高频开关电源的设计与制作

摘要洛阳理工学院毕业设计（论文）PAGEIVPAGE6高频开关电源的设计与制作洛阳理工学院电气工程与自动化系2011设计者黄贝利摘要本文首先针对所需要的高频高压开关电源的要求，对高频高压开关电压的工作原理进行分析，选用适合的开关变换器、控制方式和功率MOSFET。其次，根据系统主电路的结构，设计出系统的各单元电路。最后，对所设计的系统进行安装调试，经过多次的反复试验，达到了各项设计指标的要求，并提出了系统的抗干扰措施，设计出一款全新系统结构的高频高压开关电源。该系统以MOSFET作为功率开关器件，构成桥式Buck开关变换器。采用脉宽调制(PWM)技术，PWM控制信号由集成控制器SG3525产生，输出实时采样电压反馈信号，以控制输出电压的变化，控制电路和主电路之间通过光电耦合器进行隔离。系统还设计了软启动和过流保护电路。通过实验证明该系统能安全、可靠运行，达到了设计要求。关键词：高频开关电源；变换器；SG3525；过流保护

High-frequencyswitchingpowersupplydesignandproductionABSTRACTThispaperhasanalyzedthedevelopmentandthepresentsituationofthedomesticandforeignswitchingpowersupplyofhighfrequencyandhigh—voltage，hasstudiedthehighfrequencyandhighvoltageswitchpowersupply’sbasicprincipleandtheapplication．Thepaperdesignsthenewsystemstructureofthehighfrequencyandhighvoltageswitchpowersupplyforthesmallandmediumenterprisetogovernwastegasandthedust．ThissystemtakesthepowerswitchcomponentbypowerMOSFETtoconstitutebridge-typeBuckswitchconverterandusesthepulse-durationmodulation(PWM)technology．TheSG3525producesthePWMcontrolsignal，theoutputsignalofreal—timesamplingvoltagefeedbackcontrolsthechangeofoutputvoltage，Betweenthecontrolcircuitandthemaincircuitcarriesontheisolationthroughtheelectro-opticalcoupler．Wehavedesignedthesoftstartandtheoverflowprotectioncircuit．Throughtheexperimentwehaveprovedthatthissystemissafeandreliableandithasachievedthedesignrequirements．KEYWORDS:Highfrequencyswitchingpowersource；Converter；SG3525；Theoverflowprotectioncircuit前言目录前言 1第1章绪论 21.1开关电源技术的发展方向 21.2课题简介及课题意义 41.2.1开关电源国内外发展趋势 41.2.2开关电源的应用 51.2.3课题意义 6第2章方案总体设计 72.1方案对比 72.2方案讨论 72.3方案选定 11第3章高频高压开关电源的工作原理分析 123.1高频高压开关电源设计的基本原理 123.1.1系统设计原理 123.1.2高频开关电源的组成： 133.2变换器 153.2.1DC／DC变换 153.2.2AC／DC变换 153.3控制方式 163.4功率电路主要元器件的选择与保护 183.4.1功率MOS场效应晶体管的选择 183.4.2功率晶体管的保护 20第4章高频高压开关电源的电路设计 234.1交流输入滤波及输入桥式整流滤波电路 234.2软启动电路 264.3功率变换电路及其驱动电路 274.3.1PWM控制器SG3525 284.3.2功率变换电路及其驱动电路 314.3.3桥式斩波电路及其驱动电路 32第5章系统的调试及抗干扰设计 355.1系统调试 355.2电磁干扰EMI与电磁兼容EMC 365.2.1概述 365.2.2干扰的方式与类型 365.2.3抑制干扰的方法 375.3高频高压开关的干扰抑制 38结论 40谢辞 42参考文献 43附录 44外文资料翻译 46前言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)控制集成芯片IC和绝缘栅场效应管MOSFET构成。开关电源不仅体积小而且损耗低，故几乎已应用在所有的电子设备中。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，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。随着电力电子技术的高速发展，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地应用了开关电源，更进一步促进了开关电源技术的发展。目前市场上的高压开关电源大多采用晶闸管驱动，开关速度低、损耗大、噪声也大，并且使高压开关电源的频率受到限制，从而缩小了其使用范围。虽国内已有少数厂家生产高频高压开关电源，但价格昂贵。因此设计、开发价格低廉的高频高压开关电压是大势所趋，具有良好的市场。第1章标题第1章绪论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EQ。1.1开关电源技术的发展方向1955年美国罗耶(GH．Roger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛(JenSen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以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。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、薄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件的损耗，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(Bs)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、薄。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、ZCS的软开关技术己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，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。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，以使得该项技术得以实用化。(1)高频化是电源技术发展的主流电源技术的精髓是电能变换，即利用电能变化技术，将市电或电池等一次电源变换成适用于各种用电对象的二次电源。开关电源在电源技术中占有重要地位，从10kHz发展到高稳定度、大容量、小体积、开关频率达到兆赫级的高频开关电源。为高频变换提供了物质基础，促进了现代电源技术的繁荣和发展。高频化带来了最直接的好处是降低原材料消耗、电源装置小型化、加快系统的动态反应，进一步提高电源进入更广阔的领域特别是高新技术领域，进一步扩展了它的应用范围。(2)新理论、新技术的指导谐振变换、移相谐振、零开关PWM、零过渡PWM等电路拓扑理论；功率因数校正、有源箝位、并联均流、同步整流、高频磁放大器、高速编程、遥感遥控、微机监控等新技术。指导了现代电源技术的发展。(3)新器件、新材料的支撑绝缘栅双极型晶体管(IGBT)、功率场效应晶体管(MOSFET)、智能IGBT功率模块(IPM)、MOS栅控晶闸管(MCT)、静电感应晶体管(SIT)、超快恢复二极管、无感电容器、无感电阻器、新型铁氧体、非晶和微晶软磁合金、纳米晶软磁合金等元器件，装备了现代电源技术，促进产品升级换代。(4)控制的智能化控制电路、驱动电路、保护电路采用集成组件。控制电路采用全数字化。控制手段用微处理器和单片机组成的软件控制方式，达到了较高的智能化程度，并且进一步提高了电源设备的可靠性。(5)电源电路的模块化、集成化电源技术发展的特点是电源电路的模块化、集成化。单片电源和模块电源取代整机电源，功率集成技术简化了电源的结构。已经在通讯、电力获得广泛的应用，并且派生出新的供电体制分布式供电，是集中供电单一体制走向多元化。(6)电源设备的标准规范电源设备要进入市场，今天的市场意识超越区域融贯全球的一体化市场，必须遵从能源、环境、电磁兼容、贸易协定等共同准则，电源设备生产厂家必须接受安全、EMC、环境、质量体系等种种标准规范的认证。1.2课题简介及课题意义1.2.1开关电源国内外发展趋势传统的工频(50Hz)高压开关电源技术，在国内已经使用了十几年，但具有以下的缺点：(1)工作频率低，转换效率低至75％以下，耗费电能。(2)变压器和滤波器体积大，重量重，耗费大量的铜和铁。(3)电源输入为两相交流工频电源，又是工频相位调节，致使输入功率因数低至0.7以下，对电网造成很大的电磁干扰，电磁兼容性差。(4)体积庞大的电源控制调节机箱和隔离升压用的工频变压器分居两处，耗费空间，增加基建费用。(5)输出纹波大，致使电晕电压低下，波形又是单一的工频波，使得无法适应高比电阻的工况，达不到环保新要求。我国2000年的直流开关电源产值比1999年增长了15%左右，约占世界开关电源总产值的4.6%(不包括外资企业)。如果包括外资企业，将达到50%左右。因为世界排名1、2、4、5的直流开关电源厂和世界最大的计算机开关电源厂都设在我国珠江三角洲。同时，在苏州为中心的长江三角洲和厦门附近的闽南地区，也相继形成了直流开关电源生产基地。从2000年起，计算机在我国的销售市场迅速扩大，据不完全统计，已超过2500亿元。计算机主要是国外品牌，与之配套的计算机用开关电源也主要是由外资企业和国外供应。但是计算机用开关电源的变压器和电感器已逐渐转向国内生产，出现一批磁芯生产厂和电子变压器生产厂。目前，国外高压开关直流电源比较成熟，像Spellman、Classman等高压电源公司已生产出小型化、高效化、智能化的高压直流电源，然而价格比较昂贵，国内直流高压开关电源研究起步较晚，与先进国家相比有较大差距。尤其在高频、高性能直流高压开关电源方面，国内还没有形成批量生产能力，国内厂商，比如大连电源技术有限公司、河南舞钢规划设计研究所等生产的高压开关电源，价格均在数万元以上，还是比较昂贵的。现在迫切需要物美价廉，能满足多种不同工况要求的多规格、多品种、系列化的高质量、高性能的高频高压开关电源。1.2.2开关电源的应用理论分析和实践经验表明，电器产品的体积重量与其供电频率的平方根成反比。所以当我们把频率从工频50Hz提高到20kHz时，用电设备的体积重量大体上降至工频设计的（5～10）％。这正是开关电源实现变频带来明显效益的基本原因。逆变或整流焊机、通讯电源用浮充电源的开关式整流器，都是基于这一原理。那么，以同样的原理对传统的电镀、电解、电加工、浮充、电力合闸等各种直流电源加以类似的改造，使之更新换代为“开关变换类电源”，其主要材料可以节约90％或更高，还可节电30％或更多。由于功率电子器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用电子管的传统高频设备固态化，既可带来显著节能、节材的经济效益，更可体现技术含量的价值。直流开关电源是各种电源中应用范围和市场最大的一种，包括从交流输入变为直流输出的“开关整流器”和从直流输入变为直流输出的“直流变换器”。直流开关电源经过几十年的发展，集中了许多高新技术，包括高频开关技术、软开关技术、功率因数校正技术、同步整流技术、智能化技术、表面安装技术，已经形成高工作频率、高效率、高功率密度、高可靠性等为特征的现代直流开关电源。直流开关电源的应用范围和市场比较大，按日本电子机械工业协会开关电源专业委员会的分类方法，包括：(1)各种电子计算机、中央处理器、存储装置用开关电源；(2)计算机外围终端设备，输入输出装置用开关电源；(3)有线通讯设备、程控交换机、户内通讯设备用开关电源；(4)无线通讯设备、发送设备、移动通讯设备用开关电源；(5)工厂自动化、机器人、数控机床、空调设备、电力控制设备用开关电源；(6)自动售货机、现金自动交付机、现金自动存储机用开关电源；(7)显示器、示波器用开关电源；(8)医疗设备、试验仪器、汽车电子、液晶显示装置用开关电源；(9)文字书写机、个人计算机、传真机用开关电源；(10)复印机、速印机用开关电源；(11)电视机、录像机用开关电源；(12)游戏机用开关电源；(13)数字音响、电子乐器用开关电源；(14)磁带录音机、立体声录放机用开关电源；(15)插头式开关电源、充电器用开关电源和住宅设备用开关电源。之所以分得这样细的原因是日本的直流工关电源市场占世界的50%~45%，品种多、用量大，可以针对各自不同的要求进行设计，有利于追求最佳性能和最低成本。1.2.3课题意义(1)工程意义研究开发低成本的高频高压开关电源，填补了目前市场上的空缺，符合节约能源、可持续发展的基本国情，对加速国民经济的发展具有非常重要的现实意义，也蕴藏着巨大的经济商机。(2)理论意义本课题所设计的高频高压开关电源的输出频率范围为50～100kHz，最高频率远远高于工频(50Hz)，摈弃了传统的工频、硅整流模式，设计出低成本、基于单片机控制技术和功率场效应管器件的高频开关电源。REF_Ref168484390\r\h错误！未找到引用源。REF_Ref168484424\h错误！未找到引用源。PAGE6PAGE10第2章方案总体设计2.1方案对比方案一：采用SG3524芯片。SG3524开关电源集成控制器采用了脉宽调制控制，工作频率高于100KHZ；工作电压范围为6到40伏，内基准电压为5伏，基准源负载能力达50毫安；内开路集电极、发射极驱动管的最大输出电流为100毫安；工作温度为0到70摄氏度。SG3524的内部有两只晶体管，利用这两只晶体管可以组成不同的使用方法，使用电容和二极管可组成类似全波整流和倍压整流的使用方法，可以使用变压器接成推挽方式使用。由于变压器的传输是靠电磁感应，对没有直流成分的推挽电路有利。方案二：使用SG3525。不但SG3525在外形上和SG3524完全一样，可以对SG3524进行替换，而且SG3525的性能更优良，能实现更新颖的应用，开关频率可达200KHZ以上，适合于驱动N沟道功率MOSFET。2.2方案讨论SG3525在SG3524的基础上，主要有以下几点独到之处：（1）增加PWM锁存器使关闭作用更可靠。比较器（脉冲宽度调制）输出送到PWM锁存器，锁存器由关闭电路置位，由振荡器输出时间脉冲复位。这样，当关闭电路动作，即使过电流信号立即消失，锁存器也可维持一个周期的关闭控制，直到下一个周期时钟信号使锁存器复位为止。（2）输出级作了结构性改进。电路结构改为确保其输出电平处于高电平，或低电平状态。另外，为了适应驱动MOSFET的需要，末级采用了推挽式电路，使关断速度更快。（3）比较器有两个反相输入端。SG3524的误差放大器、电流控制器和关闭控制3个信号共用一个反相输入端，SG3525现改为增加一个反相输入端，误差放大器与关闭电路各自送至比较器的反相端。这样，便避免了彼此相互影响，有利于误差放大器和补偿网络工作精度的提高。（4）增设欠压锁定电路。电路主要作用是当IC输入电压小于8V时，集成块内部电路锁定，停止工作（基准源及必要电路除外），使之消耗电流降至很小（约2mA）。

（5）振荡器作了较大改进。SG3524中的振荡器只有CT及RT两引脚，充电和放电回路是相同的。SG3525的振荡器，除了CT及RT引脚外，增加了放电引脚7、同步引脚3。RT阻值决定对CT充电的内部恒流值，CT的放电则由脚5及脚7之间外接的电阻值RD决定。把充电和放电回路分开，有利于通过RD来调节死区的时间，这是重大的改进。在SG3525中增加了同步引脚3专为外同步用，为多个SG3525的联用提供了方便。（6）有软起动电路。比较器的反相端即软起动控制端脚8可外接软起动电容。该电容由内部5V基准参考电压的50μA恒流源充电，使占空比由小到大（50％）变化。（7）SG3525删除了SG3524中使用的电流限制放大器电路，它采用关断控制电路进行限流控制，其中包括逐个脉冲电流限制和直流输出电流限制。一般用法是将过电流脉冲信号送至关闭控制端（10脚），当10脚电压超过0.7V时，芯片将进行限流操作，当10脚电压超过1.4V时，将使PWM锁存器关断输出，直到下一个时钟周期才能恢复，如果10脚信号持续时间较长，则由慢启动电路重新启动电路工作。由于芯片内部反应速度及快，故通过10脚可实现逐个过电流脉冲限制的功能。SG3525增加的工作性能在实际应用中具有重要意义。例如，脚8增加的软起动功能，避免了开关电源在开机瞬间的电流冲击，可能造成的末级功率开关管的损坏。

对SG3525与SG3524的软起动功能。图2-1给出了SG3525与SG3524软起动试验的原理图。图2-2给出了SG3525脚8接100μF电容和SG3524脚9接100μF电容时，在通电2s和5s时的输出脉宽波形图[16]。（a）采用SG3525设计的软启动电路（b）采用SG3524设计的软启动电路图2-1

软起动原理图（a）SG3524通电2s的波形（b）SG3525通电2s的波形（c）SG3524通电5s的波形（d）SG3525通电5s的波形图2-2

两种控制器分别在启动2s及5s后的波形

从图2-2的波形以及表2-1和表2-2的数据比较可以看到，虽然SG3524与SG3525都可以实现软起动功能，但是，由于SG3525本身设计了软起动电路，因此，在实际实现软起动的过程中，由其内部的恒流源给外部电容充电，工作时不会影响到其它的电路，而SG3524要实现软起动，就要与误差放大器、电流控制器等同用一个反相端，就会彼此互相影响。另外，在相同电容量的情况下，SG3525更有利于提高软起动时间。表2-1

SG3525脚8接不同的对地电容时的软起动时间脚8对地电容C/μF软启动时间t/s100.58221.26331.84472.33表2-2

SG3524脚9接不同的对地电容时的软起动时间脚9对地电容C/μF软启动时间t/s100.29220.58330.97471.161002.232.3方案选定从上面的方案论证中可知，SG3525的功能在许多方面都比SG3524优良，尤其是SG3525本身设计了软起动电路，在实际实现软起动的过程中，由其内部的恒流源给外部电容充电，工作时不会影响到其它的电路，但SG3524要实现软起动，就要与误差放大器、电流控制器等同用一个反相端，就会彼此互相影响。而且SG3525的反映速度要比SG3524快，本设计的过流保护电路是通过SG3525的10脚来控制的，速度较快对过流保护有用。所以，根据本设计对元件的要求和根据电路设计的需要，本设计选择SG3525。第3章REF_Ref168484495\h错误！未找到引用源。洛阳理工学院毕业设计（论文）PAGE21第3章高频高压开关电源的工作原理分析3.1高频高压开关电源设计的基本原理3.1.1系统设计原理开关电源采用功率半导体器件作为开关器件，通过周期性间断工作，控制开关器件的占空比来调整输出电压。开关电源的基本构成如图3-1所示，其中DC／DC变换器进行功率转换，它是开关电源的核心部分，此外还有起动、过流与过压保护、噪声滤波等电路。输出采样电路(Rl、R2)检测输出电压变化，与基准电压研比较，误差电压经过放大及脉宽调制(PWM)电路，再经过驱动电路控制功率器件的占空比，从而达到调整输出电压大小的目的。图3-2是一种电路实现形式。DC／DC变换器有多种电路形式，常用的有工作波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振型变换器。图3-1开关电源的基本构成图3-2开关型稳压电源的原理电路对于串联线性稳压电源，输出对输入的瞬态响应特性主要由调整管的频率特性决定。但对于开关型稳压电源，输入的瞬态变化比较多地表现在输出端。提高开关频率的同时，由于反馈放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应问题也能得到改善。负载变化瞬态响应主要由输出端LC滤波器特性决定，所以可以利用提高开关频率、降低输出滤波器LC乘积的方法来改善瞬态响应特性。高频高压开关电源的电路结构有多种：(1)按驱动方式分，有自励式和他励式。(2)按DC／DC变换器的工作方式分：单端正励式和反励式、推挽式、半桥式、全桥式等；降压型、升压型和升降压型等。(3)按电路组成分，有谐振型和非谐振型。(4)按控制方式分：脉冲宽度调带IJ(PWM)式；脉冲频率调制(PFM)式；PWM与PFM混合式。(5)按电源是否隔离和反馈控制信号耦合方式分，有隔离式、非隔离式和变压器耦合式、光电耦合式等。3.1.2高频开关电源的组成：开关电源的组成框图如图3-3所示，它由以下几个部分组成：图3-3开关电源的组成高频高压开关电源通过MOSFET或IGBT的高频工作，开关频率一般控制在50～100kHz范围内，实现高效率和小型化。高频开关电源主要由以下几个部分组成。1、主电路从交流电网输入、直流输出的全过程，包括以下几个部分：（1）输入滤波器其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。（2）整流与滤波将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。（3）逆变将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。（4）输出整流与滤波根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。2、控制电路一方面从输出端取样，经与设定标准进行比较，然后去控制逆变器，改变其频率或脉宽，达到输出稳定，另一方面，根据测试电路提供的数据，经保护电路鉴别，提供控制电路对整机进行各种保护措施。3、检测电路除了提供保护电路中正在运行中各种参数外，还提供各种显示仪表数据。4、辅助电源为控制电路和保护电路提供满足一定技术要求的直流电源，以保证它们工作稳定可靠。辅助电源可以是独立的，也可以由开关电源本身产生。[18]3.2变换器高频高压开关电源可分为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／DC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。3.2.1DC／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Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制方式，不变，改变Ts(易产生干扰)。其具体的电路由以下几类。(1)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。(2)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。(3)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。(4)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Ul，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)％。日本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％。3.2.2AC／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)，交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，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，也就对内部高密度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，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。3.3控制方式开关K以一定的时间间隔重复地接通和断开，在开关K接通时，输入电源E通过开关K和滤波电路提供给负载RL，在整个开关接通期间，电源E向负载提供能量；当开关K断开时，输入电源E便中断了能量的提供。可见，输入电源向负载提供能量是断续的，为使负载能得到连续的能量提供，开关稳压电源必须要有一套储能装置，在开关接通时将一部份能量储存起来，在开关断开时，向负载释放。改变接通时间和工作周期T的比例亦即改变脉冲的占空比，这种方法称为“时间比率控制TRC。按TRC控制原理，有三种方式：(1)脉冲宽度调制PWM开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。(2)脉冲频率调制PFM导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。(3)混合调制导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合。PWM脉宽调制，是靠改变脉冲宽度来控制输出电压，通过改变周期来控制其输出频率。而输出频率的变化可通过改变此脉冲的调制周期来实现。这样，使调压和调频两个作用配合一致，且于中间直流环节无关，因而加快了调节速度，改善了动态性能。由于输出等幅脉冲只需恒定直流电源供电，可用不可控整流器取代相控整流器，使电网侧的功率因数大大改善。利用PWM逆变器能够抑制或消除低次谐波。加上使用自关断器件，开关频率大幅度提高，输出波形可以非常接近正弦波。脉宽调制(PWM)控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率，采用现有的器件和电路技术，一般可使PWM开关电源工作在几十kHz至于百kHz的开关频率，电源装置在重量、效率、可靠性、价格和外形尺寸方面可认为是最佳的，适合于中、大功率的应用场合。而且，采用一般的PWM调制方式，对元器件的要求也不会太高，很适合于实现设备的高性价比。脉冲宽度调制(PWM)变换器就是通过重复通／断开关工作方式把一种直流电压(电流)变换为高频方波电压(电流)，再经过整流平波后变为另一种直流电压输出。PWM变换器有功率开关管、整流二极管及滤波电路等元器件组成。输入输出间需要进行电气隔离时，可采用变压器进行隔离和升降压。PWM变换器的工作原理如图3-4所示。由于开关工作频率的提高，滤波电感L，变压器T等磁性元件以及滤波电容C等都可以小型化。对于PWM变换器，加在开关管S两端的电压弧及通过S的电流毛的波形近似为方波，如图3-5所示。图3-4PWM变换器的基本工作原理图3-5变换器开关工作的波形对于这种变换器，有两种工作方式。一种是保持开关工作周期不变，控制开关导通时间的脉冲宽度调制(PWM)方式，另一种是保持导通时间不变，改变开关工作周期的脉冲频率调制(PFM)方式[18]。3.4功率电路主要元器件的选择与保护3.4.1功率MOS场效应晶体管的选择功率MOS场效应晶体管全称为金属氧化物半导体场效应晶体管，简称功率MOSFET。它具有开关速度快、安全工作区宽、高输入阻抗和低电平驱动、易于并联使用等特点。选择晶体管时，必须注意两个基本参数：第一个参数是晶体管截止时的耐压值，第二个参数是晶体管在导通时能承受的电流值。这两个参数的选择是由开关电源的类型决定的。半桥式变换器电路中开关晶体管的选择：图3-6所示为半桥式变换器，变压器的一次侧在整个周期中都流过电流，磁心得到充分利用，对功率开关管的耐压要求较低，决不会超过线路峰值电压。与推挽式电路相比，若输出相同的功率，则开关晶体管必须流过2倍的电流。在半桥式变换器电路中，因为变压器的电压已减少，为了获得相同的功率，晶体管的工作电流将加倍。半桥式变换器的另一个优点是：它可以自动校正变压器磁心偏磁，避免变压器磁心饱和。图3-6半桥式变换器电路在设计开关电源时，还应考虑的是使用双极型晶体管还是MOSFET管，这两种晶体管各有优缺点。二者相比较，双极型晶体管价格较低，而MOSFET管由于驱动电路简单，所以整个电路设计也比较简单。双极型晶体管有一个缺点，就是工作截止频率较低，一般在几十kHz左右，而MOSFET管的开关工作频率可达几百kHz。开关电源工作频率高就意味着设计出来的开关电源体积较小。提高开关电源的工作频率，这是当前开关电源设计的一个趋势。功率MOSFET使用时应注意以下几个问题：(1)栅极电路的阻抗非常高，容易受静电破坏。(2)直流输入阻抗高，但输入容量大，高频时输入阻抗低，因此需要降低驱动电路阻抗。(3)并联工作时容易产生高频寄生振荡。(4)导通时电流冲击大，容易产生过电流。(5)寄生二极管的反向恢复时间长。(6)开关速度快而产生误操作，容易使驱动电路误操作。(7)漏极一栅极间电容较大，漏极电压变化容易影响输入。3.4.2功率晶体管的保护功率晶体管的保护有抗饱和、二次击穿等问题，这里重点介绍二次击穿的防止及RC吸收回路元件参数的选择方法。(1)正偏压的二次击穿要设计出一个工作稳定、可靠的开关电源，必须避免开关晶体管出现正向偏置状态下的二次击穿现象。图3-7表示晶体管集电极电流I与Ucc间的关系图，曲线的轨迹代表的是晶体管可以工作的最大限度范围。在晶体管导通期间，落入安全区正向偏置的负载曲线认为是安全的，工作时不能超过厂家所提供的器件热限度和安全工作区。图3-7双极型晶体管安全工作区正向偏置的二次击穿现象是由若干个发热点引起的。这些发热点是由于晶体管在高压下电流的不均衡而造成的。它们分布在功率晶体管工作面上的许多地方，由于晶体管的基极一发射极结间是负温度系数，这些发热点就增加了局部电流流动，电流越大，则产生功率越大，进而使得某一发热点的温度更高。由于集电极对发射极的击穿电压也是负温度系数，所以与上述结果相同。由此可见，如果加在晶体管上的电压不消失，电流就不会终止，集电极一发射极结就会被击穿，而晶体管会由于无法抗拒高温而损坏。有一种防止正向偏压二次击穿的新方法：在制造晶体管时增加了发射极平衡技术，使用这种技术制造的晶体管可以工作在它本身允许的最大功率和最大集电极电压的条件下，而不必担心会产生二次击穿。应用这种技术的器件如图3-8所示。图3-8防止二次击穿的措施具体实现方法是在功率开关晶体管的基极再串接一个结型场效应管，场效应管起着基极平衡电阻的作用，其阻值随集电极对基极电压的变化而变化。当集电极电压变化时，能够维持恒定的功耗。(2)反偏压的二次击穿当晶体管用作开关器件使用时，存储时间和开关损耗是两个重要的参数。如果不能有效地减少存储时间，变压器就会产生饱和，而且开关电源的调整范围就会受到限制。同时，对开关损耗必须进行控制，因为它影响着整个电源系统的工作效率。实际应用中，晶体管的反向偏置安全工作区(1mSOA)很有实用意义，如图3-9所示。图3-9反向偏置时安全工作区(RBSOA)RBSOA曲线表示，对于低于的情况，只受晶体管集电极电流的限制。对高于的情况，集电极电流必须随所加的方向偏置电压的增加而减少。很明显，反向偏置电压以b是非常重要的，它对RBSOA的影响非常大。在开关晶体管加反向偏压时，因为关断时间会减少，应避免基极一发射极结的雪崩现象发生。设计时可采用有箝位二极管的RC吸收回路以避免雪崩现象的发生。[5]第3章标题PAGE8PAGE33第4章高频高压开关电源的电路设计4.1交流输入滤波及输入桥式整流滤波电路开关电源产生的噪声包含共模噪音和差模噪音。共模干扰是由于载流导体与大地之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位同向的；而差模干扰则是由于载流导体之间的电位差产生的，其特点是两条线上的杂讯电压是同电位反向的。通常，线路上干扰电压的这两种分量是同时存在的。为此应在电源输入端加滤波器，滤波器阻抗应与电源阻抗失配，失配越厉害，实现的衰减越理想，得到的插入损耗特性就越好。也就是说，如果噪音源内阻是低阻抗的，则与之对接的EMI滤波器的输入阻抗应该是高阻抗(如电感量很大的串联电感)；如果噪音源内阻是高阻抗的，则EMI滤波器的输入阻抗应该是低阻抗(如容量很大的并联电容)。由于线路阻抗的不平衡，两种分量在传输中会互相转变，情况十分复杂。典型的EMI滤波器包含了共模杂讯和差模杂讯两部分的抑制电路，如图4-1所示。图4-1电源滤波器图中：差模抑制电容，：20.1～0.47μH；差模抑制电感，：100~130μH；共模抑制电容，：100EQ00pF；共模抑制电感L：15~25mH。设计时，必须使共模滤波电路和差模滤波电路的谐振频率明显低于开关电源的工作频率，一般要低于10kHz，即图4-2是差模与共模干扰的示意图。(a)差模干扰(b)共模干扰图4-2差模与共模干扰示意图在实际使用中，由于设备所产生的共模和差模的成分不一样，所以，滤波电路可适当增加或减少滤波元件。具体电路的调整一般要经过EMI试验后才能有满意的结果，安装滤波电路时一定要保证接地良好，并且输入端和输出端要良好隔离，否则，起不到滤波的效果。图4-3是两种滤波电路，它们的滤波效果如图4-4实验曲线所示。（a）滤波电路1（b）滤波电路2图4-3两种滤波电路。①加滤波器电路1②为加滤波电路2图4-4两种滤波电路效果实验曲线开关电源的高速开关瞬态往往会产生很高的射频分量，从而污染交流馈电线路，交流电源能传递电气噪声和电磁辐射，导致开关电源中的瞬变再辐射和传递到其它负载。电源输入滤波主要由工频低通滤波器和共模扼制元件组成，封闭在磁屏蔽盒内且可靠接地。电源输入滤波又称电磁干扰(EMI)或射频干扰(RFI)滤波器。本课题中的交流输入滤波电路如图4-5所示，采用前面提到的滤波电路。桥式整流滤波电路如图4-6所示，没有笨重的工频变压器，直接桥式整流滤波：图4-5输入EMI滤波电路图4-6桥式整流滤波电路图4-5中保险丝F1、F2用以在电路发生故障时，防止电源进一步损坏。电容C1、C2、C3、C4、电感L1构成EMI滤波器，一方面抑制电网上的电磁干扰，另一方面对开关电源本身产生的电磁干扰有抑制作用，以保证电网不受污染，也就是说，输入EMI滤波电路的作用是消除电磁干扰(EMI)。电阻R1用以抗御电网的浪涌电压。为了实现高频输出，图4-6中的桥式整流滤波电路无工频变压器。整流二极管选用普通的硅管，C7为高压滤波电容。因为有的国家使用l10V交流电源，因此在整流电路中还加入了l10V到220V的转换电路。市电经EMI滤波后，经由该电路得到300V所有的高压直流电压，送入功率变换电路。[9]4.2软启动电路高频高压开关电源的输入端一般接有输入滤波器。在开机瞬间，滤波电容器会流过很大的浪涌电流，这个浪涌电流可以为正常输入电流的数倍。这样大的浪涌电流，重者往往会导致输入熔断器烧断或合闸开关的触点烧坏，整流桥过流损坏，并使输入保险丝熔断；轻者也会使空气开关产生打火现象，合不上闸。另外，浪涌电流也会损害电容器，使之寿命缩短，过早损坏。为此，要设置防止浪涌电流的软启动电路，如图4-7所示，以保证开关电源正常而可靠地运行。图4-7软启动电路图4-7采用继电器K1和限流电阻R2构成软启动电路。在输入EMI滤波器的输出断接入一个限流电阻R2，通过这个限流电阻来对电容器充电。为了不使该限流电阻消耗过多的功率，以致影响开关电源的正常工作，而在开机暂态过程结束后，用一个继电器K1自动短接它，使直流电源直接对开关稳压器供电，这种电路称之谓直流开关电源的“软启动”电路。4.3功率变换电路及其驱动电路驱动电路是主电路和控制电路之间的接口，良好的驱动电路设计对装置的运行效率、可靠性和安全性都有重要意义。驱动电路的作用是将单片机输出的脉冲进行功率放大，以驱动功率器件。确定功率器件的种类及其型号后，可根据功率器件工作模式选择其合适的驱动电路，包括驱动电源、隔离装置(例如光耦)隔离变压器、逻辑门电路等等。本课题中开关元件选用功率MOS管24N40E，其工作频率可提高到200kHz以上，具有开关速度快、易并联、所需驱动功率低等优点。SG3525是用于驱动N沟道功率MOSFET。SG3525是电流控制型PWM控制器，所谓电流控制型脉宽调制器是按照接反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环和电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是目前比较理想的新型控制器。SG3525根据变压器副边反馈的电压信号调整输出信号的占空比。由于主电路采用双端正激式，门极信号需要隔离，因而SG3525输出端接于变压器T2原边两端，两个副边分别驱动开关管栅极。[17]4.3.1PWM控制器SG3525PWM集成控制器通常分为电压型控制器和电流型控制器两种。电压型控制器只有电压反馈控制，可满足稳定输出电压的要求，电流型控制器增加了电流反馈控制，除了稳定输出电压外，还有以下优点：当流过开关管的电流达到给定值时，开关管自动关断；自动消除工频输入电压经整流后的纹波电压，在开关电源输出端，300Hz以下的纹波电压很低，因此可减小输出滤波电容的容量；多台开关电源并联工作时，PWM开关控制器具有内在的均流能力；具有更快的负载动态响应。(1)SG3525的引脚图和内部框图：SG3525采用了DIPl6封装，外型如图4-8所示。引脚1为误差放大器反向输入端。在闭环系统中，该引脚接反馈信号。在开环系统中，该端与补偿信号输入端(引脚9)相连，可构成跟随器。引脚2为误差放大器同向输入端。在闭环系统和开环系统中，该端接给定信号。根据需要，在该端与补偿信号输入端(引脚9)之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型的调节器。引脚3为振荡器外接同步信号输入端。该端接外部同步脉冲信号可实现与外电路同步。引脚4为振荡器输出端。引脚5为振荡器定时电容接入端。引脚6为振荡器定时电阻接入端。引脚7为振荡器放电端。该端与引脚5之间外接一只放电电阻，构成放电回路。引脚8为软启动电容接入端。该端通常接一只的软启动电容。引脚9为PWM比较器补偿信号输入端。在该端与引脚2之间接入不同类型的反馈网络，可以构成比例、比例积分和积分等类型调节器。引脚10为外部关断信号输入端。该端接高电平时控制器输出被禁止。该端可与保护电路相连，用于实现限流控制，以实现故障保护。引脚11为输出端A。引脚11和引脚14是两路互补输出端。引脚12为信号地。引脚13为输出级偏置电压接入端。引脚14为输出端B。引脚14和引脚11是两路互补输出端。引脚15为偏置电源接入端，接SG3525的工作电源+15V。引脚16为基准电源输出端。该端可输出温度稳定性极好的基准电压。图4-8SG3525引脚图SG3525内部结构框图如图4-9所示，主要有基准电源、振荡器、误差放大器、PWM比较器和锁存器、触发器、或非门电路和图腾输出电路等几大部分组成。图4-9SG3525内部结构框图(2)SG3525的工作原理SG3525内置了5.1V精密基准电源，微调至1.0％，在误差放大器共模输入电压范围内，无须外接分压电组。SG3525还增加了同步功能，可以工作在主从模式，也可以与外部系统时钟信号同步，为设计提供了极大的灵活性。在引脚5和引脚7之间加入一个电阻就可以实现对死区时间的调节功能。由于SG3525内部集成了软启动电路，因此只需要一个外接定时电容。SG3525的软启动接入端(引脚8)上通常接软启动电容。上电过程中，由于电容两端的电压不能突变，因此与软启动电容接入端相连的PWM比较器反向输入端处于低电平，PWM比较器输出高电平。此时，PWM琐存器的输出也为高电平，该高电平通过两个或非门加到输出晶体管上，使之无法导通。只有软启动电容充电至其上的电压使引脚8处于高电平时，SG3525才开始工作。由于实际中，基准电压通常是接在误差放大器的同相输入端上，而输出电压的采样电压则加在误差放大器的反相输入端上。当输出电压因输入电压的升高或负载的变化而升高时，误差放大器的输出将减小，这将导致PWM比较器输出为正的时间变长，PWM锁存器输出高电平的时间也变长，因此输出晶体管的导通时间将最终变短，从而使输出电压回落到额定值，实现了稳态，反之亦然。外接关断信号对输出级和软启动电路都起作用。当引脚10上的信号为高电平时，PWM琐存器将立即动作，禁止SG3525的输出，同时，软启动电容将开始放电。如果该高电平持续，软启动电容将充分放电，直到关断信号结束，才重新进入软启动过程。注意，引脚10不能悬空，应通过接地电阻可靠接地，以防止外部干扰信号耦合而影响SG3525的正常工作。欠电压锁定功能同样作用于输出级和软启动电路。如果输入电压过低，在SG3525的输出被关断同时，软启动电容将开始放电。此外，SG3525还具有以下功能，即无论因为什么原因造成PWM脉冲中止，输出都将被中止，直到下一个时钟信号到来，PWM锁存器才被复位。[19]4.3.2功率变换电路及其驱动电路功率变换电路分别如图4-10和图4-11所示。图4-10功率变换电路图4-10中的功率MOS管Q2、Q3的栅极由SG3525驱动，当开关管Q2、Q3导通时，二极管D4、D5截止，输入的整流电压经Q2、Q3和L2向ClO充电，这一电流使电感L2中的储能增加。当开关管截止时，电感L2感应出左负右正的电压，经负载和续流二极管D4、D5释放电感L2中存储的能量，维持输出直流电压不变。电路输出直流电压的高低由加在开关管基极上的脉冲宽度确定。驱动电路如图4-11所示。图4-11功率变换电路的驱动4.3.3桥式斩波电路及其驱动电路功率MOSFET管的栅极驱动电路有基本驱动、带过电流保护的驱动、采用脉冲变压器的驱动、采用光电耦合器的栅极隔离驱动。本文中采用带光电耦合器的栅极隔离驱动电路，具有体积小、重量轻、价格低廉、驱动功率小的优点，缺点是不能传输功率，需要辅助电源电路。桥式斩波电路及其驱动电路如图4-12和图4-13所示。图4-12全桥斩波电路图4-13全桥斩波驱动电路开关管的控制方式采用脉冲宽度调N(PWM)方式。主电路的PWM信号是由SG3525(美国硅通用半导体公司推出)产生出来的。单相斩波器的电路有推挽斩波电路，半桥斩波电路，全桥斩波电路等。推挽斩波电路会带来不平衡现象，导致变压器饱和，功率管电流过大。而半桥斩波电路的直流电压的利用率不高，要输出220V的交流电压就要使用至少620V直流电压，会增加功率管的应力。全桥斩波电路比较适合运用于大功率的场合。本课题中采用全桥斩波电路。全桥斩波电路由Q4、Q5、Q6、Q7和SG3525电路组成，其驱动电路如图4-13所示。通过该电路将160V的直流电压变为交流电压。集成控制器SG3525的振荡频率7r由7脚的电阻、6脚的电阻和电容决定。综上得：EQEQREF_Ref168484640\r\h错误！未找到引用源。REF_Ref168484646\h错误！未找到引用源。PAGE40第5章系统的调试及抗干扰设计5.1系统调试当SG3525正常工作时，他的供电电压值是+20V，由三端稳压器输出加到SG3525的15脚。此时用万用表测量SG3525各引脚输出直流电压如下表所示。表5-1SG3525各引脚输出直流电SG3525的11脚和14脚输出的电压波形如下图所示：图5-1SG3525的11脚和14脚输出电压波形下面又给出了在MOSFET栅极限流电阻上，用示波器测量的栅极电流波形和栅极电压波形图：图5-2MOEFET栅极电流和电压波形5.2电磁干扰EMI与电磁兼容EMC5.2.1概述电磁兼容(EMC)是指设备或系统在其电磁环境中能正常工作且不对该环境中任何事物构成不能承受的电磁骚扰的能力。欧共体将产品的电磁兼容性要求纳入技术法规，强制执行89／336／EEC指令，即规定从1996年1月1日起电气和电子产品都必须符合EMC要求，并加贴CE标志后才能在欧共体市场上销售以来，促进各国政府从国际贸易的角度，高度重视电磁兼容技术。EMC标准按所述的内容可分为基本标准、通用标准、产品标准3类。基本标准主要是规定EMC的试验和测量方法等；通用标准规定了在指定环境中EMC的允许值和具体测试方法的规定，主要是根据产品的性质而不是用途来指定的，一些产品标准还按电气、电子设备应用的场所分为A类和B类。按照频率范围划分，EMC标准又以9kHz为界限，将电气、电子设备的频率分成高频和低频两类。电磁干扰源可能对附近的应用系统引起干扰，造成信号失真。5.2.2干扰的方式与类型电源干扰可以以“共模”或“差模”方式存在。“共模”干扰是指电源对大地，或中线对大地之间的电位差。“差模”干扰存在于电源相线与中线之间，对于三相电路来说，还存在于相线与相线之间。两种干扰模式的区别是十分重要的，因为对共模干扰是不能用差模的方式来解决的，反之亦然。干扰类型可以从持续期很短的尖峰干扰到完全失电之间进行变化。其中也包括电压变化(如电压的跌落、浪涌与中断)、频率变化、波形失真(电压的或电流的)、持续噪声或杂波，以及瞬变等。能够通过电源进行传输并造成设备的破坏或影响其工作的主要是电快速瞬变脉冲群和浪涌冲击波，而静电放电等干扰只要电源设备本身不产生停振、输出电压跌落等现象，就不会造成由电源引起的对用电设备的影响。良好的电源设计应使电源在较恶劣的电磁环境中本身能正常工作，同时应对电源线中的各种脉冲干扰有较好的抑制作用。干扰是由高次谐波产生的，抗干扰的根本任务是抑制高次谐波。5.2.3抑制干扰的方法一般的干扰抑制方法有以下几种：(a)在电源的输入端加入线路滤波器。如图5-3所示。图5-3典型的电源线路滤波器其中LI和L2的线圈同方向绕在同一磁芯上，这两个电感对于差模电流和主电流所产生的磁通是互相抵销的，因此不会引起磁芯的饱和。而对于共模电流则可以反映为很大的电感，以便获得最大的滤波效果，所以又称为共模电感。Cx电容被用来衰减差模干扰，CY电容用于衰减共模干扰。R用于消除可能在滤波器中出现的静电积累。电源滤波器主要用于抑制30MHz以下频率范围的噪声，而对于脉冲干扰，其谐波频率往往高达上百兆赫，实际使用下来其效果往往并不明显。例如某研究机构对20种电源滤波器的抑制浪涌波的能力进行了测试，超过20dB的仅有4种，甚至有的会在输出端产生振荡。(b)采用带屏蔽层的变压器由于共模干扰是一种相对大地的干扰，所以它主要通过变压器绕组间的耦合电容来传递。如果在初、次级之间插入屏蔽层，并使之良好接地，便能使干扰电压通过屏蔽层旁路掉，从而减小输出端的干扰电压。屏蔽层对变压器的能量传输并无不良影响，但影响了绕组间的耦合电容。图5-4画出了带屏蔽层的隔离变压器的共模干扰通路。图5-4带屏蔽层的变压器从图5-4中可以看到要使共模衰减量大，只要变压器屏蔽层接地阻抗小，便能奏效。理论上带屏蔽层的变压器能使衰减量达到60dB左右。但实际使用后可以发现，对于尖峰干扰有抑制，其效果也不十分明显。(c)压敏电阻、气体放电管、TVS管、固体放电管等吸波器件。这类器件都有共同的特点，即在阈值电压以下呈现高阻抗，而一旦超过阈值电压，则阻抗便急剧下降，因此对尖峰电压都有一定的抑制作用，但也有各自的局限性，例如气体放电管的响应速度较慢，压敏电阻的电流吸收能力又不够大，TVS管和固体放电管的阈值电压一般仅为300V~400V。电磁干扰(ElectromagneticInterference)，简称EMI，有传导干扰和辐射干扰两种。传导干扰主要是电子设备产生的干扰信号通过导电介质或公共电源线互相产生干扰；辐射干扰是指电子设备产生的干扰信号通过空间耦合把干扰信号传给另一个电网络或电子设备。5.3高频高压开关的干扰抑制在电路的设计过程中为了尽量减小干扰对系统的影响，尽可能地提高开关电压的频率。本课题采取了如下方法，使开关电源的电磁干扰降到最低点。(1)精心设计系统的控制电源，在带所有负载的情况下，控制电源的纹波尽可能小。(2)整个控制器的印刷电路板铺上屏蔽地，以减少共模干扰。(3)采样电路与控制器的距离尽可能短，减少信号传送产生的干扰，同时在芯片的AD转换脚加一个很小的滤波电容，消去传送过程产生的干扰。(4)每块电路板的电源端都加0.1uF的电容，减少电源线的干扰。(5)数字地与模拟地的连接为单点连接，避免数字电路地线上的突变电流给模拟地带来干扰。(6)主电路的接线尽可能短，并且将几根线绞起来，减少环路面积，以便起到减少线路漏感的作用。(7)在主电路的功率开关管和二极管两端加阻容吸收，一方面减少功率和二极管的应力，另一方面减小开关过程中的电流变化率，从而减少主电路对控制电路的干扰[12]。结论结论在本次课题设计中，通过对高频高压开关电源国内外发展方向和趋势的分析，以及对现有实物模型的工作原理的解剖，期望设计出一款全新系统结构的高频高压开关电源。首先针对所需要的高频高压开关电源的要求，对高频高压开关电压的工作原理进行分析，选用适合的开关变换器、控制方式和功率MOSFET。其次，根据系统主电路的结构，设计出系统的各单元电路。第三，对所设计的高频高压开关电源进行单元模块设计。最后，对所设计的系统进行安装调试，经过多次的反复试验，达到了各项设计指标的要求。通过对高频高压开关电源的设计，可以总结出以下结论：(1)针对系统电压输出要求和输出频率，选用复合结构的主电路结构，将斩波调压电路与桥式变换器相组合达到效果。选用MOSFET作为功率变换器器件，用光电耦合器进行隔离，构成了完整的桥式开关变换器，完成DC—AC的变换。(2)高频高压变压器的设计是高频高压开关电源设计的重要部分，它直接影响电源的转换效率等重要性能，设计过程中变压器在变压器生产厂家特殊定制。(3)采用PWM控制方式，其控制信号由集成控制器SG3525提供。反馈电压可以直接反应PWM的占空比的的大小，此控制器还将过压保护、过流保护、软启动、欠电压锁定、击穿短路保护等功能集成进去了，并且具有能量回收功能。用SG3525驱动MOSFET，保证其可靠开通和关断。(4)应用单片机与模拟电路控制相结合的方式，保证了系统的既具有很强的可操作性，又具有很高的可靠性，不必担心单片机的死机等问题对系统输出的影响。通过对高频高压开关电源的设计，可以看到以下需要完善的问题：由于本人知识和水平有限，所设计的高频高压开关电源还有很多地方需要进一步的改进和优化，才能正式投入使用。本人认为以下几方面值得进一步研究：(1)如何加大使用领域。本文中的开关电源规模不可能兼顾所有工业领域，优势集中在自身擅长的除尘领域，需要进一步进行市场细分，加大优势领域的资源组合，扩大其使用领域。(2)如何延长其“生命力”。由于廉价的劳动力和原材料，该产品价格上目前占有较大的优势，随着中国社会的发展和国家的富强，价格和成本优势将逐渐消除，从而失去市场竞争力。(3)如何发展独立的工艺技术。本文的设计在大型器件、芯片技术上采用了国外技术，今后需要发展国内独立的工艺技术。(4)如何进一步提高开关电源频率。本文中的最高输出频率为100kHz，因其使用场合的不同，可能需要更高的频率。要提高开关电源的频率，需要采用合适的功率器件，还必须考虑干扰。(5)如何进一步提高输出电压。要提高开关电源的电压，需要合理地设计高频变压器。本课题中的高频变压器是在变压器生产厂家特殊定制的，并没有自己设计，如何自己设计并绕制高频变压器也是今后研究的课题。致谢洛阳理工学院毕业设计论文16PAGE60谢辞到今天为止，毕业设计已接近尾声。本毕业设计历时两个多月，在这段时间里，有过成功的喜悦，也有过失败的痛苦！但也使我学到了许多的东西。我想借此机会对关心和支持我的所有人表示感谢！首先我要衷心的感谢杨文方老师对我的指导和帮助！杨老师为我提供了良好的试验条件和实践机会，并随时关心我论文的进度，为我提出许多宝贵的意见。杨老师严谨的治学作风、忘我的工作精神、对学术敏锐的洞察力，以及博大精深的知识水平使我受益匪浅。在进行毕业设计期间，只要我们有什么问题，他马上就会想办法为我们解答。是他引领我步入电气设计的大门，引领我锻炼自己分析问题和解决问题的能力。没有他一直的以来的悉心指导和无私关怀，单凭我个人的能力还不至于能在这么短的时间内完成设计！在此向杨老师致以我最诚挚的谢意！当然，还要感谢许许多多的学者，本文的许多概念和思路都来自他们的实践，虽然不能一一提及他们的名字，希望通过参考文献表达出他们的贡献，并向他们致敬。大学生活即将结束，我感到自己树立了正确的世界观、人生观和价值观。在此，我要感谢学院领导，是他们教会了我做人的道理。深深感谢我的父母，亲人，你们的支持和鼓励是我最大动力源泉。感谢曾经所有帮助过我的朋友，友谊是永远的财富。同时，也要感谢帮助过我的同学们。最后祝各位老师身体健康，工作顺利，也祝愿母校的明天更美好！附录PAGE16参考文献[1] 王兆安黄俊.电力电子技术.北京:机械工业出版社,2008[2]陈坚，赵玲编.电力电子技术及应用.北京：中国电力出版社，2006.1[3]石新春编.电力电子技术.北京：中国电力出版社，2006.3[4]曹丰文、刘振来、祁春清编著.电力电子技术基础.北京：中国电力出版社，2007.8[5]王文郁、石玉编.电力电子技术应用电路.北京：机械工业出版社，2001.8[6]严克宽、张仲超编.电气工程和电力电子技术.北京：化学工业出版社，2002.4[7]MuhammedH.Rashid,M.H.Rashid．PowerElectronics:Circuits,Devices,andApplications.PrenticeHallProfessionalTechnicalReference.May1993[8]华兴经济技术情报研究所编.现代电源设计大全.哈尔滨：哈尔滨工程学院，1991[9]刘胜利编.现代高频开关电源实用技术.北京：电子工业出版社，2001.9[10]杨旭，裴云庆，王兆安编.开关电源技术.北京：机械工业出版社，2004.3[11]AbrahamI.Pressman著王志强等译.SwitchingPowerSupplyDesign开关电源设计.北京：电子工业出版社，2005.9[12]

周志敏等.开关电源实用技术.人民邮电出版社，2003：76-79

[13]

黄静康.实用电工材料手册.中国电力出版社，2003

[14]

杨旭等.开关电源技术.机械工业出版社，2004

[15]

杨素行.

模拟电子技术基础简明教程.高等教育出版社,1998

[16]

曲学基等.稳定电源基本原理与工艺设计.电子工业出版社，2004

[17]

曲学基等.稳定电源实用电路选编.电子工业出版社，2003

[18]

曲学基等.新编高频开关稳压电源.

电子工业出版社，2005

[19]

陈国呈.PWM变频调速变换技术[M].机械工业出版社，2001附录1．与输入相关的术语(1)交流输入电压交流输入电压的值，可用正弦波的有效值(rms)表示，可分为IOOV系列(包含120V等)，200V系列(包含220V、240V等)以及其他。均须针对此项输入电压，以确定“输入电压±若干％或者±若干V”。(2)直流输入电压所谓直流输入电