小功率多路隔离开关电源设计和实现 电气工程专业

1、小功率多路隔离开关电源设计摘 要 电源是确保电气设置可靠、正常稳定工作的主要构成部件。其中，开关管电源以环保节能，稳定高效，轻便简捷等特点成为现代电源研究领域的热门。本文研究小功率多路隔离开关电源的设计，开关电源主要是由以下几个电路构成的，分别为电源的输入电路、功率开关管控制电路、输出电路。输入端的交流电经过整流后转换成直流电提供输入电源，电力电子元器件将整流滤波之后的直流电源经过开关变换器转换成高精度多路隔离直流电源，采用比例积分(PI)控制器控制输出端的直流电压，并对PI参数进行调试，本文的主要研究内容包括： (1) 直流电控制系统的总图的设计； (2) IGBT驱动电路的设计； (3)

2、最小系统电路的设计； (4) 功率电路的设计； 系统的调试和测试。 最后通过调制占空比来控制IBGT的开通与关断，实现脉宽调制，对多路输出电压的进行调压。 关键词：开关电源，IGBT，脉宽调制ABSTRACT The power supply isan important part to ensurereliable the normal and stable operation ofthe indispensable.Theswitching power supply withenergy saving,high efficiency,lightand other advantages be

3、come the hot spot of research.A completeswitching power supply systemis mainly composed of a switchconverter,input circuit,a transformer and a control circuitand an output circuit,Completion of theinput ACpower intoDCpower electronicequipment needed.Switching power supply isthealternating current in

4、todirect current device，The main circuitis the firstelectricity afterfilter,rectifiercircuitDCis rough,and then through theDC DCconverter(DC-DC)is eventually convertedto dcaccuracy,In this paper, we study low-power multi-channel isolation switch power supply design mainly includes:(1)The general lay

5、out design of dc control system(2)Design of IGBT drive circuit(3)The design ofthe minimum systemcircuit(4)The design of the powercircuit(5)The system debugging and testingFinally, through the modulation ratio of IGBT for open air control and shutdown, so as to realize the output voltage.Key words :S

6、witching power supply ; IGBT ; Pulse width modulation目录TOC o 1-3 h u HYPERLINK l _Toc22773 第一章 绪论 PAGEREF _Toc22773 2 HYPERLINK l _Toc7960 1.1 引言 PAGEREF _Toc7960 3 HYPERLINK l _Toc13067 1.2 开关电源的发展状况 PAGEREF _Toc13067 3 HYPERLINK l _Toc12685 1.3 课题研究的背景及其优点 PAGEREF _Toc12685 4 HYPERLINK l _Toc32423

7、 1.4 本文主要的研究内容 PAGEREF _Toc32423 5 HYPERLINK l _Toc5732 第二章 开关电源系统总体设计及分析 PAGEREF _Toc5732 6 HYPERLINK l _Toc1852 2.1 开关电源的工作原理 PAGEREF _Toc1852 6 HYPERLINK l _Toc11517 2.2 四种基本的电路拓扑 PAGEREF _Toc11517 8 HYPERLINK l _Toc12690 2.2.1 Buck变换器 PAGEREF _Toc12690 8 HYPERLINK l _Toc26168 2.2.2 Boost 功率变换器 P

8、AGEREF _Toc26168 9 HYPERLINK l _Toc21826 2.2.3 Buck-Boost功率变换器 PAGEREF _Toc21826 10 HYPERLINK l _Toc9382 2.2.4 uk功率变换器 PAGEREF _Toc9382 11 HYPERLINK l _Toc22181 2.3 常用的直流隔离变换器 PAGEREF _Toc22181 12 HYPERLINK l _Toc16149 2.3.1单端正激式隔离变换器 PAGEREF _Toc16149 12 HYPERLINK l _Toc11689 2.3.2单端反激式隔离变换器 PAGERE

9、F _Toc11689 13 HYPERLINK l _Toc16564 2.3.3推挽式功率隔离变换器 PAGEREF _Toc16564 13 HYPERLINK l _Toc10222 2.3.4 全桥式功率隔离变换器 PAGEREF _Toc10222 14 HYPERLINK l _Toc6946 2.3.5半桥式功率隔离变换器 PAGEREF _Toc6946 15 HYPERLINK l _Toc26894 2.4 正激式电路优点 PAGEREF _Toc26894 15 HYPERLINK l _Toc25122 2.5 本章小结 PAGEREF _Toc25122 16 HY

10、PERLINK l _Toc525 第三章 开关电路图的设计 PAGEREF _Toc525 17 HYPERLINK l _Toc9678 3.1 MATLAB软件以及Simulink平台介绍 PAGEREF _Toc9678 17 HYPERLINK l _Toc306 3.2 MATLAB下仿真图的设计 PAGEREF _Toc306 17 HYPERLINK l _Toc26493 3.3 输入电源整流部分 PAGEREF _Toc26493 18 HYPERLINK l _Toc18103 3.4 控制电路和输出电路 PAGEREF _Toc18103 21 HYPERLINK l

11、_Toc77 3.5 反馈电路的分析和相关参数的计算 PAGEREF _Toc77 23 HYPERLINK l _Toc12011 3.5.1 IGBT的工作特性 PAGEREF _Toc12011 25 HYPERLINK l _Toc17055 3.5.2 占空比的计算以及输出功率的计算 PAGEREF _Toc17055 26 HYPERLINK l _Toc21451 3.5.3 比例积分调节器的作用 PAGEREF _Toc21451 26 HYPERLINK l _Toc31397 3.6 本章小结 PAGEREF _Toc31397 26 HYPERLINK l _Toc310

12、85 第四章 在Protel DXP下的原理图设计和分析 PAGEREF _Toc31085 28 HYPERLINK l _Toc23490 4.1 Protel DXP 的介绍 PAGEREF _Toc23490 28 HYPERLINK l _Toc11948 4.2 TMS320F28335芯片的介绍 PAGEREF _Toc11948 29 HYPERLINK l _Toc18014 4.3电源电路的设计 PAGEREF _Toc18014 31 HYPERLINK l _Toc4961 4.4 JTAG接口电路 PAGEREF _Toc4961 32 HYPERLINK l _To

13、c24513 4.5 复位电路的设计 PAGEREF _Toc24513 32 HYPERLINK l _Toc20825 4.6 晶振电路 PAGEREF _Toc20825 33 HYPERLINK l _Toc26004 4.7 IGBT驱动电路 PAGEREF _Toc26004 33 HYPERLINK l _Toc26187 4.8 存储器 PAGEREF _Toc26187 34 HYPERLINK l _Toc677 4.9 本章小结 PAGEREF _Toc677 35 HYPERLINK l _Toc3596 第五章 总结与展望 PAGEREF _Toc3596 36 HY

14、PERLINK l _Toc22183 5.1 全文总结 PAGEREF _Toc22183 36 HYPERLINK l _Toc22484 5.2 展望 PAGEREF _Toc22484 36 HYPERLINK l _Toc12542 参考文献 PAGEREF _Toc12542 38 HYPERLINK l _Toc1630 致谢 PAGEREF _Toc1630 40 HYPERLINK l _Toc16086 附录A: 小功率多路隔离输出电源仿真图 PAGEREF _Toc16086 41 HYPERLINK l _Toc6675 附录B：Protel DXP下的整体原理图 PA

15、GEREF _Toc6675 42第一章 绪论1.1引言低电压低功率多路输出开关电源不单单要求其可以提供各种不同级别的低电压和低功率，而且还要确保供电的质量和可靠的开关电源电压。电源还是电子设备以确保可靠和稳定运行的一个重要结构部分，开关电源拥有环保节能，高效，简捷等益处并且今后将会成为研究的热门。从本20世纪70年代起首,多路输出高频开关变换器就广阔地应用于工业、商贸、军事及航空航天设备的电子系统中。而现在，随着个人数字助理、移动电话等便携式设备对其需求的增长，多路输出技术再次获得广泛的关注1。依据最新的研究报告可知，尤其是在需求电源提供电能的移动便携式配置中，普遍都使用多路输出电源提供电能

16、来进一步的消减电能的消耗。从中可见，对多路输出技术的研究是十分重要的。在电源发展早起的时候，研究人员通常把几个单独的DC/DC变换器拼装在一起从而获得了多路输出电源，但这种形式促使电源的体积变大和本钱的增长，并且用此方式还带来了拍频干扰。因此人们开始主要研究多路输出电源的技术，本文主要研究小功率多路开关电源。1.2开关电源的发展状况自第二十世纪50年代，美国宇航局对发射火箭所携带的开关电源的发展研究主要是以小型轻量化为目的，在这之后的许多年间开关电源的研究渐渐成为了国内外电源研究的大热门。由原先的具有缺陷相控稳压电源发展到现在所用的开关电，之前的电源体积偏大而且在工作时功率开关频率低，适用范围

17、狭窄。但是随着电源电路的飞速发展，直到开关电源的问世有了翻天覆地的变化。到了二十世纪七十年代，整流器件、开关器件以及功率开关管的发展改变了开关电源的应用局面，使得开关电源的使用场合得到了扩大，与之前的传统电源相比较不仅提高了工作时的工作频率、电压的调整率，体积变得更小，质量变得更轻，而且更趋向集成化数字化。在这方面海外的研究人员首先研制出了开关频率在一兆赫兹的高速芯片，从而完成对中型小型的功率开关电源的单片集成化。紧接着在之后的研究中美国的电源公司在世界首先研究出了三端隔离式的开关电源。之后又随着IT技术的急速发展对开关电源技术提出了更高的要求，不仅对开关电源技术的发展有着正面积极的影响，同时

18、也帮助信息技术产业的发展提供了有力的支持。从每个家庭最普通的日常生活直到每个国家的最顶尖科学科技我们都与开关电源技术形影不离，他更是衡量一个国家的劳动生产率水平和能耗产出的重要指标之一，有着举足轻重的地位。与海外发达国家相比较，我国在开关电源研究方面的工作起步较晚水平较低，直到二十世纪七十年代末期国内才开始对开关电源的工作进行研究和发展。之前的开关电源的国内市场主要是由国外的先进品牌所霸占着，他们笼盖着中小型功率开关电源的绝大部分市场，之后随着互联网的发展以及我国电力电子技术的进步和产品的创新，市场的竞争越来越激烈，最终国产品科技的进步和大规模的生产，国产产品渐渐取代了国外品牌。与此同时国内不

19、仅仅对开关电源相关的元器件原材料的发展动向进行研究，还不断吸取国外的先进技术如薄膜工艺、集成化工艺等等，使得可以生产出世界上一流的电源产品2-4。近些年来在我国开关电源市场上其总体的销售总额每年都达到了上百亿元，而且销售额的增长幅度可高达十几个百分点，开关电源的市场不仅与我国各行各业的的发展有着密切的关系，还与我国的国家经济调控有关，呈现着稳步向前的趋势。所以开关电源市场的发展也呈现出飞速增长的状态。在这个期间，在各个领域如通讯行业，办公行业，个人消费行业，石油铁路等行业所用到的直流电源都是开关电源市场的重要销售对象。 开关电源的成长发展与磁性元件以及半导体材料的发展有着紧密的关联，为了完成对

20、开关电源的高频化就需求相对应的优秀性能的高频电磁原件。提高其开关频率改进次原件设计方法及结构等等对开关电源小型化产生着重要的推动作用，而效率更高，稳定的输出和可靠性高是今后电源的主要发展趋势5。1.3课题研究的背景及其优点开关电源有几十年的历史。初期的开关电源产品的开关频率是非常低的，性价比十分低，仅有极少数的领域范畴才会使用到比如卫星电源等。晶闸管相控开关电源是在第二十世纪60年代出现的，而70年代是由各种开关电源分立元件，不仅因为电源在工作时开关的频率低，其效率值不高以及电路的构成不够简捷在系统调试的方面也十分的困难等等原由使它很难得到广泛应用。自从70年代以后的时期，紧跟着集成电路设计发

21、展水平的提升，各类别的开关电源专用芯片大批地研究出现，才使得开关电源有了更进一步的发展。开关电源由原来的20千赫兹提高到现在的几百千赫兹。在这同时其他行的电力电子元器件，新的电磁材料以及新的控制理论和软件的出现运用到开关电源，使得开关电源具备了小型化，轻量化，高可靠性等特点，使得其得到了极为迅猛的发67。 使用双极型晶体功率管能是开关的电源频率达到几十千赫兹，所以目前市场上所用到的主要是这种功率开关管。而选用电力MOSFET开关电源的开关频率则可以达到几百千赫兹。电源就像是一个部队总指挥官，是指挥所用元器件工作的总动力，没有了它其他的各部分电路就无法正常工作，但是他有着许许多多的缺点和不足，列

22、如开关的频率偏低，体积和工作时产生噪音较大以及成本的昂贵，直到种类繁多的开关电源问世，原先电源的不足统统得到了改善。开关电源技术的研究和追求以及发展趋势可以用一下四点来概括，分别是以下几点。体积小、重量轻、频率高：原先的电源体积较大主要是因为他其中的存储设备的质量较大导致的，所以当我们如今把电源中的存储设备的质量大大减小后，即开关电源的体积也大大的缩小了，减小了内部空间的占用率；而开关频率的提高对开关电源也有着举足轻重的作用；他不仅可以抑制在电源工作过程中产生的干扰还可以减小元器件对整个电源的空间占有率，更可以一定条件下有效的提高整个体统的动态响应速度，所以开关频率的高频率化发展是现在电源的重

23、要发展方向和目标。高效率：开关电源之所以效率能够提高主要是因为在其中使用的各个元件等等工作时间相比电源的工作时间少了好几倍，又是因为电源电路里的电容光电耦合器等元器件的使用时长的增加从而有效的延长了电源的使用时间；所以我们不光要以为地减小电源中各个元器件的体积也要相应地减少其中的个数，也就是提高整个电源的集成度；这样不仅能够大大提升电源的效率还能有效地保护所有元器件，使其电路变得更加简捷，一旦当电源出现问题时，检查电路发现问题的时间也会缩短。可靠性高降低噪音：在电源的工作时不可避免的就是在运行过程中会产生噪音。单独的高频噪声地增加同时也会使噪音的分贝增加；选取部分谐振转换电路技术。有人认为降低

24、了噪音就会使开关电源的工作效率降低，其实在理论是可以达到提高工作效率的同时也可以降低噪音，由于噪音对人们的工作生活有很大的负面影响，所以低噪音是今后电源发展的热门研究方向。开关电源的计算机仿真技术：计算机仿真技术是一种最新的省时的设计工具，在开关电源的设计和研究方面起着重要的作用；在设计之前都要对开关电路的模型进行仿真计算并研究，将所需的电路模型如输入电路模型，控制电路模型等建模设计；最后提高了开关电源设计的效率，为所需用户节省不少的时间和精力7-10。1.4本文主要的研究内容开关电源具有体型不大，工作效率高的特点，被称为高效环保节能电源。其已经成为重要的电力供应产品。开关电源日趋综合化，智能

25、化方向发展。集成度高，功能强大的是开关电源的主要发展方向。本文主要研究围绕通过脉宽调制来调节小功率多路输出电源的电压值。主要工作内容如下。1) 首先介绍了电源早期的发展历史以及国内国外的研究进展和方向，之后讲解了电源经过几十年的发展有了质的飞跃并说明了开关电源的优点特点。提炼出本文的要点，给出本文的结构安排和大体分析。2) 重点介绍了开关电源所用到的基本电路并对整个电路系统进行设计和分析，首先讲解了四种电路拓扑结构并主要介绍正激式电路的特点及其优点，再介绍了电路中所用的开关元器件，最后根据具体需要确定整体的电路方案。3) 设计出合适的开关电路图，并在Matlab中进行仿真。4) 对开关电源进行

26、整体的仿真和分析，对输出的电压计各个波形图的分析，以及输出功率和占空比的计算和分析。5) 最后总结，对本篇文章进行总结，并对文中可以做到而没有做到的部分进行阐述展望，对未来开关电源的憧憬。1.5 本章小结 本章主要介绍了开关电源的背景和发展趋势，并介绍了该课题的研究背景和研究方向。在本章的结尾部分阐述了本课题的最主要工作内容和安排。 第二章 开关电源系统总体设计及分析2.1 开关电源的工作原理它的工作原理是将输入的电流经过二极管整流桥整流和滤波电容滤波之后得到一个平滑稳定的高压直流电，在用功率开关管的导通与截止时间和高频变压器的作用把之前的高压直流电转换成高频脉冲电压，在这之后这些电压又由于整

27、流二极管和滤波电容的作用，从而将输出稳定的直流电压为其他设备提供电能。而把最后输出的直流电压隔离分成多路达到多路输出的目的，这样不仅提高了工作效率还能为我们普通的日常生活中提供了不少的便利，节省许多的人力物力1112。如图2.1为开关电源典型工作框图，其主要是由四个主要部分组成，电源输入电路，电压输出电路，功率变换电路以及控制电路13。图2.1开关电源典型电路框图电源输入电路：保护电路主要是由其中的保险丝和压敏电阻组成的，当电路中产生故障时，电流的实际值将超过其最大的额定值，在此时保险丝可以将电流通路切断用来实现保护电路的安全运行；压敏电阻是用来吸收电网内窜入的浪涌电压，从而对电路进行过压保护

28、；利用输入单向导电性能二极管，通过过滤到含有较小的交流分量的直流电压的高频交流电压的初级侧整流电路。 2）控制电路：由反馈电路和保护电路组成。反馈电路把取样的电压与基准电压拿来比较之后把产生的误差信号送入控制芯片；之后通过芯片电路产生PWM波来控制开关管一个周期的开通与关断从而实现对电压的控制。功率变换电路：他是由功率开关管与高频开关变压器构成的开关电源的重要组成部分。 4) 输出电路：其主要是由整流电路和滤波电路构成,把频率较高的脉冲电压整流滤波为系统输出要求的直流电，其工作的原理和输入整流滤波电路大致相同。2.2四种基本的电路拓扑由于开关电源的的不断的发展，其种类也是越来越繁多，渐渐组成了

29、不同的拓扑结构和激励方式。本小节我们就来介绍Buck、Boost、Buck-Boost和uk这四种基本的拓扑结构14。在开关电源中我们常常用到的正激变换器和反激变换器就是由Buck和Buck-Boost拓扑结构推演并加隔离变压器后得到的。2.2.1 Buck变换器Buck变换器又被称为降压变换器，串联开关稳压电源以及三端关型降稳压器。由电源电压Vs，用占空比控制开通与关断的晶体管Q，二极管D1，电感L，电容C和电阻R构成的，通过控制晶体管导通和关断时间的比值,就可以把直流输入电压Vs最终降压为输出电压Vo。Buck变换器电路结构图如图2.2所示。图2.2 变换器电路结构图Buck功率变换器工作

30、过程：在图2.3(a)中，当晶体管Q导通时，电感L上电流会持续的增加在其没有达到饱和状态之前并且其大小与输入电流is的值相同，此时电阻R上的电流值为IG，电阻R两端的电压值为Vq，当iLIo时,电容C进行充电，这时的二极管D1被反向截止，电压为上正下负。在图2.3(b)中,晶体管Q截止后。为了维持电感电流iL大小保持不变，通过电感L里磁场的作用，电感线圈L两端电压的极性被改变。当iLIo时,电容C的工作状态则由充电改为放电,用来维持输出电压和电流的大小保持不改变。此时二极管D1为正向导通，其电压为上正下负，由于正向导通工作时电感电流iL提供通路，所以二极管D1被称为续流二极管15。图2.3 B

31、uck功率变换器工作过程原理图2.2.2 Boost 功率变换器Boost功率变换器又称为升压变换器。它是由晶体开关管Q，二极管D1，电容C以及电感L组合而成的。晶体开关管由脉冲信号即占空比D来调制。从而实现低电压输出升压到高电压输出的功能。Boost功率变换器电路图如图2.4所示。图2.4 Boost功率变换器电路图Boost功率变换器工作过程：在图2.5(a)中，当晶体管开通时，电感L上的感应电流it呈现逐渐线性增长的趋势。并且由磁能的形式储存在电感L中，此时负载R的电流由电容C来提供，负载R上的电流为Iq，其两端的电压为Vq，由于二极管的阳极连接着电源负极，所以二极管D1的工作状态为反向

32、截止状态。而在图2.5(b)中，晶体管关断时，为了维持线圈上的电流iL不变，电感中的磁场会使他两端的电压极性发生变化，而后电感中的电磁能会转化成电压V1和输入电压Vs串联后一起向电容和负载R提供电流。对电路进行分析过后可知，VL和VS一同为输出负载供电，所以当输出电压比输入电压高时该电路被称为升压变换器。当电感电压与输入电源电压之和大于输入电压时，电容上就会有充电的电流流过；当而当电感电压与输入电源电压之和等于输入电压时，则电容就会停止充电此时流过的电流为零；最后当输出电压逐渐发生下降时，电容就会开始向输出负载R放电，以此来维持输出电压的稳定16。图2.5 Boost变换器电路工作过程2.2.

33、3 Buck-Boost功率变换器Buck-Boost功率变换器又被称为降压-升压变换器。他是在Buck功率变换器后面串联一个Boost功率变换器从而组成的电路。如图2.6为该等效变化后的电路。图2.6等效的简化Buck-Boost功率变换器电路图 Buck-Boost功率变换器工作过程：在图2.7(a)中晶体管在开通过程中，电流is流经过电感，电感L存储能量，同时电容向输出负载R提供能电流，这时二极管的工作状态为反向截止。当晶体开关管关断时，其工作过程为图2.7(b)所示，当电感电流逐渐减小时，为了维持电流大小不变，电感就会产生反向的自感电势，使得电感的两端电压上正下负。当当二极管的工作状态

34、为正向开通时，电阻R两端就会输出电压，电容会存储电能，用来在晶体开关管导通时释放电荷来维持输出的电压恒定。又因为输入端的电压与负载端电压极性正好相反，所以被称为反号功率变换器17。图2.7 Buck-Boost功率变换器工作过程2.2.4 uk功率变换器uk功率变换器又称为Boost-Buck功率串联变换器，该变换器是由升压变功率换器和降压功率变换器一起串联并且经过等效变换后等到的。由开关晶体管Q和二极管D1组成的uk功率变换器的电路结构图如下图2.8所示。图2.8 uk功率变换器电路图uk功率变换器的工作过程：在图2.9(a)里，开关管在开通的状况下，输入输出回路闭合，二极管的工作状态为反向

35、截止，输入端电流ir流经电感Li，电感中存储能量18。电容C1放电，给负载R和电感L2提供电压电流，晶体管Q中流经的电流则为i1和i2的和。在图2.9(b)里，开关管断开时，二极管的工作状态为正向导通，使得输入输出回路也处在闭合状态下。在电容提供充电的同时电源输入电流和电感L1的释能电流，在电感L2上的释能电流为负载R提供电量，输入电流i1和输入电流i2的总和就等于通过二极管D1的电流。图2.9 uk功率变换器的工作过程图2.3常用的直流隔离变换器比较常用的开关电源变换器都具有变压器隔离。根据上文所介绍的四种基本变换器拓扑通过一些组合分类得来这些隔离变换器，按输出来可分为单端：正激、反激；双端

36、：推挽式、半桥式和全桥式19。其主要特点为输入输出隔离，可升压亦可降压。2.3.1单端正激式隔离变换器单端正激式隔离变换器与Buck功率变换器的电路相比较其中多了增加了隔离变压器和开关二极管，其工作的原理图如下图2.10所示。这种变换器的主要特点则是可靠性能高以及在电路的设计上比较简单。而如今这种正激式隔离变换器主要在100W-200W的输出功率场合下应用20。图2.10正激式隔离变换电路当晶体开关管Q开通时，电源电压全部施加在一次绕组N1上，在去磁绕组N1上产生了感应电压让二极管D1反向截止21。由于二次绕组N2生成的感应电压使二极管D2开通，输出回路闭合，这时线圈电感，电容和负载一同获得输

37、入电流的电量，变压器上生成了磁化电流。当晶体开关管Q关断时，在绕组N1上存储的能量会通过N1以及二极管D1重新回到电源中，而此时的二极管D2的工作状态为反向截止，电感上电压的极性为上负下正，续流二极管的工作状态为正向导通，负载通过二极管D3持续得到能量从而来保持正常工作状态22。在开关管Q再次开通之前，变压器T上的能量必须完全得到释放，不然变换器就会饱和，导致晶体开关管Q被毁坏。所以为了防止变压器T饱和，晶体开关管的开通时间不能大于截止工作的时间。2.3.2单端反激式隔离变换器反激式隔离变换器不仅电路很简单，而且能够极大限度的提供多路的输出，他的适用场合主要是在100W左右的小功率输出场合23

38、。单端反激式隔离变换器的电路图如下2.11所示。他是有基本的Buck-Boost功率变换器变化得来的，反激式隔离变换器中的变压器是用来代替Buck-Boost功率变换器中的电感，其不仅能完成变压的工作，同时也可以完成输入输出端的电气隔离并有效的减少干扰。图2.11 反激式隔离变换电路当晶体开关管开通时变压器开始存储能量，应为变压器的次级绕组N2与初级绕组N1同名端一正一负，所以二极管D2的工作状态为反向截止，负载上的电能由电容C提供，保持电压V0不变24。当晶体开关管Q关断时，变压器上的次级绕组N2的极性变为上负下正，二极管D2的工作状态为正向导通，为负载R提供电能，与此同时电容也在进行充电过

39、程。2.3.3推挽式功率隔离变换器推挽式功率隔离变换电路的电路原理图如下图2.12所示。两个晶体开关管Q1和Q2在工作时相互交替开通或关断。当两个开关管都导通时，变压器的初级绕组会流过相应的感应电流，这时的变压器次级则会有功率输出25。图2.12推挽式功率隔离变换器电路当开关管Q1开通，开关管Q2关断时，开关管Q2集射两端的电压为2VDC，当开关管Q1和开关管Q2都关断后，他们两端的电压则为输入的直流电压。所以晶体开关管Q1和Q2的耐压值应不小于2VDC，所以这种隔离变换器只能在输入电压比较小的开关电源电路里应用。2.3.4 全桥式功率隔离变换器全桥式功率隔离变换器的电路图如下图2.13所示，

40、这种电路是由四个开关Q1、Q2、Q3、Q4组成，四个桥臂的中间连接着变压器，两对功率开关管Q1 Q4和Q2 Q3交替开通和关断，让变压器的次级功率输出，提供电能给负载，该电路大多用在大功率隔离变换电路里26。图2.13全桥式功率隔离变换电路当功率开关管Q1和Q4开通时，功率开关管Q2和Q3关断，这时开关管Q2和Q3两端所施加的电压为输入电压VDC27。当功率开关管短时间里关断时，因为储能元件是变压器T，这之间储存的能量和输入电压叠加则会给功率开关管施加一个较大的电压，我们把这种电压称为冲击电压。一般在功率开关管Q1、Q2、Q3和Q4的集电极个发射极之中依次反接上二极管D1、D2、D3、D4，通

41、过这些二极管就可以限制功率开关管上的电压在安全范围内，从而来降低电流的冲击对功率开关管的影响，就可以有效地保护开关管。最后还可以提高开关电源的效率。2.3.5半桥式功率隔离变换器半桥式功率隔离变换器电路和全桥式功率隔离变换器的电路基本相类似。只要用全桥式功率隔离变换电路中的功率开关管Q3和Q4用电容容量相等的C1和C2替代，就成为半桥式功率隔离变换器28。如下图2.14所示，电容C1和电容C2构成分压电路，让他们连接的电压Va的大小为输入电压的一半。图2.14 半桥式功率隔离变换器当功率开关管Q1开通时，Q2关断时，电流的流动方向是沿着途中虚线的方向流动，此时的电容C2状态为充电，变压器上的次

42、级绕组的电压极性是左边为负右边为正。当功率开关管Q1关断，Q2开通时，电流的流动方向是沿着图中实线的方向流动，此时的电容C1的状态为充电，变压器上的得到了合理完全的使用，可以提供很大的输出功率。半桥是功率隔离变换器主要在高电压输出和大功率输出场合中应用。2.4正激式电路优点在上文中介绍了几种基本常用的开关电源电路，在本毕业设计中采用的是正激式多路输出电路。其电路的主要优点如下。正激式变压器开关电源的工作原理很简单，就是当开关管开通时电源电压施加在初级绕组上并产生电感电压使变压器左端的二极管关断右侧的二极管导通，同时为了在关断开关时反之反击电动势损坏了开关器件需要在变压器的右端再增加一个二极管保

43、护电路。工作时变压器次级线圈对负载提供电压。仅在晶体开关管截止时，功率的输出是由储能的电感线圈和电容一同来供给。提到开关电源的特性不得不说在输出时的动态控制特性和输出电压负载特性。在这两个方面正激式变压器性能较好。他能使在电路工作中不会产生抖动的电压，让电压输出更加稳定。在许多场合都得到了广泛的应用29。2.5本章小结 本章主要介绍了开关电源的基本工作原理以及常用的四种基本的电路拓分别是降压功率变换器，升压功率变换器，降压-升压功率变换器，降压升压串联功率变换器。还介绍了常用的直流隔离变换器，因为本文电路用到正激多路隔离输出开关电源电路，最后阐述了正激多路隔离输出开关电源电路相比于其他几种电路

44、的优点。 第三章 开关电路图的设计3.1 MATLAB软件以及Simulink平台介绍 MATLAB是矩阵实验室(Matrix Laboratory)的之意。除具备卓越的数值计算能力外，它还提供了专业水平的符号计算，文字处理，可视化建模仿真的实时控制等功能。开放性使MATLAB广受用户欢迎，出去内部函数外，所有MATLAB主包文件和各种工具包都是可读可修改的文件，用户通过对源程序的修改或加入自己编写程序构造新的专用工具包。 Simulink是MATLAB软件的扩展，他是实现动态系统建模和仿真的一个软件包，它与MATLAB语言的主要区别在于，其与用户交互接口是基于电脑系统的模型化图形输入，其结果

45、是使得用户可以把更多的精力投入到系统模型的构建，而非语言的编程上30。3.2 MATLAB下仿真图的设计 本课题总体电路仿真图如下图3.1所示。 3.1 小功率多路隔离输出电源仿真图设计3.3输入电源整流部分整流电路就是将输入的交流电压转换成直流电压，主要是利用二极管的单向导电性来完成的。小功率多路隔离开关电源通常使用桥式整流电路，他是用四个整流二极管连接在一起组成电桥的形式，由交流电的输出波形可以看出其是一个正弦波形，此时由于整流桥中的二极管的特性为单项导电，可将正弦波Y轴负半轴的波形翻到Y轴的正半轴上，最后再经过电容的稳压滤波后就可以得到个波形平滑的直流电压31。本文采用成品整流桥，整流桥

46、是由四个整流二极管封装构成，共有四个端口，其中两个端口为交流输入端口，两个端口为直流输出端口，如下图3.2所示。图3.2 整流桥电路结构图 本设计将输入311V的交流电压，其电压图像如下图3.3中呈现的正弦波，而经过整流桥整流之后再用电压表及示波器测量其电压图像为下图3.4。图3.3 电源输出交流电压图图3.4 经过整流桥后的直流电压图 经观察两个图之后可分析在输入的311V的输入电压波形为正弦波，而经过整流桥整流之后原本在纵轴负半轴的图像全部翻到了上面的正半轴上。即由输入的交流电压整流之后得到了直流电压。图3.5 输入端电流上图为变压器左侧示波器2中的输入端电流值，由图可知电流值的大小为48

47、A。图3.6 输入端电压 上图为变压器左侧示波器5中的电压波形图，有图可知经过稳压滤波后的电压大约在300V。3.4 控制电路和输出电路本课题是将输入的311V交流电压经过整流再经过变压器最后隔离输出三路24V的直流电压。输出电路图如下图3.7所示。图3.7 输出电路图上图为输出端电路图，主要工作状态为：当有电压输入时二极管正向导通，电容工作状态为充电状态，电压输出在24V；当没有电压输入时电容此时开始放电，向输出端负载R提供电能维持输出稳定，而二极管的工作状态为方向截止。图3.8 示波器1的输出电压波形图图3.9 示波器4的输出电压波形图图3.10 示波器6的输出电压波形图 上文三张图片分别

48、为示波器1、4、6输出端的输出电压波形，由图可知在经过大约0.02秒的超调最终输出波形稳定都在24V。3.5 反馈电路的分析和相关参数的计算 图3.11 反馈电路图反馈电路在这个电路中起着重要的作用，将输出端的采样电压与24相减，得到的差值经过比例积分调节器进行调节，然后将放大的误差放入图3.12中进行比较，也就是将放大的误差信号与固定频率的三角波进行比较得到输出的占空比如图3.13所示，最后由输出占空比信号来驱动IGBT开关管的基极，通过改变开关管的工作和截止时间长短，来维持输出端的电压值为24V不变。图3.12 输出误差与三角波比较图图3.13 占空比调制图通过这两张图的分析可知，将输入误

49、差与三角锯齿波进行比较，误差波形高于锯齿三角波的地方输出高电平，反之输出低电平。再结合图3.12可知当输出高电平时与或门输出1，即开关导通并输出占空比信号来驱动晶体管IGBT的基极使其开始工作；当误差波形低于锯齿三角波时输出的占空比为低电平，不会使开关管导通，IGBT就不会工作。照此原理，通过输出误差与锯齿三角波的比较输出占空比信号从而来控制功率开关管IGBT的导通与截止并实现调节电压值的大小和维持输出电压的稳定不变。图3.14 开关管PWM波形图 图3.14为反馈电路中最后输出的PWM波形图，由此PWM波控制IGBT的导通与关断来维持三路输出电压稳定在24V。3.5.1 IGBT的工作特性

50、IGBT是电力MOSFET 和双极晶体开关管的组合开关元器件，它的工作原理与电力MOSFET 工作原理大体相同，重点使是用电压控制器件，驱动功率小。然而，IGBT栅极和发射极以及集电极之间存在结电容，发射极电路存在漏电感，因为这些分布参数的影响，使IGBT的驱动波形和理想的波形有很大的改变，对IGBT的导通和关断有着不良的影响。IGBT的开通和关断是用栅极电压来掌控的。如果是在栅极通上一个正向电压后，电力MOSFET里会构成沟道，并提供一个PNP晶体管的基极电流，此时IGBT的工作状态为导通。如果是在栅极上施加一个反向电压时MOSFET 中的沟道消失，PNP 晶体管和基极电流被关断，这时IGB

51、T截止。3.5.2 占空比的计算以及输出功率的计算图3.15 Buck降压变换器电路结构图 根据图3.15 Buck降压变换器结构电路图可知电压电源VS通过调节占空比通知开关管的导通与截止，最后把电源电压降为输出电压VO。通过公式UO = DUSK (1)其中US为输入电压，UO为输出电压，K为变压器的变比。因为原电路中变压器线圈匝数之比为 N1:N2:N3:N4 = 300:60:60:60 (2)所以变比K的值为 K= = 0.2 (3) 由之前示波器测出US为300V，UO为24V，即占空比根据公式(1)可算出值为0.4。输出功率的计算根据以下公式 P = (4) 其中UO为输出电压，R

52、为输出端负载电阻。最后可得输出功率为57.6W。3.5.3 比例积分调节器的作用 比例积分(PI)调节器是根据给定量与反馈量的偏差来进行比例和积分运算，将比例和微分运算结果进行线性组合后来控制输出，使得系统的输出朝着偏差不断减小的方向变化，达到实际输出与理想输出不断接近的目的。 3.6 本章小结 本章首先简单介绍了MATLAB软件及MATLAB下的附加软件Simulink，之后介绍了在MATLAB下的小功率多路隔离开关电源电路图的设计，主要对输入电源的者流部分，IGBT控制电路，反馈电路以及输出电路进行了分析和各方面介绍。重点介绍了IGBT的工作特性和通过比例积分调节并放大误差和锯齿三角波比较

53、输出占空比控制IGBT的导通与截止控制电压稳定在24V，最后进行了参数的计算，计算出了本电路的输出功率以及占空比。第四章 在Protel DXP下的原理图设计和分析4.1 Protel DXP 的介绍 Protel DXP是Altium公司在二十一世纪推出的一套电脑辅助设计(CAD)新型软件，是用早些时候Protel 99SE的原理基础上创新改革而得来的，集聚了硬件工程师在硬件设计应用过程中用到的大部分的工具，其中具备了原理图的设计工具、PCB设计工具、电路仿真工具、FPGA设计工具、硬件描述语句(VHDL、VERILOG)仿真与完整信号的分析工具和CAM文件输出及编辑等多项功能。其启动界面如

54、图4.1。图4.1 DXP 开机界面这之后打开一个已建的项目或者新建一个新的项目，如下图 4.2所示。4.2 新建的项目图4.2 TMS320F28335芯片的介绍 TMS320F28335选用的是176引脚LQFP四边形封装，其主要的性能如下。 TMS320F2812芯片是国外某公司研究出的一块最新的32位DSP芯片，它的功能强大可靠性高而且价格合理，其应用方面广泛，主要应用在开关电源设计以及电机控制等领域。它还有许多的优点，例如在信号处理方面，工作时的频率可以达到上百兆赫兹，所以保证芯片的快速性和准确性。与其他的DSP芯片相比较，这种芯片的集成度性价比更高，在功率消耗方面更小并且存储量十分

55、巨大，从而受到广大人群的青睐。 TMS320F2835芯片选用1. 9 V 和3. 3 V的双电源为其他各个元器件提供电能。如下面电源电路的设计一样，在芯片提供电能的时候还需要满足一定的时序，只有这样才能保证芯片内部的各个板块能够快速正常复位。4.3 TMS320F28335芯片图4.3电源电路的设计图4.4 电源电路设计图上图即为该电路的电源设计图，图中所用芯片是TI公司推新推出的双路低压差电源调整器,可以看出PS767D301芯片左端有两个输入电压并且都为5V。再将引脚3、4和9、10接地，即使能端接地。在经过芯片就可以得到输出为1.9V和3.3V的电压，其中引脚17、18、23、24为输

56、出引脚，而25引脚为采样电压，若采样电压低于输出标准电压时，此时的芯片将会复位。芯片上方的网络接口接上后就会导通5V电源电压并转换成5V数字电压使得发光二极管D1一直导通并发光。最后右侧小电容都是起着滤波的作用。4.4 JTAG接口电路图4.5 JTAG电路JTAG主要是下载程序，主要测试时钟输入；数据输入；数据输出；模式输出等。其标准的接口是4线：TMS、TCK、TDI、TDO，分别为模式选择、时钟、数据输入和数据输出线。其中TRST为复位输入引脚，低电平有效。4.5 复位电路的设计图4.6 复位电路设计图图4.6为复位电路设计图,图中所用的74HC08芯片主要是由四组两输入端与门组成，1A

57、-4A以及1B-4B八个引脚为输入端，1Y-4Y四个引脚为输出端。当A引脚和B引脚都输出高电平时，输出端Y才会输出高电平。由电路图左上部分可知RST、RST2、RS都通上了高电平，在下图中2A与1Y相连都为高电平,当开关S1在没按下前2B、2Y输出高电平使得3Y输出高电平，DSP芯片维持原来的工作状态。但是当按下S1后2B为低电平，2Y、3Y也将输出低电平最终使得DSP芯片完成复位工作。4.6 晶振电路4.7 晶振电路图上图为晶振电路图，它由30M赫兹的晶振和两个24pf的电容配合使用，为系统提供精确的参考源。4.7 IGBT驱动电路 图4.8 IGBT驱动电路图 上图为IGBT驱动电路，此电

58、路采用了HCPL-3120芯片，此芯片是光电耦合器非常适用于IGBT和MOSFET的驱动电路上，其驱动的是IGBT的栅极，工作原理图如下4.9所示。图4.9 HCPL-3120芯片工作原理图其中阳极一直导通5V电压，阴极则输入由DSP芯片产生的PWM波，当阴极输入低电平时光电耦合器导通，输出端有电压输出。最后输出端电压经过G1端接在变压器的输入端。4.8 存储器图4.10 存储器图上图中左侧芯片为IS61LV51216芯片，该芯片是一个高速的采用3.3V电源CMOS静态RAM内部存储芯片，拥有很多优秀的性能特点如：存储时间段，功率消耗低，内存易扩展。右侧芯片为SST39VF800芯片，该芯片为

59、8兆位多用途闪存，特点为可靠性能高，低功耗，快速读取访问时间短。4.9 本章小结本章主要给出了在 Protel DXP下的整体原理图的设计，首先对该软件以及TMS320F28335芯片进行了简单的介绍，之后分别介绍了该电路中的JTAG接口电路、复位电路、晶振电路以及IGBT驱动电路，不光对当中的电路进行了介绍还对其中所用到的各个芯片的功能进行了阐述。总结与展望5.1 全文总结 本文设计了一款基于TMS320F28335芯片的单端正激式多路隔离输出开关电源，电源能够提供三路直流电压输出，其中三路都输出直流电压并且稳压于24V。输入为311V交流电压，其中输出功率为57.6W。其中主要完成工作如下

60、。 根据任务书所给的设计要求来缺点需要设计电源的基本特性和功能。对小功率多路开关电源初始的设计，主要包括以下几点：电路拓扑的选择，反馈电路的设计，变压器的设计。最后来确定整个电路的基本结构框架。 根据开关电源电路的整个结构框架对该电路的各模块进行分析和设计，包括对DSP芯片TMS320F28335的选择和介绍以及输入输出电路反馈电路等等的设计和分析，最终给出该电路在Protel DXP下的整体原理图。 在MATLAB下绘制原理图，首先将电源电压即311V的交流电压通过二级管组成的整流桥进行整流，整流后经过滤波稳压后得到300V直流电压，再通过高频变压器得到三路隔离的24V直流输出电压。重点在反