大工11春《AC.DC电源技术》离线作业

1、 网络教育学院电 源 技 术课 程 设 计 题 目： AC/DC开关电源的设计 学习中心： 安徽阜阳奥鹏学习中心 层 次： 高起专 专 业： 电气工程及其自动化 年 级： 2009 年 秋 季 学 号： 091228209008 学 生： 齐泽辉 辅导教师： 邱老师 完成日期： 2011年 08月 23 日 前言目前开关电源以小型，轻量和高效率的特点被广泛应用于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。市场上的开关电源中，用MOS管制成的300-500KHZ电源早已经实用化，其频率可以进一步提高。但是频率的提高会产生浪涌或噪

2、声，这样不仅影响周围的电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。所以如何抑制高频噪声现在也是开关电源的一个研究方向。1 开关电源的概念开关电源(Switch Mode Power Supply，SMPS)是以功率半导体器件为开关元件，利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。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

3、品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。 开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源电路主要由整流滤波电路、DC-DC控制器（内含变压器）、开关占空比控制器以及取样比较电路等模块组成。2 开关电源的应用及其发展前景2.1 开关电源的应用信息时代离不开电子设备，而开关电源（switch power supply）在效率，重量，体积等方面相对于传统晶体管电源方面具有显著的优势，所以如今高频开关电源成为最广泛使用的电源。目前所有的开关电源都由功率级和控制级组

4、成，功率级的主要任务是，根据不同的应用选用不同的拓扑结构，同时兼顾半导体元件，成本，参数等现状进行适当程度的调整。控制级采用的控制方式主要为经典的PID控制，实现时一般选用集成电路芯片。半导体技术，主功率电路，控制方式是开关电源设计和制造的三大方面。2.2 开关电源的发展前景开关电源的技术趋势和未来可以概括为以下四个方面：（1）小型化、薄型化、轻量化、高频化开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积；在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，

5、高频化是开关电源的主要发展方向。（2）高可靠性开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。（3）低噪声开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。（4）采用计算机辅助设计和控制采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参

6、数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。电源管理芯片实际上也是指具有自动控制环路和保护电路的DC-DC变换芯片，是开关电源的核心控制芯片。电源管理芯片在90年代中后期问世，由于替换了大部分分立器件，使开

7、关电源的整体性能得到大幅度提高，同时降低了成本，因而显示出强大的生命力。我国开关电源起源于1970年代末期，到1980年代中期，开关电源产品开始推广应用。那时的开关电源产品采用的是频率为20 kHz以下的PWM技术，其效率只能达到60%70%。经过20多年的不断发展，新型功率器件的研发为开关电源的高频化莫定了基础，功率MOSFET和IGBT的应用使中、小功率开关电源工作频率高达到400kHz(AC/DC)和1MHz(DC/DC)。软开关技术的出现，真正实现了开关电源的高频化，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了开关电源的效率。目前，采用软开关技术的国产开关电源，其效率已达到93%。但是，

8、目前我国的开关电源技术与世界上先进的国家相比仍有较大的差距。3 降压型PWM AC/DC电源的设计原理3.1 PWM技术简介脉冲宽度调制（PWM），是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。 脉冲宽度调制（PWM）基于采样控制理论中的一个重要结论，即冲量相等而形

9、状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。在控制时对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率.PWM运用于开关电源控制时首先保持主电路开关元件的恒定工作周期（T=ton+toff），再由输出信号与基准信号的差值来控制闭环反馈，以调节导通时间ton，最终控制输出电压（或电流）的稳定。PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻

10、辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。以上介绍了脉冲宽度调制式开关稳压电源的基本工作原理和各种电路类型在实际应用中，会有各种各样的实际控制电路，但无论怎样，也都是在这些基础上发展出来的。3.2 降压型PWM AC/DC电路设计原理电源有一种输入，即单相220V交流电压，设计输入电压变动范围为20%。有一种输出：100V直流电压。交流220V

11、经过一个滤波整流电路后得到直流电压，送入DC-DC降压斩波电路，控制电路提供控制信号控制IGBT的关断，调节直流电压的占空比，最后经过LC滤波电路的到所需电压。通过对输出电压的取样，比较和放大，调节控制脉冲的宽度，以达到稳压输出的目的。开关电源原理框图如下：整流滤波降压斩波电路滤波脉宽调制控制驱动保护电路+100V DDDC图1 开关电源原理图整流部分是利用具有单向导通性的二极管构成桥式电路来实现的；滤波部分是利用电容电感器件的储能效应，构成LC电路来实现的；降压部分是利用降压斩波电路来实现，控制方式为脉宽调制控制（PWM），即在控制时对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅

12、值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。本次设计的开关电源控制时首先保持主电路开关元件的恒定工作周期（T=ton+toff），再由输出信号与基准信号的差值来控制闭环反馈，以调节导通时间ton，最终控制输出电压（或电流）的稳定。4 开关电源主电路图设计4.1 主电路图主电路主要完成对交流的整流滤波，对直流电压降压和滤波三个工作。整流电路图设计如下：图2 开关电源主电路图工作时的波形如下： 图3 工作时的波形将整流后的得到的直流电压送入降压斩波电路，通过脉宽调制控制调节输出电压平均值，在经过LC滤波电路是电压稳定。降压斩波电路设计如下图： 图4 降压斩波电路图4.2 主

13、电路图参数设计输入电流为频率50Hz的单相220V交流电，其脉冲周期为： 经过整流后得到的是只有正半部分的正弦波幅值与输入电压一样，但周期为输入电压一般，即 设计输出电压为直流100V稳压，电流为8A直流。占空比通常取0.40.45，该电路取=0.42，考虑IGBT和二极管的导通压降取0.8V，电感压降取0.2V。于是可以得到：5 控制电路及驱动电路设计该集成驱动器的内部包含有检测电路、定时及复位电路和电气隔离环节，可在发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT。输出的正驱动电压为+15V，负驱动电压为-10V。电路图如下： 图5 控制及驱动电路图5.1 保护电路的设计本文设计的电源电路主要需要

14、对IGBT在开通时采取di/dt保护和在关断时采取过电压保护，可选择复合缓冲电路作为IGBT的保护电路，电路图如下： 图6 保护电路图6 小结通过本次课程设计，使我更加深刻地理解了直流斩波电路以及开关电源，了解了开关电源的基本结构、设计过程和实现的功能。使我了解到开关电源在电子设备、电力设备和通信系统的直流供电中得到广泛应用，在高频开关电源中，DC-DC变换是其核心。随着半导体技术的发展，高集成度，功能强大的大规模集成电路不断出现，使电子设备不断缩小，重量不断减轻，相应地要求系统供电电源的体积和重量相应减小，如何减小开关电源的体积，提高其效率，是将在在设计开关电源的过程需要着重考虑的一个方面。本文首先对开关电源的发展历史、当下发展状况以及将来的发展趋势作了简要的介绍，随后阐述了降压型AC-DC开关电源的核心部分DC-DC转换器（降压斩波电路）的拓扑结构及其工作原理，描述了DC-DC转换器的控制方法脉宽调制控制（PWM），并详细介绍了该控制方法的基本原理。在此基础上设计了一款基于电压控制模式的PWM降压型AC-DC开关电源，设计的内容包括主电路的设计、控制及驱动电路的设计和保护电路的设计，每个部分均给出设计电路图，重点分析了主电路的工作原理，并给出设计参数。参考文献1. 王兆安、黄俊. 电力电子技术. 机械工业出版社.20002.