各种模型差别很大，建模的发展方向是数字一模拟混合建模、混合层次建模以及将各种模型组成一个统一的多层次模型等。
电源系统的CAD，包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数最优化、磁设计、热设计、EMI设计和印制电路板设计、可靠性预估、计算机辅助综合和优化设计等。
用基于仿真的专家系统进行电源系统的CAD，可使所设计的系统性能最优，减少设计制造费用，并能做可制造性分析，是21世纪仿真和CAD技术的发展方向之一。
此外，电源系统的热测试、EMI测试、可靠性测试等技术的开发、研究与应用也是应大力发展的。
第二章直流稳压电源的分类
直流稳压电源主要有线性电源、相控电源、开关电源三种。
交流电经过整流，可以得到直流电。
但是，由于交流电压及负载电流的变化，整流后得到的直流电压通常会造成20%到40%的电压变化。
为了得到稳定的直流电压，必须采用稳压电路来实现稳压。
按照实现方法的不同，稳压电源可分为三种：
线性稳压电源、开关稳压电源。
2.1线性稳压电源
线性稳压电源通常包括：
调整管、比较放大部分（误差放大器）、反馈采样部分以及基准电压部分，它的典型原理框图如图1所示。
调整管与负载串联分压（分担输入电压Ui），因此只要将它们之间的分压比随时调节到适当值，就能保证输出电压不变。
这个调节过程是通过一个反馈控制过程来实现的。
反馈采样部分监测输出电压，然后通过比较放大器与基准电压进行比较判断：
输出电压是偏高了还是偏低了，偏差多少？
再把这个偏差量放大去控制调整管，如果输出电压偏高，则将调整管上的压降调高，使负载的分压减小；如果输出电压偏低，则将调整管上的压降调低，使负载的分压增大，从而实现输出稳压。
图1线性串联稳压电源原理框图
下图2为用分立元件组成简单的线性稳压器电路
线性稳压电源的线路简单、干扰小，对输入电压和负载变化的响应非常快，稳压性能非常好。
但是，线性稳压电源功率调整管始终工作在线性放大区，调整管上功率损耗很大，导致线性稳压电源效率较低，只有20%～40%，发热损耗严重，所需的散热器体积大，重量重，因而功率体积系数只有20～30W/dm3；另外线性电源对电网电压大范围变化的适应性较差，输出电压保持时间仅有5ms。
因此线性电源主要用在小功率、对稳压精度要求很高的场合，如：
一些为通信设备内部的集成电路供电的辅助电源等。
图2线性串联稳压电源
2.2开关型稳压电源
线性稳压电源的动态响应非常快，稳压性能好，只可惜功率转换效率太低。
要提高效率，就必须使图2中的功率调整器件处于开关工作状态，电路相应地稍加变化即成为开关型稳压电源。
转变后的原理框图如图3所示。
调整管作为开关而言，导通时（压降小）几乎不消耗能量，关断时漏电流很小，也几乎不消耗能量，从而大大提高了转换效率，其功率转换效率可达80%以上。
在图3中，波动的直流电压Ui输入高频变换器（即为开关管Q和二极管D），经高频变换器转变为高频（≥20kHz）脉冲方波电压，该脉冲方波电压通过滤波器（电感L和电容C）变成平滑的直流电压供给负载。
高频变换器和输出滤波器一起构成主回路，完成能量处理任务。
而稳定输出电压的任务是靠控制回路对主回路的控制作用来实现的。
控制回路包括采样部分、基准电压部分、比较放大器（误差放大器）、脉冲/电压转换器等。
开关电源稳定输出电压的原理可以直观理解为是通过控制滤波电容的充、放电时间来实现的。
具体的稳压过程如下：
当开关稳压电源的负载电流增大或输入电压Ui降低时，输出电压Uo轻微下降，控制回路就使高频变换器输出的脉冲方波的宽度变宽，即给电容多充点电（充电时间加长），少放点电（放电时间减短），从而使电容C上的电压（即输出电压）回升，起到稳定输出电压的作用。
反之，当外界因素引起输出电压偏高时，控制电路使高频变换器输出脉冲方波的宽度变窄，即给电容少充点电，从而使电容C上的电压回落，稳定输出电压。
图3降压型开关电源原理图
开关稳压电源与线性稳压电源的主要性能比较表1
项目
开关稳压电源
线性稳压电源
功率转换效率
65%～95%
20%～40%
发热（损耗）
小
大
体积
小
大
功率体积系数
60～100W/dm3
20～30W/dm3
重量
轻
重
功率重量系数
60～150W/kg
22～30W/kg
对电网变化的适应性
强
弱
输出电压保持时间
长（20ms）
短（5ms）
电路
复杂
简单
射频干扰和电磁干扰
（RFI和EMI）
大
小
纹波
大（10mV）P-P
小（5mV）P-P
动态响应
稍差（2ms）
好（100s）
电压、负载稳定度
高
低
开关稳压电源和线性稳压电源相比，功率转换效率高，可达65%～90%，发热少，体积小、重量轻，功率体积系数可达60～100W/dm3，对电网电压大范围变化具有很强的适应性，电压、负载稳定度高，输出电压保持时间长达20ms。
但是线路复杂，电磁干扰和射频干扰大。
具体性能指标对比如表1所示。
和相控稳压电源相比，开关电源不需要工频变压器，工作频率高，所需的滤波电容、电感小，因而体积小，重量轻，动态响应速度快。
开关电源的开关频率都在20kHz以上，超出人耳的听觉范围，没有令人心烦的噪声。
开关电源可以采用有效的功率因数较正技术，使功率因数达0.9以上，高的甚至达到0.99（安圣的HD4850整流模块）。
这些使得开关电源的性能几乎全面超过相控电源，在通信电源领域已大量取代相控电源。
开关电源的线路复杂，这种电路问世之初，其控制线路都是由分立元件或运算放大器等集成电路组成。
由于元件多，线路复杂以及随之而来的可靠性差的原因，严重影响了开关电源的广泛应用。
开关电源的发展依赖于元器件和磁性材料的发展。
70年代后期，随着半导体技术的高度发展，高反压快速功率开关管使无工频变压器的开关稳压电源迅速实用化。
而集成电路的迅速发展为开关稳压电源控制电路的集成化奠定了基础。
陆续涌现出的开关稳压电源专用的脉冲调制电路如SG3526和TL494等为开关稳压电源提供了成本低、性能优良可靠、使用方便的集成控制电路芯片，从而使得开关电源的电路由复杂变为简单。
目前，开关稳压电源的输出纹波已可达100mV以下，射频干扰和电磁干扰也被抑制到很低的水平上。
总之，随着电技术的发展，开关稳压电源的缺点正逐步被克服，其优点也得以充分发挥。
尤其在当前能源比较紧张的情况下，开关稳压电源的高效率能够在节能上做出很大的贡献。
正因为开关电源具有这些优点，它得到了蓬勃的发展。
第三章稳压电源电路设计
3.1整流电路
3.1.1半波整流电路
半波整流就是利用二极管的单向导电性能，使经变压器出来的电压Vo只有半个周期可以到达负载，造成负载电压VL是单方向的脉动直流电压。
图4
主要参数：
3.1.2全波整流电路
利用副边有中心抽头的变压器和两个二极管构成如图5所示的全波整流电路。
从图中可见，正负半周都有电流流过负载，提高了整流效率。
图5
全波整流的特点：
输出电压VO高；脉动小；正负半周都有电流供给负载，因而变压器得到充分利用，效率较高。
主要参数：
3.1.3桥式整流
图6
桥式整流属于全波整流，它不是利用副边带有中心抽头的变压器,而是用四个二极管接成电桥形式，使在电压V2的正负半周均有电流流过负载，在负载形成单方向的全波脉动电压。
主要参数：
3.2滤波电路
从上面的分析可以看出，整流电路输出波形中含有较多的纹波成分，与所要求的波形相去甚远。
所以通常在整流电路后接滤波电路以滤去整流输出电压的纹波。
滤波电路常有电容滤波，电感滤波和RC滤波等。
3.2.1电容滤波电路
图7
图7分别是桥式整流电容滤波电路和它的部分波形。
这里假设t<0时，电容器C已经充电到交流电压V2的最大值（如波形图所示）。
结论1：
由于电容的储能作用，使得输出波形比较平滑，脉动成分降低输出电压的平均值增大。
当RLC的值适当，且整流电路的内阻较小（几欧）时，
图8
结论2：
从图8可看出，滤波电路中二极管的导电角小于180o ,导电时间缩短。
因此，在短暂的导电时间内流过二极管很大的冲击电流，必须选择较大容量的二极管。
在纯电阻负载时：
有电容滤波时：
结论3：
电容放电的时间τ=RLC越大,放电过程越慢，输出电压中脉动（纹波）成分越少，滤波效果越好。
一般取τ≥（3～5）T/2，T为电源交流电压的周期。
3.2.2电感滤波电路
电感滤波电路利用电感器两端的电流不能突变的特点，把电感器与负载串联起来，以达到使输出电流平滑的目的。
从能量的观点看，当电源提供的电流增大（由电源电压增加引起）时,电感器L把能量存储起来；而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流平滑，所以电感L有平波作用。
图9图10
优点：
整流二极管的导电角大，峰值电流小，输出特性较平坦。
缺点：
存在铁心，笨重、体积大，易引起电磁干扰,一般只适应于低电压、大电流的场合。
3.3控制电路设计
TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制所需的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。
TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合的要求。
其主要特性如下：
3.3.1主要特征及工作原理
特征：
（1）集成了全部的脉宽调制电路。
（2）片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件仅两个（一个电阻和一个电容）。
（3）内置误差放大器。
（4）内止5V参考基准电压源。
（5）可调整死区时间。
（6）内置功率晶体管可提供500mA的驱动能力。
（7）推或拉两种输出方式。
工作原理简述
TL494是一个固定频率的脉冲宽度调制电路，内置了线性锯齿波振荡器，振荡频率可通过外部的一个电阻和一个电容进行调节，其振荡频率如下：
输出脉冲的宽度是通过电容CT上的正极性锯齿波电压与另外两个控制信号进行比较来实现。
功率输出管Q1和Q2受控于或非门。
当双稳触发器的时钟信号为低电平时才会被选通，即只有在锯齿波电压大于控制信号期间才会被选通。
当控制信号增大，输出脉冲的宽度将减小。
参见图11。
控制信号由集成电路外部输入，一路送至死区时间比较器，一路送往误差放大器的输入端。
死区时间比较器具有120mV的输入补偿电压，它限制了最小输出死区时间约等于锯齿波周期的4%，当输出端接地，最大输出占空比为96%，而输出端接参考电平时，占空比为48%。
当把死区时间控制输入端接上固定的电压（范围在0—3.3V之间）即能在输出脉冲上产生附加的死区时间。
图11
脉冲宽度调制比较器为误差放大器调节输出脉宽提供了一个手段：
当反馈电压从0.5V变化到3.5时，输出的脉冲宽度从被死区确定的最大导通百分比时间中下降到零。
两个误差放大器具有从-0.3V到（Vcc-2.0）的共模输入范围，这可能从电源的输出电压和电流察觉得到。
误差放大器的输出端常处于高电平，它与脉冲宽度调制器的反相输入端进行“或”运算，正是这种电路结构，放大器只需最小的输出即可支配控制回路。
图12
当比较器CT放电，一个正脉冲出现在死区比较器的输出端，受脉冲约束的双稳触发器进行计时，同时停止输出管Q1和Q2的工作。
若输出控制端连接到参考电压源，那么调制脉冲交替输出至两个输出晶体管，输出频率等于脉冲振荡器的一半。
如果工作于单端状态，且最大占空比小于50%时，输出驱动信号分别从晶体管Q1或Q2取得。
输出变压器一个反馈绕组及二极管提供反馈电压。
在单端工作模式下，当需要更高的驱动电流输出，亦可将Q1和Q2并联使用，这时，需将输出模式控制脚接地以关闭双稳触发器。
这种状态下，输出的脉冲频率将等于振荡器的频率。
TL494内置一个5.0V的基准电压源，使用外置偏置电路时，可提供高达10mA的负载电流，在典型的0—70℃温度范围50mV温漂条件下，该基准电压源能提供±5%的精确度。
图13
TL494的极限参数
名称
代号
极限值
单位
工作电压
Vcc
42
V
集电极输出电压
Vc1,Vc2
42
V
集电极输出电流
Ic1,Ic2
500
mA
放大器输入电压范围
VIR
-0.3V—+42
V
功耗
PD
1000
mW
热阻
RθJA
80
℃/W
工作结温
TJ
125
℃
工作环境温度
TL494B
TL494C
TL494I
NCV494B
TA
-40—+125
0—+70
-40—+85
-40—+125
℃
额定环境温度
TA
40
℃
3.3.2TL494的性能测试
（1）工作电压对各参数的影响，如表2所示。
此时调频电容为9 nF，调频电阻为9 kΩ，调宽电压为2．5 V。
表2工作电压与各参数的对应关系
从表2可以看出，工作电压V的改变对输出脉冲的周期T及脉宽T1无影响，而脉冲的幅值F随着工作电压V的增加也逐步增大，工作电流I随电压的变化不是很大，其供电范围在7～40 V之间，而其工作频率可达300 kHz，可见TL494的可调性大。
（2）当TL494调频电容和电阻一定时，改变脉冲宽度，就会得到输出脉冲宽度不同的一系列脉冲，这样就会得到调宽电压与占空比的关系，如图14所示。
从图14可以看出，当脉宽为周期的1/2时，效果最佳。
图14脉宽电压与占空比关系图
3.3.3TL494管脚配置及其功
能
TL494的内部电路由基准电压产生电路、振荡电路、间歇期调整电路、两个误差放大器、脉宽调制比较器以及输出电路等组成。
图15是它的管脚图，其中1、2脚是误差放大器I的同相和反相输入端；3脚是相位校正和增益控制；4脚为间歇期调理，其上加0～3.3V电压时可使截止时间从2%线怀变化到100%；5、6脚分别用于外接振荡电阻和振荡电容；7脚为接地端；8、9脚和11、10脚分别为TL494内部两个末级输出三极管集电极和发射极；图15TL494管脚图
12脚为电源供电端；13脚为输出控制端，该脚接地时为并联单端输出方式，接14脚时为推挽输出方式；14脚为5V基准电压输出端，最大输出电流10mA；15、16脚是误差放大器II的反相和同相输入端。
3.3.4TL494的应用
TL494脉宽调制器件是目前微机电源中被广泛采用来构成其他激式直流开关电源的专用器件。
在显示电源和其他开关电源的应用中也常被采用。
在大功率直流开关电源中，为提高直流电源调整精度及易于完成各种自动保护控制功能，是直流开关电源中常用的脉宽调制器件，而且价格便宜。
下面介绍一个TL494的应用电路。
图16降压型直流稳压电源电路图
第四章直流稳压电源的保护技术
直流稳压器中所使用的大功率开关器件价格较贵,其控制电路亦比较复杂,另外,开关稳压器的负载一般都是用大量的集成化程度很高的器件安装的电子系统。
晶体管和集成器件耐受电、热冲击的能力较差。
因而开关稳压器的保护应该兼顾稳压器本身和负载的安全。
保护电路的种类很多,这里介绍极性保护、程序保护、过电流保护、过电压保护、欠电压保护等电路。
通常选用几种保护方式加以组合,构成完善的保护系统。
4.1极性保护
直流开关稳压器的输入一般都是未稳压直流电源。
由于操作失误或者意外情况会将其极性接错,将损坏开关稳压电源。
极性保护的目的,就是使开关稳压器仅当以正确的极性接上未稳压直流电源时才能工作。
利用单向导通的器件可以实现电源的极性保护。
最简单的极性保护电路如图17所示。
由于二极管D要流过开关稳压器的输入总电流,因此这种电路应用在小功率的开关稳压器上比较合适。
在较大功率的场合,则把极性保护电路作为程序保护中的一个环节,可以省去极性保护所需的大功率二极管,功耗也将减小。
为了操作方便,便于识别极性正确与否,在图17中的二极管之后,接指示灯。
图17简单的极性保护
4.2程序保护
开关稳压电源的电路比较复杂,基本上可以分为小功率的控制部分和大功率的开关部分。
开关晶体管则属大功率，为保护开关晶体管在开启或关断电源时的安全,必须先让调制器、放大器等小功率的控制电路工作。
为此,要保证正确的开机程序。
开关稳压器的输入端一般接有小电感、大电容的输入滤波器。
在开机瞬间,滤波电容器会流过很大的浪涌电流,这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。
这样大的浪涌电流会使普通电源开关的触点或继电器的触点熔化,并使输入保险丝熔断。
另外,浪涌
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