开关稳压电源

1、分类号 密级 UDC 电子技术课程设计论文 基于串联型开关稳压电源的研究学生姓名 学号指导教师 臧爱云 牛炯 院、系、中心 工程学院自动化及测控系专业年级 2013级自动化 论文答辩日期 2015年 9月 8日 中 国 海 洋 大 学基于串联型开关稳压电源的研究 完成日期： 指导教师签字： 答辩小组成员签字： 摘 要 基于串联型开关稳压电源的研究摘 要I开关电源是相对线性电源而言的，线性电源是利用功率半导体器件的线性工作区，通过调节线性阻抗来达到调节输出的目的；而开关电源是利用功率半导体器件的饱和区通过调整开关管开通时间或频率来达到调节输出的目的。开关型稳压电源效率较高，体积小。开关稳压电源由

2、调整管T及其开关驱动电路（电压比较器）、采样电路、三角波发生电路、基准电压电路、比较放大电路、滤波电路组成。通过采样电路将UO反馈回来，经过误差放大器可实现稳压目的。通过调节采样电阻，可产生可调PWM波，从而实现输出电压可调。本次电子课程设计采用Multisim 11.0进行仿真，经过仿真实现了输出电压在5-15V可调。仿真过程中开关稳压电源效率可达90%以上。关键词：串联型；稳压电源；开关管；负反馈；Multisim 11.0 目 录摘 要I1绪论11.1目的与意义11.2开关型稳压电源的优缺点11.3开关电源设计要求21.4开关型稳压电源组成部分22开关电源基本电路42.1电路结构42.2

3、电感电流工作模式42.2.1电感电流连续条件下工作原理42.2.2电感电流断续条件工作原理62.2.3滤波电感L的计算62.3电感L、电容C滤波原理72.3.1电解电容的特性72.3.2电容电感组成的滤波电路93三角波发生电路及基准电压电路103.1三角波发生电路103.1.1三角波发生电路原理103.1.2三角波发生电路参数计算113.2基准电压电路124取样比较电路、保护电路、 PI电路144.1取样比较电路144.2过流保护电路154.3PI电路165开关电源的效率175.1效率的测量175.2引起开关电源效率降低的原因175.3提高效率的方法176结束语19参考文献20致谢21附录22

4、1 绪论1.1 目的与意义开关型稳压电源与线性稳压电源虽然都是电子线路反馈控制技术，实现电源输出量的稳定，但其工作原理是截然不同的，对线性串联稳压电源而言输入或输出量变化时，通过电子线路中的负反馈控制，线性连续调节功率管的的管压降达到稳定量的输出。而开关电源虽然同样需要电子线路中的负反馈控制，但这种控制是通过调节功率开关管的导通或截止时间或开关频率来达到输出量的稳定。开关功率器件在触发脉冲的作用下一个周期内交替导通与截止，一部分时间处于饱和导通状态另一部分时间处于完全截止状态。开关电源功率器件的控制量是一个开关量，处于开关两种工作状态，是一个非线性系统，而线性电源功率器件的控制量是一个线性连续

5、变量，器件工作于线性放大状态，是一个线性系统。本次模拟电子课程设计的意义在于，通过设计一个开关电源，我们能将所学的模电知识应用实际生活中，同时加深了我们对这门课的了解。1.2 开关型稳压电源的优缺点开关电源是利用功率半导体器件的饱和区通过调整他的开通时间或频率来达到调节输出的目的。其优点是：1) 功耗小，效率高。开关稳压电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通截止和截止导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右。电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。2) 体积小，重量轻。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。所以开关稳压电源的体积小

6、，重量轻。3) 稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好4) 滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz。其缺点是：1) 开关电源的由于功率和磁心变压器以及控制方式的特点，导致电磁干扰大，纹波系数大。2) 因为开关电源体积小，加上很多开关电源设计存在问题，致使很多元器件挤在一起，影响了散热，使开关电源使用寿命大大降低。1.3 开关电源设计要求设计并制作如图1-1所示的开关稳压电源。图11 设计串联型开关稳压电源，Vin=9

7、15V，电压变化范围15%15%条件下：a输出电压可调范围为+3V+12Vb最大输出电流为2Ac电压调整率1%（输入电压变化范围15%15%下，空载到满载）d纹波电压（峰-峰值）50mV（最低输入电压下，满载）e效率60%（输出电压10V、输入电压12V下，满载）f具有过流及短路保护功能图1-1为题目所给出的框图，如图所示，先经过变压器把220V交流电降压为18V，然后再经过整流，滤波将交流电转化为直流电，再经过DC-DC变换器，将直流电转换为电路设计所需直流电。要想实现DC-DC变换，最主要的就是实现PWM控制，通过占空比控制电压稳定在5V-15V左右。1.4 开关型稳压电源组成部分1） A

8、C-DCAC-DC：220V交流电经过变压器降压降为幅值合适的电压值，然后经过全桥整流、滤波变为开关型稳压电源的输入。2） 基准电压基准电压：220V交流电经过AC-DC后变为可用直流电，然后在经过分压，稳压之后就可以做成一个稳压电路。3） 三角波发生电路三角波发生电路：三角波发生电路产生三角波后与基准电压进行比较。产生PWM。4） 取样比较电路取样比较电路：取样比较电路由采样电阻组成，然后出去UO的一部分UF送到误差放大器反相输入端。5） 过流保护电路过流保护电路：过流保护电路由调整管和电阻组成。当出现过流时，电阻上的电压升高，使得调整管导通，实现分流。从而实现过流保护。开关型稳压电源由以上

9、几个部分组成，每个部分具体功能及参数设定将会在接下来的章节具体说明。2 开关电源基本电路2.1 电路结构 开关型稳压电源主电路由调整管T及其开关驱动电路（电压比较器）、采样电路、三角波发生电路、基准电压电路、比较放大电路、滤波电路（电感L、电容C和续流二极管D）组成。图2-1为开关电源结构框图。图2-1图2-1所示的串联型开关稳压电源能在UO增大时减小占空比，而在UO减小时增大占空比，那么输出电压就会稳定。将UO的采样电压通过反馈调节控制电压uB的占空比，可达到稳压的目的。2.2 电感电流工作模式2.2.1 电感电流连续条件下工作原理降压型变换器在电感电流处于连续时，假设开关管T、二极管D均为

10、理想原件。其开通时间tr、关断时间tf及通态压降均为零。电感、电容均为无损储能原件。在开关周期T内。输入电压Vin保持不变，输出电压除了有很小的脉动纹波外，基本维持恒定。T的开通时间为TON，关断时间为TOFF，占空比D=TON/(TON+TOFF)=TON/TS,TS为开关周期。电感电流连续状态下，在t=t0时刻，T加上正向脉冲而导通，电感L上所加电压为（Vin-Vo）,由于Vo为常数且有Vin>Vo，此时电感上的电流线性增加，其变化量IL为IL= t (2-1)当t=TON时，电感电流达到最大值，其变化量IL（+）为IL(O+）=TON =DTS (2-2)当t=TON时刻，开关管T

11、因基极驱动脉冲变负而关断，由电感特性可知，电感电流不能突变而经二极管D、滤波电容C及负载RL继续流通，而此时电感两端电压为-Vo，电感电流线性下降，其变化量IL为 IL=t (2-3)当t=TS时，电感电流达到最小值，因此在开关管T截止期间，电感L中的电流变化量为 IL(-)=TOFF =(1-D)TS (2-4)在电感电流连续情况下，电感电流iL的波形是一个三角波，一个周期内从最大电感电流ILmax至最小电感电流IL min之间的变化，稳态时开关管T导通与截止期间的电感电流变化量相等，由式（2-2）及（2-4），可知输出电压为Vo=Vin D (D为占空比) (2-5)当输出电压Vo保持不变

12、时，占空比的的工作范围与输入电压的大小有关。假设三极管饱和压降VCE0,则占空比D的范围为<D< (2-6)变换器输出滤波电容一直处于周期性充电、放电状态。一个周期内的平均电流为0。在 一个周期内电容充电电荷等于充电电流的积分值。Q=×Vo2L (1-D)TS （2-7）2.2.2 电感电流断续条件工作原理电感电流断续是指开关管T在截止时间TOFF终止前TZ处电感电流就下降至0，并直到下周期开始一直保持为0，此时负载电流因电感储能所提供的电流终止而依靠输出滤波电容器所储能量的放电电流提供。在电感断续情况下，输出电压的表达式并不是Vo=VinD。但由能量守恒定律可计算得出输

13、出电压表达式。开关管开通时，若输入电压为Vin，输入电流是线性变化的而且两者的变化率相同，则可表示为Ii=Vin-VoL t （2-8）在电感电流断续情况下，输出电压不仅与输入电压Vin和占空比有关，还与负载电流Io、滤波电感L有关。在输入电压保持不变的条件下，要想使输出电流增加维持输出电压Vo不变，应该适当增加导通时间TON，空载时TON应该减小。2.2.3 滤波电感L的计算电感L的计算与电感电流工作模式有关。电感电流连续和不连续的边界，即电感电流出现不连续的临界点，是计算滤波电感的依据。降压型变换器开关管T关断期间的终止点，即下一周期开始的时刻T=TS点，电感电流此时刚好下降为0.电感电流

14、出现不连续时，即可求出电感电流最小值为IL min=IoVo2L (1D)TS （2-9）当IL min=0时，此时临界点的输出电流表达式为Io=Vo2L (1D)TS （2-10）此时负载电流为电感电流临界连续的负载电流，用IOG表示，欲使IL min>0，必然要七月Io满足以下条件，即Io>Vo2L (1D)TS=IOG （2-11）在电感电流连续模式工作状态下，负载电流Io的下限受临界电流IOG所制约。重载时工作在电感电流连续状态，轻载时工作在电流断续状态。轻载时为了避免输出电压上升，驱动脉冲宽度应通过反馈控制，使其变得足够窄。如果输出脉冲不能相应变得很窄，就会出现振荡或者分

15、频现象。在临界处输出电压有一个微小的抖动使得稳定性变得很差。为了使负载电流可以朝最小的方向扩大调节范围，可以增加滤波电感量或开关频率，降低临界电流IOG。输出滤波电感的设计出了要考虑临界电流外，还必须考虑变换器输出电流的纹波要求。此次设计输出纹波电流峰-峰值在最大负载电流IOG时，其值小于（30%-50%）Io max，此时要求的输出滤波电感按下式计算Vin-VoLTON<(0.30.5)Io max （2-12）整理可得L的范围为L>Vin-VO(0.3-0.5)IO max (2-13)2.3 电感L、电容C滤波原理开关电源的输入和输出滤波电容除采用小容量的薄膜高频电容外，大容

16、量的均采用铝电解电容。铝电解电容是电源装置滤波必不可少的原件之一。一般的铝电解电容由于其工作频率低、等效阻抗高，只适用于低频的整流滤波电路中。而开关电源的频率比较高，所以就需要工作频率高、低电感、低阻抗的电解电容，以达到滤除开关纹波及高频尖峰噪声的目的。常用的滤波电路有无源滤波和有源滤波两大类。无源滤波的主要形式有电容滤波、电感滤波和复式滤波(包括倒L型、LC滤波、LC型滤波和RC型滤波等)。有源滤波的主要形式是有源RC滤波。直流电中的脉动成分的大小用脉动系数来表示，此值越大，则滤波器的滤波效果越差。脉动系数(S)=输出电压交流分量的基波最大值输出电压的直流分量。2.3.1 电解电容的特性一、

17、电解电容的等效电路 电解电容的等效电路如图2-2所示。它并非是一个纯电容，而是由等效电容C、等效电阻R和等效电感组成的串联电路。图2-2电容的的复数阻抗为Z=R+jLj1C (2-14)阻抗模数量为 |Z|=R2+(1C-L)2 (2-15)电容的串联谐振频率为 0= (2-16)从（2-16）可知，当电容工作在串联谐振频率点时，电器的阻抗|Z|的大小就取决于等效电阻的大小，即Z=R。在电容量C一定时，等效电感L越小。谐振频率0越高。即电容工作频率越高，滤除开关电源产生的尖峰脉冲能力越强。在谐振频率0以下，电容呈现容抗特性；在谐振频率0以上，电容呈现感抗特性。随着频率的增加，由于等效电感的存在

18、，阻抗上升，已不能在作为滤波原件。因此，电容的使用频率应该在串联谐振频率0以下。这样也便于确定整体电路其他部分的参数。二、滤波电容的选取及参数设定从纹波电压的要求计算出所需滤波电容较大时，应该采用多个电容并联，而且并联电容的型号、容量要保持相同，使得并联后的总容量尽可能的和计算要求总容量相同。滤波电路电容容量还应该考虑负载的影响。开关电源的输入整流电路为电容输入式，随着负载的增加，脉动电压增大。这样不仅会增加功率电阻的损耗，还会在输出端出现低频纹波调制高频纹波现象的发生。输出滤波电容的选取按照纹波电压的要求，根据输出电容在开关管导通或截止期间，电容充、放电电荷的变化量为依据，来确定计算滤波电容

19、容量。输出电容容量计算公式为Cf=(1-D)Vo8Lffs2Uo (2-17)上式中：Lf为输出滤波电感，H；U0为输出允许的纹波电压：V；s为开关频率，HZ；VO为输出的电压额定值，V；D为工作占空比。2.3.2 电容电感组成的滤波电路根据电抗性元件对交、直流阻抗的不同，由电容C及电感L所组成的滤波电路的基本形式如图2-3所示。因为电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联图2-3并联的电容器C在输入电压升高时，给电容器充电，可把部分能量存储在电容器中。而当输入电压降低时，电容两端电压以指数规律放电，就可以把存储的能量释放出

20、来。经过滤波电路向负载放电，负载上得到的输出电压就比较平滑，起到了平波作用。当输入电压增高时，与负载串联的电感L中的电流增加，因此电感L将存储部分磁场能量，当电流减小时，又将能量释放出来，使负载电流变得平滑，因此，电感L也有平波作用。   利用储能元件电感器L的电流不能突变的特点，在整流电路的负载回路中串联一个电感，使输出电流波形较为平滑。因为电感对直流的阻抗小，交流的阻抗大，因此能够得到较好的滤波效果而直流损失小。在高频开关电源中，加在电感输入波形是一个矩形脉冲波，因此流过电感线圈电流IL是一个与输入端脉冲频率相同的锯齿波。滤波电感的起到抑制纹波电压、降低开关管

21、的损耗的作用。.3 三角波发生电路及基准电压电路三角波发生电路产生三角波，三角波的幅值一定要合适。不能太高，也不能太低。如果三角波发生电路产生的幅值小于基准电压的话，经过LM311比较器后，输出的要么是高电平，要么是低电平。所以三角波幅值要比基准电压大，这样才能产生合适的方波，才能控制功率管的通断，这样才能形成可调的PWM。进一步提调节输出电压。所以三角波发生电路和基准电压电路在串联型开关稳压电源中占有重要地位。开关型稳压电源的稳定与否取决于三角波发生电路的好坏。3.1 三角波发生电路图3-1为三角波发生电路图.。三角波发生电路由两部分组成，前一部分是一个滞回比较器，滞回比较器会产生一个幅值为

22、±UZ的方波。±UZ为稳压管的稳压值。在经过一个积分电路，就会产生需要的三角波。A2A1图3-13.1.1 三角波发生电路原理在图3-1所示的三角波发生电路中，左边为同相输入滞回比较器，右边为积分电路。图中滞回比较器的输出电压U01=±UZ，它的输入电压时积分电路的输出电压UO，根据叠加原理，集成运放A1同相输入端的电位uP1=R2R1+R2uo+R1R1+R2uo1=R2R1+R2uo±R1R1+R2UZ (3-1)令up1=uN1=0,则阈值电压为 ±UT=±R1R2UZ （3-2）因此，滞回比较器的电压传输特性如图3-2所示图3

23、-2积分电路的输入电压是滞回比较器的输出电压uo1，而且uo1不是+UZ，就是UZ，所以输出电压的的表达式为uo=1R3Cuo1(t1t0) +uo(t0) （3-3）式中uo(t0)为初态时的输出电压。设初态uo1正好从UZ跃变为+UZ则输出电压表达式uo=1R3CUZ(t1t0) +uo(t0) （3-4）积分电路反向积分，uo随时间的增长线性下降，根据图3-2所示的电压传输特性，一旦uo=UT，再稍微减小，UO1将从+UZ跃变为UZ。输出电压表达式uo=1R3CUZ(t2t1) +uo(t0) （3-5）uo(t1)为uo1产生跃变时的输出电压。积分电路正向积分时，uo随着时间时间的增长

24、线性增大。根据图3-2所示的电压传输特性，一旦uo=+UT，再稍增大时，uo1将从UZ跃变为+UZ，回到初态，积分电路又开始反相积分。电路重复上述过程，因此产生自激振荡。由以上分析可知，uo是三角波，幅值为±UZ；uo1是方波，幅值也为±UZ。由于在电路中引入了深度电压负反馈，所以在负载电阻相当大的变化范围内，三角波电压几乎不变。3.1.2 三角波发生电路参数计算根据电路产生的方波可知，正向积分的起始值为UT，终值为+UT，积分时间为二分之一周期，代入式3-5得出+UT=1R3CUZ.T2 +(-UZ) (3-6)式中UT=，整理可得出振荡周期T=4R1R3CR2 (3-7

25、)振荡频率=R24R1R3C (3-8)调节电路中R1、R2、R3的阻值和电容C的容量，可改变振荡频率，而调节R1和R2的阻值，可以改变三角波的幅值。因此三角波发生电路参数计算就是依据式3-7和3-8。3.2 基准电压电路图3-3基准电压电路输出稳定的电压，采样电压UN1与基准电压UREF之差放大后，经过A1，作为由A2组成的电压比较器的阈值电压UP2，三角波发生器的输出电压与之比较，得到控制信号uB，控制调整管的工作状态。图3-4图3-4为一个基准电压电路，由电源与电容、电阻、稳压管并联组成。电容主要其滤波作用，使电阻和稳压管得到比较平滑的电压。与稳压管串联的电阻主要起保护稳压管的作用。其阻

26、值的选择与稳压管的型号有关。稳压管D1和限流电阻R1组成直流稳压电路。只需要将稳压管的阴极引出即可得到我们需要的基准电压。由图3-5稳压管的伏安特性曲线可知，在稳压管稳压电图3-5路中，只要能够使稳压管始终工作在稳压区，即保证稳压管的电流IZXID1IZM，输出的电压即可稳定。这也为我们计算限流电阻提供了依据，在使用稳压管时，我们需查看手册，知道稳压管的参数。所以限流电阻的阻值范围为：VI-UZIZM R1VI-UZIZX (3-9)4 取样比较电路、保护电路、PI电路4.1 取样比较电路取样电路如图4-1所示由取样电阻R1、R3和滑动变阻器R2组成。通过调节采样电阻，取出Uo的一部分UF送到

27、误差放大电路的反相输入端。、图4-1通过调节采样电阻就可以调节输出电压的范围，从而实现电压可调，u+=UBEF、u-=UF。当UF= UBEF时，稳压电路达到稳定状态，设输出为电压为UO，则有UF=R2+R3R1+R2+R3UO=UREF (4-1)从而可得UO=R1+R2+R3R2''+R3UREF (4-2)当滑动变阻器R2调至最上端时，R2=0，R2=R2，UO达到最小值，可得UO min=R1+R2+R3R2+R3 UREF (4-3)当滑动变阻器R2调至最下端时，R2=R2，R2=0，UO达到最大值，可得UO max=R1+R2+R3R3 UREF (4-4)根据式（

28、4-3）和式(4-4)及输出电压范围的要求，即可计算出采样电阻，采样电阻应比负载RL大得多，这样才不会因为采样电阻与负载并联而影响负载，从而影响开关电源的效率。4.2 过流保护电路 为避免在使用中因非正常原因造成输出短路或过载，致使调整管流过很大的电流，使之损坏。故需有快速保护措施。常见保护电路有：过流保护；调整管安全保护；过热保护等。 过流保护电路有限流型和截流型两种。限流型：当调整管的电流超过额定值时，对调整管的基极电流进行分流，使发射极电流不至于过大。图4-2为其简要电路图。图中R为一小电阻，用于检测负载电流。当IL不超过额定值时，T1、截止；当IL超过额定值时， T'1导通，其

29、集电极从T1的基极分流。从而实现对T1管的保护。图4-2截流型: 过流时使调整管截止或接近截止。应用于大功率电源电路中。图4-3为其电路图。输出电流在额定值内时：三极管T2截止，这时，电压负反馈保证电路正常工作。输出电流超出额定值时：UB电压上升，三极管T2导通，使UO 迅速下降 ，由于R1、R2>>RO，故UB的下降速度慢于UO，使UO迅速下降到0，实现了截流作用。图4-34.3 PI电路图4-4为PI参数调节电路图，由图可以看出PI电路是由放大部分和积分部分组成。PI中P的时指比例，即图中反相比例放大部分；I是指积分，即图中的积分部分。图4-4在图4-4中PI电路的工作原理是，

30、将采样回来的反馈电压与基准电压进行比较放大，然后在于三角波电路进行比较，从而输出PWM，而采样电压可调，所以输出的PWM也就可以调节占空比。5 开关电源的效率5.1 效率的测量开关电源的效率是指输出功率与输入功率之比，表明电源输入能量能够传输到输出端的程度。若令输出功率为Po，输入功率为Pi，损耗为PL，效率，则效率可表示为=PoPi×100% =PoP0+PL×100% （6-1）5.2 引起开关电源效率降低的原因影响开关电源效率最大的部件是开关管的损耗。特别是低电压、大电流输出的开关电源中，开关管的损耗很大。开关电源的损耗不仅使开关管的效率降低，更重要的是损耗而引发的的

31、热量使电源的温度升高。使效率降低的原因大致如下1控制电路出问题采用硬开关PWM控制技术时，变换器的功率开关管在导通和关断过程中出现电压和电流叠加现象，导致开关管损耗增加。控制电路产生异常振荡，形成消耗电流增大而增加附加损耗。2功率开关管栅极驱动电路参数设计不合理驱动功率不足，开关管从开始导通到完全导通的延时时间过长，产生的开通损耗过大。栅极串联电阻R数值过大，使开通、关断时间增大，从而导致开通、关断损耗增加。3滤波电感设计不合理电感量设计不合理，造成损耗增加。电感量过小时，输出纹波电压电流增大，一次电流的峰值增大，均使损耗增加；电量过大，同样会增加损耗。5.3 提高效率的方法驱动电路的参数选取

32、对开关损耗产生很大的影响，可以通过改善驱动电路来降低损耗，从而提高效率。可以从改善驱动波形、驱动电路的输出功率要满足所用开关管要求、功率管栅极驱动电阻Rg为一个最佳值。开关管的驱动波形上升沿和下降沿要陡峭，即上升时间、下降时间要短，特别是PWM控制器输出的驱动脉冲不能产生振荡，延迟时间要短。驱动功率与栅极电荷QG、工作频率fs、偏置电压有关。栅极外接电阻Rg的大小对开关管的损耗影响很密切。所以要想提高开关电源的效率必须要做到电路参数设计合理，电路功率损耗尽可能的小。只有做到这些，才能提高开关电源的效率。6 结束语经过两个周的仿真和焊接，开关电源的设计得以完成。通过此次电子课程的实习，我明白了很多东西。不仅将以前学的