DC直流开关电源设计.doc
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摘要
本文设计了一个三路输出的开关电源系统,首先将开关电源与线性电源进行对比，总结了开关电源的优点,并对其当前的发展以及在发展中存在的问题进行了描述，然后在对开关电源的整体结构进行了介绍的基础上，对开关电源的主回路和控制回路进行设计：
在主回路中整流电路采用单相桥式、功率转换电路采用单端正激功率转换电路、采用增加副边绕组的方法实现多路输出，其中功率转换电路（DC/DC变换器）是开关电源的核心部分，对此部分进行了重点设计；控制电路采用PWM控制，控制器采用开关电源集成控制器GW1524、设计了过压保护电路、电压检测电路和电流检测电路，对各个部分的参数进行了计算并进行了元器件的选型。
【关键词】DC/DC变换器、PWM控制、整流、滤波。
Abstract
Inthispaper,Idesignedaswitchpowersupplysystemwiththreeoutputs:
Comparetheswitchpowerwithlinearpoweratfirst,hassummarizedtheadvantageoftheswitchpower,havedescribeditspresentdevelopmentandtherearenaturalquestionsindevelopment.Onthebasisofthethingthatthewholestructuretotheswitchpowerhasmadeanintroduction,tothemainreturncircuitandcontrollingthereturncircuittodesignoftheswitchpower:
Therectificationcircuitadoptsthesingle-phasebridgetypeinthemainreturncircuit,thepowerchangesthecircuitandadoptsanddefiesthepowertochangethecircuit,realizebyincreasingthewindingofonepairofsidessingleandwellthatmanywaysareexported,itisakeypartoftheswitchpowersupplythatthepowerchangescircuit（DC/DCtransformer）,havedesignedthispartespecially;ThecontrolcircuitadoptsPWMtocontrol,thecontrolleradoptstheswitchpowerintegratedcontrollerGW1524,designthecircuittomeasurevoltageandthecircuittoelmeasureectriccurrent,selectingtypeofcalculatingandcarryingonthecomponentsandpartstheparameterofeachpart.
Keyword：
DC/DCtransformer,PWMcontrol,rectification,strainingwaves.
41
目录
1概述 1
1.1开关电源的基本原理 1
1.2开关电源与线性电源的比较 2
1.3开关电源的发展与应用 2
1.4开关电源当前存在的问题 3
2整流电路的设计 5
2.1整流电路的选择 5
2.1.1单相半波整流电路 6
2.1.2单相桥式整流电路 7
2.2防止电流冲击的设计 7
2.3参数计算以及元器件的选型 8
2.3.1整流管参数计算 9
2.3.2变压器参数 9
2.3.3电容参数计算 10
3DC/DC变换器的设计 11
3.1控制方式的选择 11
3.2功率转换电路的选择 12
3.2.1推挽式功率转换电路 12
3.2.2全桥式功率转换电路 13
3.2.3半桥式功率转换电路 13
3.2.4正向激励功率转换电路 14
3.2.5反向激励功率转换电路 15
3.3单端正激变换器的设计 15
3.3.1工作原理 16
3.3.2能量再生线圈P2的工作原理 17
3.3.3多路输出的设计 17
3.3.4变压器设计 17
3.3.5电感的参数计算 19
3.3.6二极管和电容器的选择 21
3.3.7开关管的选择 21
4控制电路的设计 23
4.1控制模式的选择 23
4.1.1电压模式控制 23
4.1.2平均电流模式控制 24
4.1.3峰值电流模式控制 25
4.1.4滞环电流模式控制 26
4.1.5相加模式控制 27
4.2开关电源集成控制器 27
4.2.1GWl524的特点 28
4.2.21524的极限使用值和主要电性能 28
4.2.3GW1524的内部结构 28
4.2.4GW1524工作过程 31
4.3电压检测电路 32
4.4电流检测电路 33
4.4.1电阻检测 33
4.4.2电流互感器检测 34
4.5启动和集成电路供电电路设计 35
4.6保护电路的设计 36
5结论及设想 38
致谢 39
参考文献 40
附录1：
开关电源原理图 41
附录2：
元器件清单 42
1概述
电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，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、电子检测设备电源、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。
1.1开关电源的基本原理
开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的基本构成如图1-1所示，DC-DC变换器是进行功率变换的器件，是开关电源的核心部件，此外还有启动电路、过流与过压保护电路、噪声滤波器等组成部分。
反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。
其结构图如图1-1所示。
DC/DC变换器
V1V0
取样
比较
放大
参考
电压
PWM
驱动器
图1-1开关电源结构图
1.2开关电源与线性电源的比较
线性电源的原理图如图1-2所示：
是先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压。
它的缺点是需要庞大而笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大，而且电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低，还要安装很大的散热片。
这种电源不适合计算机等设备的需要，将逐步被开关电源所取代。
图1-2线性电源的原理图
开关电源的原理图如图1-3所示：
是将交流电先整流成直流电，在将直流逆变成交流电，在整流输出成所需要的直流电压。
图1-3开关电源的原理图
开关电源和线性电源相比，具有以下优点：
体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的30%）、效率高（一般为70%而线性电源只有40%）、自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化等优点。
但也存在一些缺点：
由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰，需要良好的屏蔽及接地。
1.3开关电源的发展与应用
当前,开关电源新技术产品正在向以下“四化”的方向发展:
应用技术的高频化;硬件结构的模块化;软件控制的数字化;产品性能的绿色化。
由此,新一代开关电源产品的技术含量大大提高,使之更加可靠、成熟、经济、实用。
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，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。
近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了“智能化”功率模块（IPM）,这样缩小了整机的体积,方便了整机设计和制造。
为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了“用户专用”功率模块（ASPM）,它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件间不再有传统的引线相连,这样的模块经过严格、合理的、热、电、机械方面的设计,达到优化完善的境地。
开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳定电源,它以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。
而当我们把开关电源的研究扩大到可调高电压、大电流时,以及将研究新技术应用于DC/AC变换器,即开拓了大功率应用领域,又使开关电源的应用范围扩大到了从发电厂设备至家用电器的所有应用电力、电子技术的电气工程领域。
作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础的开关电源,它的产品展现了广阔的市场前景。
例如,发电厂的贮能发电设备、直流输电系统、动态无功补偿、机车牵引、交直流电机传动、不停电电源、汽车电子化、开关电源、中高频感应加热设备以及电视、通讯、办公自动化设备等。
1.4开关电源当前存在的问题
当我们对该技术进行深入研究后却发现它仍然存在着一些问题需要解决，而且有的问题还带有全局性：
采用定频调宽的控制方式来设计电源，都以输出功率最大时所需的续流时间为依据来预留开关截止时间的，则负载所需的功率小于电源的最大输出功率时就必然造成了工作电流的不连续；“反峰电压”是开关导通期间存入高频变压器的励磁能量在开关关断时的一种表现，而励磁能量只能在、也必须在开关关断后的截止期间处理掉，既能高效处理励磁能量又能有效限制反峰电压的办法是存在的，那就是要及时地为励磁能量提供一个“低阻抗通道”，并且为励磁能量的通过提供一段时间，但“单调”控制方法不具备这一条件；高频变压器的磁通复位问题；传统的电流取样方法是在功率回路中串联电阻，效率不高，这个问题向来是电源技术，尤其是以小体积、高功率密度见长的开关电源技术发展的“瓶颈”；高频开关电源的并联同步输出问题。
以上的问题看似彼此独立，其实它们之间存在着一定的关联性解决这些问题，也许还是一条艰难而漫长的路。
2整流电路的设计
整流是将交流电变成脉动直流电的过程。
电源变压器输出的交流电经整流电路得到一个大小变化但方向不变的脉动直流电。
整流电路是由具有单向导电性的元件例如二极管、晶间管等整流元件组成的。
2.1整流电路的选择
单相整流电路有两种：
电容输入型电路和扼流圈输入型电路
电容输入型的基本电路如图2-1：
（a）为半波整流电路（b）为中间抽头的全波整流电路（c）桥式整流电路（d）倍压整流电路。
图2-1电容输入型的基本电路
图2-2为扼流圈输入型基本电路，用于负载电流I0较大的电路，扼流圈L的作用是抑制尖峰电流。
两种基本电路的比较如下：
（1）开关电源多采用脉宽调制方式，空载时开关晶体管的导通时间非常短。
其导通时间随开关电源的设计方法不同而异，也有采用控制开关晶体管电路的延时进行的间歇开关工作，这时，若采用扼流圈输入型整流电路，接近空载时，扼流固变为临界值，逆流电路由扼梳阂输入型变为业为电容输入型。
为此，从满载到空载变动时，整流输出电压变动较大，空载时有可能进入间歇开关领域。
（2）开关电源的特点是效率高而体积小，若使用扼流圈时，为提高负载调整率需要接入扼流圈以及阻尼电阻。
（3）扼流圈可能与次级侧滤波回路产生谐振。
因此，开关电源的输入整流电路采用电容输入型。
图2-2扼流圈输入型基本电路
2.1.1单相半波整流电路
单相半波整流电路是最简单的整流电路如图2-3，仅利用一个二极管来实现整流功能。
单相半波整流电路的输出电压平均值为：
（为变压器副边输出电压的有效值）
图2-3单相半波整流电路
2.1.2单相桥式整流电路
单相半波整流电路的缺点是只利用了电源的半个周期，输出电流较小，同时整流电压的脉动较大。
全波整流电路可以克服这些缺点，其中最常用的是单相桥式整流电路，它是由四个二极管接成电桥的形式构成的。
可以看到，四个二极管分为两组，正负半周轮流导通，但负载上电流方向不变，此即为全波整流。
图2-4单相桥式整流电路
单相桥式整流电压的平均值为：
（为变压器副边输出电压的有效值）,比半波整流输出电压高。
因此，整流电路选用单相桥式整流电路。
2.2防止电流冲击的设计
开关电源输入大多为电容输入型，当电源刚接通时，就会有非常大的对电容充电的冲击电流。
例如，线路阻抗若为0.5输入交流100V电压，若在其峰值时开关接通，则冲击电流就达282A。
如此大的冲击电流可能会损坏输入保险丝、整流二极管和电容等。
防止冲击电流的最简单方法是在线路个接入一只电阻。
如图2-5（a）所示，但平常电阻有损耗，这种方法适用小功率开关电源图2-5（b）和（c）也是采用电阻。
但与电阻并联一只开关（继电器触点和晶闸管），电源接通时，开关断开，电阻防止冲击电流，正常工作时，与电阻并联的开关接通。
把电阻短路，减小了电阻损耗。
这种方法适用于中等容量的开关电源。
图2-5（d）是采用热敏电阻的方法、热敏电阻RH的阻值随温度增加而减小，防止了冲击电流，平时损耗又小。
本设计欲采用串热敏电阻的方法。
图2-5防止电流冲击的方法
本设计的整流电路如图2-6：
图2-6整流电路图
2.3参数计算以及元器件的选型
由于开关电源系统三路输出分别为：
15V，4A；12V，3A；5V，2A，则输出功率
如果考虑变压器的效率80%，则整流电路的输出功率应为：
则可以设定整流电路输入电压，输出电压100V、电流1.5A。
2.3.1整流管参数计算
整流输出电压为Vs=100V，则变压器次级电压：
考虑到变压器二次侧及管子的压降，变压器二次侧电压大约需要提高10%，则：
二极管的最大反向电压：
二极管平均电流：
可选用1N4003/A（代用型号ZCI11B）整流二极管，最高反向工作电压为200V,额定工作电流为1A。
2.3.2变压器参数
则变压器变比为：
变压器二次侧电流有效值：
变压器的容量为：
如果考虑变压器的效率η=80%则
2.3.3电容参数计算
整流电路负载RL=U0/I0=100V/1.5A=66.7
在工程中，一般取
由于
则
选用、耐压为150V的极性电解电容。
3DC/DC变换器的设计
DC/DC变换器进行功率变换，是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压，将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波，它是开关电源的核心部分，开关电源DC/DC变换器有多种电路方式，常有的有工作波形为方波的脉宽调制（PWM）变换器以及工作波形为正弦波的谐振变换器。
基本工作原理如图3-1所示。
图3-1DC/DC变换器的基本原理图
它是一种控制开关S通/断时间的比例，用电抗器与电容器蓄积能量的元件。
对续流的波形进行平滑处理，从而更有效地调整功率流的电路。
斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式TS不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变TS（易产生干扰）。
DC/DC变换器按输入输出的隔离方式分有隔离方式与非隔离方式；按开关的控制方式分有自励式和它励式，以及脉宽调制、脉频调制与幅度调制等多种方式。
3.1控制方式的选择
对于TRC变换器，有两种工作方式：
一种是保持开关工作周期Ｔ不变，控制开关导通时间Ton冲宽度调制（PWM）方式，二是保持导通时间Ton，改变开关工作周期T的脉冲频率调制方式（PFM）。
脉冲宽度调制（PWM）变换器就是通过重复通断开关方式把一种直流电压（电流）变换为高频方波电压（电流），再经过整流平滑后变为另一种直流电压输出。
PWM变换器由功率开关管、整流二极管及滤波电路等元件组成。
对PWM变换器，加在开关管S两端的电压us通过S的电流is近似为方波，如图3-3所示
图3-2PWM变换器的工作波形
占空比D定义为：
（3－1）
3.2功率转换电路的选择
PWM型稳压电源功率转换电路有挽推、全桥、半桥以及单端反激、单端正激等。
3.2.1推挽式功率转换电路
控制开关晶体管VT1和VT2的基极，VT1和VT2以PWM方式激励而交替通晰，将输入直流电压变换成高频方波交流电压。
当VT1导通时，输入电源电压VI通过VT1加到高频变压器T1的初级绕组Nl，由于T1具有两个匝数相等主绕组N1故在VT1导通时，在截止晶体管VT2上将加有两倍的电源电压2VI。
当基极激励信号消失时，一对开关晶体管均截止，其集电极施加电压均均为2VI。
当下半个周期，VT2激励导通，VT1截止，基极激励信号消失，一对开关晶体管又都均截止，VCE1和VCE2均为VI。
下一个周期五复上述过程。
在品体管导通过程中，集电极电流除负载电流成分外，还包含有输出电容器的充电电流和高频变压器的励磁电流，它们均随导通脉冲宽度的增加而线性上升。
在开关的暂态过程中，由于高频变压器次级侧开关整流二极管反向恢复时间内所造成的短路以及为了抑制集电极电压尖峰而设置的RC吸收网络的作用，当开关管导通时，将会有尖峰冲击电流；在关断瞬间，由于高频变压器漏感的作用，在集电极会产生电压尖峰。
推挽式转换电路的输出电压V0＝2NDVI，式中，N为变压器的匝比，D为晶体管的占空比，其优点是：
转换效率高；经济实用；变压器的利用率高；输入输出间隔离；晶体管加相同电压，控制电路直接对其激励，不需要驱动变压器。
不足之处是：
需要一对开关晶体管；晶体管的耐压需要是输入电压的2倍；直流分量加到变压器上，使其磁心易饱和。
3.2.2全桥式功率转换电路
工作原理是：
当一组开关晶体管（例如VT1、VT4））寻通时，截止晶体管（VT2、VT3）上加的电压即为输入电压VI。
当所有的晶体管截止时，同臂上的两只开关晶体管共同承受输入电压即VI/2。
由高频变压器漏感引起的电压尖峰，当其超过输入电压时，反向并接在开关晶体管的集射之间的告诉续流二极管便导通，集电极电压被钳位在输入电压上。
由此可见，全桥式电路开关晶体管稳态时其最高加的电压即为输入电压，暂态过程的尖峰电压亦被钳位在VI，比推挽式电路低一半，晶体管可选用耐压低的元件；而且，钳位二极管将漏感储能量馈送给输入电源，有利于提高效率，并可获得大功率输出，可大于750W。
缺点是：
使用4只开关晶体管，需要4组彼此隔离的基极驱动电路，电路复杂，元器件多。
3.2.3半桥式功率转换电路
工作原理简介如下：
当一对开关晶体管管截止时，若电容C01和C02的容量相等而且电路对称，则电容中点A的电压为输入电压的—半，即为VC01=VC02=VI/2。
当VT1被激励导通时，电容C01将通过VT1，和变压器T1的初级绕组N1放电，同时，电容C02则通过输入电源、VT1和VI的初级绕组Nl充电、中点A的电位在充放电过程中将按指数规律下降。
在VTl导通终了时，VA将下降至VI/2—VI；接着是一对晶体管都截止的期间，此时，VCE1=VC01，VCE2=VC02都接近输入电源电压的一半；当VT2激励导通时，电容C01将被充电，电容C02将放电，中点A电位在VT2导通终了时将增至VI/2+VI，即中点A的电位在开关过程中将在VI/2的电位上以±VI的幅度作指数变化。
当一个晶体管导通时，截止晶体管上加的电压约为等于输入电压，晶体管由导通转为截止的过程中，漏感引起的尖峰电压被二极管钳位，因此，开关管上承受的最高电压不超过电源电压。
而且，晶体管的数量只是全桥式的一半，这是其优点。
但要得全桥和推挽式电路相同的输出功率，开关晶体管必须流经两倍的电流，因此，一般适宜获得中等功率输出。
然而半桥式电路具有抗不平衡能力。
为此，获得其广泛应用。
3.2.4正向激励功率转换电路
加在变压器上电压是振幅等于输入电压VI，宽度为开关导通时间TON冲波形。
变压器次级侧电压经过极管整流变为直流。
正激变换器的优点：
（1）正激变换器的铜损较低。
因为使用无气隙的铁芯，电感值较高，原边与副边的峰值电流较小。
因此，铜损较小。
在多数情况下，减小程度不足以允许使用小一级尺寸的铁芯，但会使变压器的温度稍为降低一些。
（2）副边纹波电流明显衰减。
因为，在一定输出负载时，输出电感器和续流二极管的存在使得储能电容电流保持在较小的数值上。
正激变换器的能量储存于输出电感器是有利于负载的，储能电容可以取得很小，因它只用来协助降低输出纹波电压。
而且相对反激变换器而言，电容上通过纹波电流定额值要求小一些。
（3）如果加假负载，则效率会在同等功率输出下，正激变换器集电极峰值电流小得多，开关管Tr的峰值电流较低。
理由同
（1）。
（4）因为纹被电流小，纹被电压小。
3.2.5反向激励功率转换电路
工作原理简介如下：
在晶体管VT1导通期间，变压器T1的初级绕组N1中电流线性增长（VI=Ldi/dt），绕组电感中存储能量（1／2Li2），此时，T1的次级侧的二极管VD1阻断电流流通；在晶体管VT1截止期间，电感中存储的能量通过二极管VD1释放给负载：
反激变换器虽然不需要电感，但有开关管（包括原边和副边绕组）和滤波电容纹波电流大的不足；缺点是晶体管的尖峰电流较大，需要较大的滤波电容等。
此电路适用于输出功率为200W的电源。
3.3单端正激变换器的设计
单端正激变换器主回路如图3-4所示。
它是在Buck电路的开关S与续流二极管D之间加入单端变压隔离器而得到的。
图3-3单端正激变换电路原理图
由于正激式变换器的隔离元件T1纯粹是个变压器，因此在输出端需附加一个电感器L作为能量的储藏及传送元件。
电路中必有一个续流二极管，同时也要注意到变压器原边和副边线圈具有相同的同铭端。
由于是正激工作方式，副边有电感器，折算至原边电感量较大。
一般电感量越大越好，使得IP较小。
变压器T1的另一个绕组P2与二极管Dl串联后接至Vs。
这个绕组主要起去磁复位的作用。
3.3.1工作原理
在Tr导通时，在原边绕组接向电源Vs，同一时间内，副边绕组把能量传递到输出端。
当Tr关断时，续流二极管D3和储能元件L构成放能的回路，继续对负载电阻R0供能。
当晶体管TT导通时，设副边电压为Vs’，则电感L内的电流将直线增加，如下式所示：
（3-2）
当晶体管Tr关断时，由于反激作用，电感上电压反向，D3导通，构成续流回路，而电感上的电压等于输出电压Vo（忽略二极管压降），L上电流iL的衰减由下式定义：
（3-3）
由上式可知，电感L的大小，只是影响diL/dt,或者说，影响电流的峰—峰值。
电流平均值应与输出电流I0相等。
正激变换器输出电压的大小取决于变压器的匝比和晶体管Tr的导通占空比—
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