开关电源设计

开关稳压电源的设计与制作辛云宏2007国赛：设计并制作如下图所示的

开关稳压电源。在电阻负载条件下，使电源满足下述要求：

1．基本要求：输出电压UO可调范围：30V～36V；最大输出电流IOmax：2A；U2从15V变到21V时，电压调整率SU≤2%（IO=2A）；IO从0变到2A时，负载调整率SI≤5%（U2=18V）；输出噪声纹波电压峰-峰值UOPP≤1V（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；DC-DC变换器的效率≥70%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；具有过流保护功能，动作电流IO（th）=2.5±0.2A；2．发挥部分进一步提高电压调整率，使SU≤0.2%（IO=2A）；进一步提高负载调整率，使SI≤0.5%（U2=18V）；进一步提高效率，使效率≥85%（U2=18V,UO=36V,IO=2A）；排除过流故障后，电源能自动恢复为正常状态；能对输出电压进行键盘设定和步进调整，步进值1V，同时具有输出电压、电流的测量和数字显示功能。电源简介由于线性调节器式直流稳压电源，存在诸多缺点，如体积大，很难小型化、损耗大、效率低、输出与输入之间有公共端，不易实现隔离，只能降压，不能升压，很难在输出大于5A的场合应用。因此开关电源得到广泛利用，凡采用半导体功率开关器件作为开关管，通过对开关管的高频开通与关断控制，将一种电能形态转换成另一种电能形态的装置，叫做开关转换器。以开关转换器为主要组成部分，用闭环自动控制来稳定输出电压，并在电路中加入保护环节的电源，叫做开关电源。开关电源组要组成部分是DC-DC功率变换器，因为它是转换的核心。高频开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。分类多，应用广。开关电源参数有额定输出电压、额定输出电流、输出电压的稳定范围，输出电流的变化范围和输出电压的纹波。开关电源应具有输出过压、欠压、过流和过热保护功能，还应具有较高的电能转换效率、低的转换损耗、低的噪声、好的电磁兼容和绝缘性等。直流电源(DC/DC)变换器按其输入与输出是否进行电气上隔离，可分非隔离式变换器电路和隔离式变换器电路。两者除了均有变压功能外，后者还有输入电量与输出电量在电气上的隔离，以满足某些场合的需要。在非隔离式变换器中，有降压型变换器、升压型变换器、电压极性反转型变换器的电路结构。在隔离式变换器中，应用双极型晶体管作为开关且开关管自身起着振荡元器件作为的自激式变换器与他激PWM变换器。自激式变换器主要是RCC变换器和Reyer变换器，他激式变换器主要有单端反激式、单端正激式、推挽、半桥、全桥变换电路结构。非隔离式变换器——降压型（Buck）变换器降压型（Buck）变换器原图降压型（Buck）变换器将输入的直流电压转换成脉冲电压，再将脉冲电压经LC滤波转换成直流电压。输入电压Uin是未经稳压直流电压；晶体VT1为调整管，即开关管UB为矩形波是控制开关管的工作状态；电感L与电容C组成滤波电路，而VD1为续流二极管。a）VT1导通等效电路图(b)VT1关断等效电路图（c）VT1关断后电流为零等效电路图降压型变换器有两种基本工作方式，一种是电感电流处于连续的工作模式；一种是电感电流处于断续的工作模式，还有一种是电感电流处于临界连续模式；非隔离式变换器——升压型（Boost）变换器主电路由串联在回路中的储能电感L1，开关管VT1及整流二极管VD1、滤波电容C1。它是一种可以获得输出电压高于输入电压的DC—DC变换器。升压型（Boost）变换器原理图有两种基本工作方式：电感电流连续工作模式和电感电流断续工作模式。（c）T1

关断电感电流为零（a）VT1导通等效电路（b）VT1

截止等效电路非隔离式变换器——极性反转型(Buck—Boost)变换器主电路所用元器件与Buck、Boost变换器相同，由开关管VT1、储能电感L1、整流二极管VD1及滤波电容C1等元器件组成。这种电路具有Buck变换器降压与Boost变换器升压的双重作用。升压还是降压取决于PWM驱动脉冲的占空比D.极性反转型(Buck—Boost)变换器原理图

（c）VT1关断时电感电流为0效电路图(b)VT1截止等效电图（a）VT1导通等效电路图

非隔离式变换器——Cuk变换器

Cuk变换器是Buck—Boost串联变换器它是针对Buck—Boost升降压变换器存在输入电流和输出电流脉动值大的缺点。主要电路如下图所示，它由开关管VT1、储能电容器C1、输入储能电感L1、输出储能电感L2、续流二极管VD1及输出滤波电容器C2等元器件组成，开关管VT1由PWM驱动电路控制的，二极管VD1将输入回路和输出回路分开，左半部分是输入回路，右半部分是输出回路。

Cuk变换器原理图

(b)VT1截止等效电路图（a）VT1导通等效电路

（c)电流断续等效电路图芯片介绍

MC34063,AZ34063TheAZ34063AisamonolithicswitchingregulatorcontrolcircuitwhichcontainstheprimaryfunctionsrequiredforDC-DCconverters.Thisdeviceconsistsofinternaltemperaturecompensatedreference,voltagecomparator,controlleddutycycleoscillatorwithactivecurrentlimitcircuit,driverandhighcurrentoutputswitch.TheAZ34063AisspecificallydesignedasageneralDC-DCconvertertobeusedinStep-Down,Step-UpandVoltage-Invertingapplicationswithaminimumnumberofexternalcomponents.TheAZ34063Aisavailablein2packages:SOIC-8andDIP-8.Features•Operationfrom3.0Vto36VInput•LowStandbyCurrent•CurrentLimiting•OutputSwitchCurrentto1.5A•OutputVoltageAdjustable•OperationFrequencyupto180KHz•Precision2%Reference隔离式变换器——推挽变换器

推挽变换器是一种相当两个正激变换器的组合。它由逆变器（DC-AC）和高频整流滤波电路（AC-DC）两部分主电路及控制驱动电路组成。推挽变换器电路原理图如下：推挽变换器原理图推挽式升压原理：

根据变压器得变压比：变压器两组线圈圈数分别为N1和N2，N1为初级，N2为次级，在初级线圈上加一交流电压，在次级线圈两端就会产生感应电动势，当N2>N1时，其感应电动势要比初级所加得电压还要高，这种变压器称为升压变压器；当N2<N1时，为降压变压器。这种电路结构特点是：对称性结构，脉冲变压器原边是两个对称线圈，两只开关管接成对称关系，轮流通断。优点：高频变压器磁芯利用率高、输出功率大、驱动电路简单….DC-DC变换器的实际电路结构器件的选择：控制芯片：KA3525,SG3525,TL494开关管：

IRF640，IFR540系列MOS场效应管；IRF640,18A,200V，Rds(on)=0.180欧，所以不会击穿同时导通损耗也比较小。

选用台湾KA3525PWM调变IC来作此推挽式转换的控制IC，此IC具有振荡器，利用改变RT与CT之值，就可以设定PWM的切换频率；此外尚有两组PWM输出、软启动及完全截止的功能。KA3525采用电压模式控制方法。占空比为0-100%，考虑到死区时间，最大占空比通常为90-95%。其采用分频器，可以得到两路互补的占空比分别为0-50%的PWM信号，同样，考虑到死区时间的存在，最大占空比通常为45%-47.5%。这样的PWM信号试用于半桥、全桥、推挽等双端电路的控制。KA3525内部结构引脚功能…。软启动：

由于次级通常有大滤波电容，所以开关电源在启动时不以额定功率启动，否则相当于短路。因此，只能小电流充满大滤波电容以后再正常工作。这就是软启动。KA3525自带软启动功能，在第8脚处接5uF电容，充电完成后再振荡。设定开关管工作频率为50KHz，初级采用抽头的形式根据法拉第定律,取原线圈为4匝+4匝。设原边最小输入电压为16V，副边最大输出电压为42V，所以原副匝比2:6，副线圈为12匝。实际上由于绕制变压器工艺的限制，我们的变压器的原边线圈是以绕满一层为止，前提是匝数不小于4，副线圈的匝数按匝数比来绕制.骨架的选择应选用高频变压器骨架，目前常使用的有金属锰锌镁铜等，绕制时应使初、次级线圈紧密地耦合在一起，这样可以减少变压器漏感，因为如果漏感过大，将会造成较大的尖峰脉冲，从而击穿开关管。因此在绕制高频变压器线圈时，应尽量使初、次级线圈之间的距离近些。漆包线线径的选择，要使电流大，那么线径要大，但过大会产生趋肤效应，使电流减小。所以可以多组并绕。包胶带变压器设计绕制前级电路设定与稳压开环稳压通过改变输出PWM波的占空比，来调节输出电压的大小；在实际电路中，DA设定值接在误差放大器的同相输入端上，设定输出电压，输出电压的采样电压加在误差放大器的反相输入端上实现稳态。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琐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。

缓冲电路输出电压有较大尖峰，这是由于开关管的高频开关造成的，尤其是关断时，由于电路有寄生电感，瞬间电路的切断会在电感两端出现冲击电压，因此对开关管加缓冲电路，并上R、C改善关断性能。驱动问题后级电路输出为全桥整流，四个整流二极管均并上R、C，因为当输入停止的时候，会有反动电动势；在输出端接上加假负载,如图R19和R20组成。因为负载开路时，输入电感照常周期性地不断储能和释放能量，而能量没有被负载消耗，电容将持续升高即多余的能量都存储到电容极板间，很快导致电容击穿。因此接上假负载，也就说，当检测到电源处于空载转态时，自动投入一个轻负载，这个负载电阻值较大，即能维持输出电压为给定值、本身功率损耗又较小。过流保护电路

当电路输出电流过大，或者负载短路时，将对负载造成伤害，因此过流保护是必须的。

我们把电流信号转换成电压信号放大后，经电压比较器比较。其中采样电阻为康铜丝或大功率低阻值电阻，所采集的电流信号经放大后，输出比较器的同相输入端，当负载过流时候，比较器输出高电平。Shutdown（引脚10）上的信号为高电平，PWM琐存器将立即动作，禁止KA3525的输出，对电路及负载起了保护作用，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。

过流保护电路注意:在每个模块都能正常工作的情况下，整机连调的时候会出现“共地”问题，导致整机会有一个100Hz的工频干扰。改进措施是系统地线不能出现环路，所有地线