高稳定度直流电源+24V设计Word下载.docx

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SG3525A；

MATLAB仿真

DesignofHighStabilityDCPowerSupply

Abstract:

Describingthedevelopmentandcurrentsituationofswitchingpowersupply,switchingpowersupplybrieflyintroducedtheclassification,developmenttrendanditssignificance;

DCswitchingpowersupplydescribedthestructureandworkingprincipleoftheswitchingpowersupplyofthemaincircuitandcontrolcircuitdesign:

Inthemaininputloopcircuitusingsingle-phaserectifierbridgerectifiercircuit,whichalsodesignedthelow-passfiltercircuit,therectifierfiltercircuit,andotherformsoffiltercircuit.Thisdesign,half-bridgetypepowerconversioncircuitusingDC/DCconverters,switchingpowersupplywhichisthecoreofthefocusofthispartoftheanalysisanddesign;

PWMcontrolcircuitwithvoltagecontrol,switchingpowersupplycontrollerwithintegratedcontrollerSG3525A,anditscharacteristics,structureandworkingprincipleisbrieflyintroduced,thestructureofthesystemcarriedonthekeydesignandthevariouspartsoftheelementofitsDeviceselectionandparametercalculations.Alsodesignedtoprotectotherpartsofthecircuitandtheauxiliarypowersupplycircuits.Finally,themaincircuitsimulationsoftwareMATLABsimulationtest,thesimulationresultsoftheDCpowertojudgetherationalityofthedesign,dependingonwhetheritmeetsthedesignrequirementsofitsstability.

KeyWords:

DC/DCtransformer;

PWMcontrol;

SG3525A;

MATLABSimulation.

1概述

随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们工作、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力电子技术，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）控制IC和MOSFET构成。

开关电源和线性电源相比，其成本低、效率高、体积小、重量轻、电源输出组数多、极性可变等诸多优点，这些使得开关电源在现在生产和生活中得到广泛应用。

1.1开关电源的发展与现状

1955年美国的科学家罗耶（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激震荡的晶体管直流变换器。

此后，利用这一技术的各种形式的晶体管直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转式和机械振子式换流设备，由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成都的开关稳压电源输出组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而被广泛应用于计算机、通信、航天、家电等领域中。

开关稳压电源简称为开关电源（switchingpowersupply），发展已有50余年，经历了三个重要发展阶段：

第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件（BPT、SCR、GTO）发展为MOS型器件（功率MOSFET、IGBT、IGCT等），使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。

第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。

高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。

第三个阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子模块（IPEM）技术开始发展，使得开关电源更加小巧、简单。

当今，随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断地缩小，重量不断地减轻，所以从事这方面研究和生产的人们对开关电源中开关变压器还感到不是十分理想，他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途径来取代开关变压器，使之能够满足电子仪器和设备微小型化的需要。

还有，开关电源的效率是与开关管的变换速度成正比的，并且开关稳压电源中由于采用了开关变压器以后，才能使之由一组输入得到极性、大小各不相同的多组输出。

要进一步提高开关电源的效率，就必须提高电源的工作频率。

但当频率提高以后，对整个电路中元件又有了新的要求，此外，在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路中的元器件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰。

这些干扰会污染市电电网，影响邻近的电子仪器及设备的正常工作。

随着开关稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进，开关电源的这一缺点得到了进一步的克服，可以达到不防碍一般的电子仪器、设备和家用电器正常工作的程度。

但是，在一些精密的电子仪器中，由于开关电源的这一缺点，却使它不能得到使用。

克服这些缺点，是当今从事开关稳压电源科研人员必须解决的问题，不过，随着电力和电子技术的飞跃发展，已经有了很大的突破，相信这些问题以后都会一一得到解决的。

1.2开关电源的分类

人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、簿、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。

开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/AC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。

以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。

A）DC/DC变换

DC/DC变换是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。

斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式（PWM）Ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式（PFM），ton不变，改变Ts（易产生干扰）。

其具体的电路由以下几类：

a）Buck电路——降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。

b）Boost电路——升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。

c）Buck-Boost电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。

d）Cuk电路——降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。

当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为（6、2、10、17）W/cm3,效率为（80-90）%。

NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200~300）khz，功率密度已达到27W/cm3,采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二极管），是整个电路效率提高到90%。

B）AC/DC变换

AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。

AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入则必须加EMC滤波及使用符合安全标准的无件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密码安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。

AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波、全波电路。

1.3开关电源的发展动向及其意义

开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。

由于开关电源轻、小、簿的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器作的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Ba）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。

SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、簿。

开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS（零电压型）、ZCS（零电流型）的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源工作效率。

对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。

模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统。

针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得用实用化。

电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景，要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。

2总体设计方案

高稳定度直流电源设计一文就是要设计一个在工频电网电压变化较大时，仍能保证有较稳定的输出电压的开关电源。

其系统要求为：

输入电压为220±

20%，即85V（

）～265V（

），输出功率为288W（24V/12A），开关电源工作频率为100kHz，效率

85%，占空比

为50%。

2.1设计方案的提出

方案一：

本功率直流电源系统由开关电源的主电路和控制电路两部分组成，主电路主要处理电能，控制电路主要处理电信号，采用负反馈构成一个自动控制系统。

开关电源采用PWM控制方式，通过给定量和反馈量的比较得到偏差，并通过数字PID调节器控制PWM输出，从而控制开关电源的输出。

其中，PID调节和PWM输出都由单片机系统采用软件控制。

系统硬件部分由输入输出整流滤波电路、功率变换部分、驱动电路、单片机系统和辅助电路等几部分组成。

图2-1为单片机控制功率直流电源结构框图。

图2-1单片机控制功率电源结构框图

从图2-1中可以看到，50Hz、220V的交流电经电网滤波器消除来自电网的干扰，然后进入到输入整流滤波器进行整流滤波，变换成直流电压信号。

该直流信号通过功率变换电路转化成高频交流信号，高频交流信号再经输出整流滤波电路转化成直流电压输出。

控制电路采用PWM脉宽调制方式，由单片机产生的脉宽可调的PWM控制信号经驱动电路处理后，驱动功率变换电路工作。

利用单片机高速ADC转换通道定时采集输出电压，并与期望值比较，根据其误差进行PID调节。

电压采集电路实现了直流电压Vo的采集，并使其与A/D转换器的模拟输入电压范围匹配，在开关电源发生过压、过流和短路故障时，保护电路对电源和负载起保护作用。

辅助电源为控制电路、驱动电路等提供直流电源。

方案二：

基本的隔离式开关电源的原理框图如图2-2所示。

a）交流输入，是经EMI滤波器后由一次整流平滑部分（二极管整流桥与平滑电容器）转换为直流电力后供应至DC/DC变换器部分。

b）DC/DC变换器电路，是经由可使直流转换为高频交流的逆变器与再使高频交流二次整流为直流用的快速二极管和扼流圈、电解电容器所构成的二次整流平滑电路，即向负载中供应直流电。

控制电路部分，是执行由“误差比较放大器”、“电压电路取样电路”等部分所构成，这里主要是由控制集成器完成逆变器部分的控制，外加保护电路和辅助电源设备。

图2-2开关电源基本原理图

交流输入到电路滤波器，后用二极管和电容器对输入进行整流平滑，并把这种直流电用开关元件变换成脉冲状交流电。

这种电源方式先将部分直流输出电压通过比较电路和基准电压进行比较，其误差电压经占空比控制电路反馈，然后再通过控制开关元件的占空比调整输出电压。

另外，作为电源电路结构的一部分，还须有防止外加输入电压时的冲击电流和过流保护等各种功能，这些功能都要跟主电路变换方式协调。

2.2方案的论证

本设计要求开关频率为100kHz，如果要采用方案一的话，这就要求单片机的工作频率要很高，要求运算速度很快而且能够输出足够高频率的PWM波，这样的单片机显然价格也高；

会使整个开关电源的成本提高，单片机的缺点在于动态响应不够好，会使系统的稳定度不够高；

而且除了硬件电路的设计还有软件部分的设计，使整个设计工作变得有点复杂。

方案二中只涉及到硬件部分，设计内容稍微简单些，而且采用高频开关元件，可以满足本设计的工作频率要求，并且通过反馈电路来控制开关元件的占空比，使开关电源的动态响应要好，稳定度高。

经过以上论证比较，方案二相对要好。

所以本设计采用方案二。

3开关电源输入回路的设计

开关电源输入回路包括低通滤波和桥式整流滤波两大部分，虽然都是“滤波”，但它们的作用、功能不同，采用的方法也不一样。

3.1低通滤波电路的设计

低通滤波回路是开关电源输入的“大门”，电源电力就是经低通滤波进入的。

它有两个作用：

第一，防止输入电源窜入噪声干扰，同时还要抑制浪涌电压、尖峰电压的进入；

第二，阻止、限制开关电源所产生的噪声，高频电磁干扰信号通过输入电线馈进入电网。

低通滤波电路一般分单级低通滤波电路和双级串联式低通滤波电路。

本设计采用单级型低通滤波电路，如图3-1所示。

图3-1单级低通滤波电路

该电路有两个输入端、两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地。

电路包括共模扼流圈L1、滤波电容器C1～C4。

从理论上说，电路的电抗是阻抗、感抗、容抗的矢量和，要想使电磁干扰不大于8dB/uV，必须选用合适的电感、电容，以最大限度地提高电路抗干扰能力。

L1对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。

这里L1取8mH。

C1、C2采用薄膜电容器型号为CL21取值为0.01uF，它们主要用来滤除串模干扰。

C3、C4跨接在输出端，经过电容分压后接地，能有效地抑制共模干扰。

C3、C4宜选用型号为CC型陶瓷电容器，容量范围是2200～4700pF。

为了减小漏电流，电容量不要超过4700pF，这里取2200pF。

C1～C4的耐压值均为630V。

3.2整流滤波电路的设计

整流滤波电路的功能是将交变电能变换为脉动直流，并对其平滑以满足负载要求。

A）单相半波可控整流电路

单相半波整流[4]电路如下图3-2所示，图中Tr为电源变压器，用来将市电220V交流电压变换为整流电路所要求的交流低电压，同时保证直流电源与市电电源有良好的隔离。

设V为整流二极管，令它为理想二极管，RL为要求直流供电的负载等效电阻。

图3-2（a）半波整流电路（b）输出波形

B）单相桥式整流电路

为了克服半波整流的缺点，常采用桥式整流电路，如下图所示，图3-3中V1、V2、V3、V4四只整流二极管接成电桥形式，故称为桥式整流。

C）工作原理和输出波形

设变压器二次电压u2=

U2sinωt，波形如电压、电流波形图（a）所示。

在u2的正半周，即a点为正，b点为负时，V1、V3承受正向电压而导通，此时有电流流过RL，电流路径为a→V1→RL→V3→b，此时V2、V4因反偏而截止，负载RL上得到一个半波电压，如电压、电流波形图（b）中的0～π段所示。

若略去二极管的正向压降，则u0≈u2。

电压、电流波形在u2的负半周，即a点为负，b点为正时，V1、V3因反偏而截止，V2、V4正偏而导通，此时有电流流过RL，电流路径为b→V2→RL→V4→a。

这时RL上得到一个与0～π段相同的半波电压如电压、电流波形图（b）中的π～2π段所示，若略去二极管的正向压降，uＯ≈－u2。

由此可见，在交流电压u2的整个周期始终有同向电流流过负载电阻RL，故RL上得到单向全波脉动的直流电压。

可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍，所以桥式整流电路输出电压平均值为UＯ=2×

0.45U2=0.9U2。

桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，在u2的正半周，V1、V3导通时，可将它们看成短路，这样V2、V4就并联在u2上，其承受的反向峰值电压为URM=

U2。

同理，V2、V4导通时，V1、V3截止，其承受的反向峰值电压也为URM=

二极管承受电压的波形如电压、电流波形图（d）所示。

图3-3桥式整流电路及波形

由上图可见，在交流电压U2的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻RL，故RL上得到单方向全波脉动的直流电压。

可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍。

桥式整流电路与半波整流电路相比较，其输出电压UO提高，脉动成分减小了。

3.3其他形式滤波电路

A）电感滤波电路

电路如下图所示，电感L起着阻止负载电流变化使之趋于平直的作用。

直流分量被电感L短路，交流分量主要降在L上 

，电感越大，滤波效果越好。

一般电感滤波电路只使用于低电压、大电流的场合。

B）

型滤波

为了进一步减小负载电压中的纹波可采用型LC滤波电路。

由于C1、C2对交流容抗小，而电感对交流阻抗很大，因此，负载RL上的纹波电压很小。

图3-4（a）电感滤波电路（b）型LC滤波电路

3.4稳压电路

晶体管稳压电路根据晶体管与负载的连接方式分为串联型和并联型，本节主要介绍串联型稳压电路[1,20,21]。

简单的串联型稳压电路如图3-5（a）所示，电路中,R和VDZ构成稳压管稳压电路，为晶体管VT1的基极提供基准电压。

电路的稳压过程如下：

当负载不变，输入电源Ui增加时，输出电压UO有增大的趋势，由于VT1基极电位被稳压管的Uz固定，故UO的增加将使VT1发射极上正向偏压降低，基极电流减小，从而使VT1的集射极间的等效电阻增大，UCE增加，于是抵消了Ui的增加，使UO基本保持不变。

当输入电压Ui不变，而负载电流变化时，其稳压过程可类似分析。

该电路存在两个问题：

其一，该电路是用输出电压的变化部分直接去调控晶体管的基极，故控制作用小，稳压性能较差；

其二，输出电压固定不变。

图3-5（b）是具有放大电路的串联型稳压电路。

电路中，R1、RP1、R2组成取样电路。

当输出电压变化时，取样电路将其变化量的一部分送到比较放大管VT2的基极。

基极电压能反映输出电压的变化，成为取样电压。

取样电阻不宜过大，也不宜过小；

若太大，控制灵敏度下降；

若太小，带负载能力减弱。

R和VDZ为基准稳压电路，给VT2发射极提供基准电压，确保VDZ的合适的工作电流。

VT2为比较放大管，Rc既是VT2的集电极负载电阻，又是VT1的基极偏置电阻，比较放大管VT2的作用是将输出电压的变化量先放大，然后加到调整管VT1的基极，控制VT1工作，提高了控制的灵敏度和输出电压的稳定性。

VT1为调整管，它与负载串联，故称此电路为串联型稳压电路，晶体管VT1受比较放大管VT2的控制，集射极间相当于一个可变电阻，用来抵消输出电压的波动。

工作原理简介如下：

当负载电阻RL不变，输入电压Ui减小时，输出电压UO有下降趋势，通过取样电阻的分压比使比较放大管VT2的基极电位UB2下降，而VT2的发射极电压不变（UE2=UZ），因此，UBE2也下降，于是比较放大管VT2导通能力减弱，UC2升高，晶体管VT1导通能力增强，晶体管VT1集射极间等效电阻RCE1减小，管压降UCE1下降，是输出电压UO上升，保证了UO基本不变。

当输入电压Ui不变，负载电阻RL增大时，其稳压过程可类似分析。

由此看出，稳压过程实质上是通过负反馈使输出电压维持稳定的过程。

（a）简单的串联型稳压电路（b）具有放大电路的串联型稳压电路

图3-5晶体管稳压电路

3.5参数计算以及元器件的选择

图3-6整流电路等效电路图

如图3-6所示，是整流电路的等效电路，其中RS为输入低通滤波等效电阻，RLC为输出电容的负载阻抗。

开关电源的输入电压为220±

），输出功率为288W（24V/12A），设开关电源工作频率为100kHz，效率为85%，占空比

=50%

输入最低直流电压

（V）（3-1）

（由根据

和

关系曲线查得

/

=1.18）

输入电功率

（W）（3-2）

输入有效电流

（A）