DCDC开关电源设计报告Word文档格式.docx

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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（ultra-large-scale-integrated-ULSI）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电源的不断发展和进步。

1.1.11开关电源的三个重要发展阶段

40多年来，开关电源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、GT0）发展为MOS型器件（功率MOS-FET、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，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。

1.2开关电源技术的亮点

1.2.1功率半导体器件性能

1998年，Infineon公司推出冷MOS管，它采用“超级结”（Super-Junction）结构，故又称超结功率MOSFET。

工作电压600~800V，通态电阻几乎降低了一个数量级，仍保持开关速度快的特点，是一种有发展前途的高频功率半导体器件。

IGBT刚出现时，电压、电流额定值只有600V、25A。

很长一段时间，耐压水平限于1200~1700V，经过长时间的探索研究和改进，现在IGBT的电压、电流额定值已分别达到3300V／1200A和4500V／1800A，高压IGBT单片耐压已达到6500V，一般IGBT的工作频率上限为20~40kHz，基于穿通（PT）型结构应用新技术制造的IGBT，可工作于150kHz（硬开关）和300kHz（软开关）。

IGBT的技术进展实际上是通态压降，快速开关和高耐压能力三者的折中。

随着工艺和结构形式的不同，IGBT在20年的发展进程中，有以下几种类型：

穿通（PT）型、非穿通（NPT）型、软穿通（SPT）型、沟漕型和电场截止（FS）型。

碳化硅（SiC）是功率半导体器件晶片的理想材料，其优点是禁带宽、工作温度高（可达600℃）、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等，有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。

可以预见，碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料。

1.2.2开关电源功率密度

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，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。

1.3DC-DC发展概况

近几年由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广，DC/DC转换器的应用越来越广，其增幅已经超出了一次电源。

随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用，DC/DC转换器功率密度越来越大，转换效率越来越高。

据专业电源市场调研公司VDC公司预测，全球DC/DC转换器出货量由2002年的20亿增长到2007年的25亿（见图1）。

在全球DC/DC转换器市场迅速增长的同时，以下几个发展趋势值得关注：

低电压大电流的需求推动模块电源的不断发展。

比如数据通讯领域中5V输出所占的比例从30%下降到11%。

非隔离式DC/DC转换器比隔离式增长更快。

分布式电源比集中式电源发展快，其中IBA系统会成为主要方式。

DC/DC转换器对工艺技术提供新的要求，并采用一些创新的封装。

混合集成技术、高频化技术的不断发展将导致功率密度进一步提高。

设计日趋标准化，控制电路倾向于采用数字控制方式。

控制器件向多相位发展，目前已有6相产品。

我们将对其中一些趋势展开分析，并对用户选择DC/DC转换器提供建议。

1.3.1DC/DC转换器对工艺技术提出新要求

DC/DC转换器的发展与半导体集成、封装技术以及电路拓扑的发展联系紧密，并对半导体工艺提出了新的要求，包括：

1.降低热阻，改善散热

虽然功率DC/DC转换器的效率有了很大提高，但由于功率密度较大，如果发热元件的热量不能及时散出，就会严重影响模块的寿命，甚至会因为过热造成失效。

为改善散热，目前功率转换器大都采用多块基板叠合封装技术，控制电路采用普通印制板置于顶层，而功率电路采用导热性能优良的板材置于底层。

早期的功率转换器先后采用瓷基板、直接键合铜技术（DirectCopperBond，DCB）和绝缘金属基板（InsutaltedMentalSubstrate，IMS）来改善散热。

现在，前两种已很少采用，而绝缘金属基板方式由于绝缘性能好、机械强度高、导热性能好而得到一致认可，成为转换器结构的主流及提高转换器功率密度的关键。

随着分布式供电方式的大量运用和系统小型化需求越来越多，用户在使用时不希望给转换器添加散热器，而靠系统的强制风冷给转换器进行散热，因此敞开式高效低造型转换器成为发展的主流。

这种转换器采用一块多层厚铜箔PCB代替常规的多块PCB层叠结构，通过多层厚铜箔PCB为载体将功率器件、磁性器件和控制电路集成在一起。

这种结构可以减少磁性器件的焊点或消除焊点、减少寄生参数、提高转换器效率；

另外通过电路和器件的适当选择，多层厚铜箔线路的适当分布，可以使转换器模块的温度均匀分布，提高模块的可靠性。

缺点就是对外界散热条件依赖比较大，使用时要求比较大的功率降额。

随着系统散热问题的解决，这种结构的转换电源将会得到越来越广泛的使用。

2.混合集成技术的采用

为提高功率密度，近年开发的DC/DC转换模块无一例外地采用表面贴装技术。

而转换器中的器件主要分为控制器件和功率器件，要提高功率密度就必须从这两方面入手。

由于控制电路不能提供输出功率，因此应尽量减小其所占体积；

同时随着集成电路工艺的发展，由分立器件组成的控制电路可被集成为一个控制芯片，从而进一步提高转换器的功率密度。

但由于功率器件设计时考虑的是几百伏电压、几百安电流、闪电式诱发瞬变以及每微秒几百安的负载瞬变，研制完美性能的功率器件是较困难的，而要大量生产就更加困难。

所以为进一步减小体积，混合集成技术发展也很快，它指直接购置裸片，经组装成为功能模块后封装，焊接于印制板上。

这一方式功率密度更高，寄生参数更小，因为采用相同材料的基片，不同器件的热匹配更好，提高了转换模块的抗冷热冲击能力。

3.采用扁平变压器和磁集成技术

在功率转换器中，为满足标准高度的要求，大部分生产厂家自己定做磁芯。

扁平磁芯的变压器绕组制作存在一定难度，但采用这种磁芯可以进一步减小体积、缩短引线长度、减小寄生参数。

为减小焊点接触电阻，采用多层印制板的磁集成技术近年来也得到了广泛的应用。

1.3.2DC/DC转换器对电路设计的新要求

DC/DC转换器对电路设计也出了新的要求，包括高频化、软开关和低压输出等技术。

1.高频化技术

为缩小开关转换器的体积、提高功率密度、改善动态响应速度，小功率DC/DC转换器的开关频率将由现在的200-500KHz提高到1MHz以上。

但高频化又会产生新的问题，如：

开关损耗以及无源元件的损耗增大、高频寄生参数以及高频EMI等问题，这必须通过合理的设计进行抑制。

2.软开关技术

为提高效率，各种软开关技术得到大量应用，包括无源无损（吸收网络）软开关技术与ZVS/ZCS谐振、准谐振、恒频零开关技术等有源软开关技术。

目的是为了减小开关损耗以及开关应力，以实现高效率的高频化。

3.低压输出技术

目前大量的低压器件应用，如PDA、远程控制器、数码相机以及手机等便携式设备，都是用电池经DC/DC变换进行供电的。

其特点是负载变化大，多数情况下工作低于备用模式，长期轻载运行。

这就要求DC/DC变换器具有如下特征：

a）负载变化的整个围效率高。

b）输出电压低，CMOS电路的损耗与电压的平方成正比，供电电压低，则电路损耗小。

c）功率密度高。

这种模块采用集成芯片的封装形式。

低压输出技术的关键是如何提高转换器的效率，降低转换器的纹波，提高系统的响应速度。

1.3.3DC/DC控制器向数字多相发展

控制器件作为DC/DC转换器中的重要器件之一，向数字多相化发展已成为必然趋势。

单芯片多相控制器和类似产品成为组成高电流DC/DC转换器和200A电压调节模块（VRM）的基本元素。

因此，控制器供应商也在为推出多相产品而比拼。

比如安森美近期推出的NCP5316芯片，该芯片的每相工作频率最高达1MHz，据安森美称它是业第一个4/5/6相控制器。

美信推出的MAX8525是一种隔行扫描的2到4相器件，每相工作频率最高为1.2MHz，也可以在VRM10主/从配置下达到2至8相。

该公司表示，MAX8525具有平均电流模式控制器的电流共享精度，以及峰值电流模式控制器的瞬时响应。

在4相模式运行时，有效开关频率高达4.8MHz，8相模式下更是高达9.6MHz。

为了解决用传统拓扑架构搭建可升级系统所面临的困难，国际整流器公司（IR）在去年早些时候推出的Xphase架构，在这方面向前迈进了一步。

该设计具有面向n相系统的置同步。

在具有板外控制/同步MOSFET的典型操作中，一个6相转换器的效率可达84%。

其它产品包括飞兆半导体的FAN53168，它可以工作在4相模式，面向VRM/VRD10应用；

Semtech的SC4201，这是一种最多具有4相控制的多相连接控制器，每相的工作频率为2MHz。

在低压便携应用方面，凌特推出了LTC3425DC/DC控制器，它最多具有4相，输入为0.5～4.5V时，提供3A和5V输出，用于便携式电脑和接口电子器件。

1.4本论文的容及研究意义

开关电源体积小、效率高，被誉为高效节能电源，现己成为稳压电源的主导产品。

当今开关电源正向着集成化、智能化的方向发展。

高度集成、功能强大的开关型稳压电源代表着开关电源发展的主流方向。

本论文主要围绕当前流行的集成开关电源芯片进行了小功率开关型稳压电源特性的研究。

2开关电源的分类及主要应用

2.1开关电源的分类

边开发开关变频技术，人们开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件。

两者相互促进推动着开关电源每年以逾越两位数字的增长率向着轻、小、薄、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外均已幼稚和标准化，并已得到用户的认可，但AC/DC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。

2.1.1常见的开关电源型式

·

AC-DC：

如个人用、家用、办公室用、工业用（电脑、周边、传真机、充电器）

DC-AC：

如车用转换器（12V～115/230V）、通信交换机振铃信号电源

AC-AC：

如交流电源变压器、变频器、UPS不间断电源

DC-DC：

如可携带式产品（移动、笔计本电脑、摄影机，通信交换机二次电源）

dc-dc是指直流转换开关电源,在移动、笔计本电脑、摄影机等产品中,需将低压直流电压变成高压直流电压,即进行DC-DC变换。

2.1.2DC/DC变换

也称为直流斩波。

斩波器的工作方式有两种，DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压。

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）其具体的电路由以下几类：

其输出平均电压1Buck电路—降压斩波器。

U0小于输入电压Ui极性相同。

其输出平均电压2Boost电路—升压斩波器。

U0大于输入电压Ui极性相同。

其3BuckBoost电路—降压或升压斩波器。

电感传输。

输出平均电压U0大于或小于输入电压Ui极性相反。

其输出平均电4Cuk电路—降压或升压斩波器。

电容传输。

压U0大于或小于输入电压Ui极性相反。

2.2开关电源的主要应用技术

2.2.1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。

2.2.2软开关技术

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（上世纪80年代中）全桥移相ZVS-PWM，恒频ZVS-PWM／ZCS-PWM（上世纪80年代末）ZVS-PWM有源嵌位；

ZVT-PWM／ZCT-PWM（上世纪90年代初）全桥移相ZV-ZCS-PWM（上世纪90年代中）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％。

2.2.3同步整流技术

对于低电压、大电流输出的软开关变换器，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，代替萧特基二极管（SBD），可降低管压降，从而提高电路效率。

2.2.4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0.95~0.99，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。

一般高功率因数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。

2.2.5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）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。

2.2.6系统集成技术

电源设备的制造特点是非标准件多、劳动强度大、设计周期长、成本高、可靠性低等，而用户要求制造厂生产的电源产品更加实用、可靠性更高、更轻小、成本更低。

这些情况使电源制造厂家承受巨大压力，迫切需要开展集成电源模块的研究开发，使电源产品的标准化、模块化、可制造性、规模生产、降低成本等目标得以实现。

实际上，在电源集成技术的发展进程中，已经经历了电力半导体器件模块化，功率与控制电路的集成化，集成无源元件（包括磁集成技术）等发展阶段。

近年来的发展方向是将小功率电源系统集成在一个芯片上，可以使电源产品更为紧凑，体积更小，也减小了引线长度，从而减小了寄生参数。

在此基础上，可以实现一体化，所有元器件连同控制保护集成在一个模块中。

上世纪90年代，随着大规模分布电源系统的发展，一体化的设计观念被推广到更大容量、更高电压的电源系统集成，提高了集成度，出现了集成电力电子模块（IPEM）。

IPEM将功率器件与电路、控制以及检测、执行等单元集成封装，得到标准的，可制造的模块，既可用于标准设计，也可用于专用、特殊设计。

优点是可快速高效为用户提供产品，显著降低成本，提高可靠性。

3系统方案设计

3.1系统框图

构思整个系统由哪些功能模块组成，以及各个功能模块之间的互相控制关系，将各功能模块联系起来画出总体功能模块图。

3.2DC-DC芯片选型

目前市场上DC/DC转换模块的品牌和种类繁多，国际大厂商包括Tyco,Vicor,Emerson,Power-one,SynQor和Artesyn等公司，表1列出了北美和欧洲DC/DC转换器的前10名供应商（2003年5月排名）。

此外，中国本地较大的DC/DC转换器厂商还包括：

艾默生网络能源、新雷能、迪赛和中兴通讯等公司。

其中，艾默生网络能源的销售额远远多于其它厂商。

3.2.1DC-DC选型的基本原则

1.根据需要选择适当的产品

在选择产品之前要明确知道自己的切实需求，否则选用的产品不能充分体现其使用价值，实际上是增加了设计和材料成本。

2.选型必须符合电源的发展趋势

最好是选用符合电源发展趋势的产品，这种转换器一般更能符合用户的需求，同时为一种模块多个用途打下良好的基础；

另外该类转换器技术应比较成熟、可靠性高、价格相对合理、货源比较充足，产品生命周期也比较长。

如果选择非主流产品，以后在采购、生产和维护中会出现一系列的问题，会影响系统的可靠性和竞争力。

3.新系列的选型必须慎重，应兼顾标准封装和可靠性问题

转换器的可靠性总是处于第一位的，在新系列选型时要对转换器的可靠性进行充分论证和测试，可靠性不能保证的产品即使价格再低也是不值得考虑的。

另外还应该考虑转换器的封装和功能是否是兼容的，如果该转换器封装和功能很特殊，没有其它品牌的产品与之兼容，使用这种转换器会遭受独家垄断所带来的一切负面影响。

3.3本系统DC-DC选型

AP1501A 

大电流DC/DC降压 

5A 

PWM 

降压DC/DC，TO263/220，输入3.6-45V，转换效率高达９０% 

.

4系统硬件设计

4.1电路原理简介

开关管开通和关断的时间比率，开关电源是利用现代电力电子技术。

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，二者的利息都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。

线性电源本钱在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为利息反转点。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不时地创新，这一利