开关电源建模与设计——毕业论文.docx

1、 武汉理工大学毕业设计（论文） 开关电源建模与设计 学院（系）： 自动化 学院 专业班级： 电气 学生姓名： 指导教师： 武汉 理工 大学本科 生毕业设计（论文 ）任务书 学院： 自动化 专业班级： 电气 姓名： 学号： 毕业设计（论文）题目： 开关电源建模与设计 任务书含以下方面的内容： （一） 设计（论文）主要内容： 主要设计一个中小功率的开关电源，主要技术指标为：输入为 220V 交流市电，输出电压为 24V/12V 两档，输出电压精度 =85%(典型值 )，输出功率 350W。具体研究内容为： 单端正激变换器建模与控制研究； MOS 管建模与特性分析； 电路设计及试验。 （二） 要求完

2、成的主要任务： 1、完成不少于 2 万印刷符，且与选题相关的英文文献翻译工作； 2、查阅相关文献资料（论文参考文献不低于中文 13 篇，英文 2 篇）； 3、撰写开题报告； 4、掌握正激变换技术； 5、根据系统要求，完成正激变换主电路和控制电路的硬件设计，主要器件的参数选型； 6、完成的控制器的控制策略设计； 7、 MATLAB 建模并完成系统仿真。 （三） 进度安排 第 1 周指导教师与学生见面，指导学生选题，初步查找，收集相关资料。 第 2 周由指导教师下达毕业论文（设计）任务书，制定毕业论文（设计）相关计划。 第 3-4 周 ,学生应完成开题报告 ,并交给指导教师审阅。 第 5-8 周

3、,学生自行设计毕业设计的实现思路，查找相关资料，做出 PPT。 第 9 周，组织毕业论文 (设计 )中间检查 ,检查内容主要是让学生展示 PPT，指导老师从旁纠正其中的思路缺陷，指引学生进行下一步工作。 第 10-14 周完成论文 (设计 )初稿 ,并交给指导教师审阅。 第 15 周学生根据指导教师提出的修改意见对论文 (设计 )进行修改，并完成论文的最终定稿，并准备毕业论文答辩。 第 16 周进行毕业论文 (设计 )答辩。 （四）必读参考资料及主要参考文献 1孙余凯 ,吴鸣山 ,项绮明 ,等 .稳压电源设计与技能实训教程 .北京 :电子工业出版社 ,2007 2林渭勋 .现代电力电子电路 .

4、杭州 :浙江大学出版社 ,2002 3周志敏 .开关电源实用技术 .北京 :人民邮电出版社 ,2005 4王兆安 ,刘进军 .电力电子技 .北京 :机械工业出版社 ,2009 5刘胜利 .开关电源设计与制作实践 .北京 :电子工业出版社 ,2011 指导教师签名 ： 年 月 日 系主任签名 ： 年 月 日 院长签名（章） ： 年 月 日 武汉理工大学本科生毕业设计（论文）开题报告 1、目的及意义（含国内外的研究现状分析） 一般的电源，如直接从市电或电池吸取的原生态电能，在某种意义上来说是一种质量较差的 “ 粗电 ” ，这些 “ 粗电 ” 必须要经过转换才能成为满足于设备要求的 “ 精电”。开关

5、电源就是把市电的 “ 粗电 ” 转换成直流电压稳定的 “ 精电 ” 的一种电源设备。 本论文的目的就是查阅相关资料，掌握开关电源的内部结构，学习怎样设计单端正激开关电源的方法，提高自身的能力。 当代许多高新技术均与电源的电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理。因此，电源技术不但本身是一种高新技术，而且还是其评它多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电 能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来为深远的影响。 自 20 世纪 50 年代，美国宇航局以小型化重量轻为

6、目标，为搭载火箭而开发研制首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。随着集成电路的发展，开关电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化。近 20 年来，集成开关电源沿两个方向发展。第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化。1977 年国外首先研制成脉宽调制 (PWM)控制器集成电路，近些年来，国外相继研制出 开关频率达 1MHz 的高速 PWM、 PFM 芯片。第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。 1994 年，美国电源集成公司 (Power Integrations)在世界上率先研制成功三端隔离式 PWM

7、型单片开关电源，其属于 AC/DC 电源变换器。之后一系列升级产品。意 -法半导体公司也开发出 VIPer100、 VIPer100A、VIPer100B 等中、小功率单片电源系列产品，并得到广泛应用。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现在己经 成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。 与国外开关电源技术相比，国内从 1977 年才开始进入初步发展期，起步较晚、技术相对落后。目前国内 DC/DC 模块电源市场主要被国外品牌所占据，它们覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源

8、一半的市场。但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产 DC/DC 产品所代替。 开关电源的使用为国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。由于变换效率提高，能耗减少，降低了电源周围环境的室温，改善了工作人员的环境。我国邮电通信 部门广泛采用开关电源，从而极大地推动了它在其它领域的广泛应用。目前，国产开关电源已占据了相当市场，一些大公司自主开发的电源系列产品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始对外出口。 2、基本内容和技术方案 本次毕业设计的题目是开关电源建模与设计，要求是设计一个中小功率的开关电源。主要技术指标为：输入为 220V 交流市电，输出

9、电压为 24V/12V 两档，输出电压精度 =85%(典型值 )，输出功率 350W。具体研究内容包括单端正激变换器建模与控制研究， MOS 管建模与特性分析，电路设计及试验。 开关电源就是通过电路控制开关管的导通与截止。将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。转化为高频交流电的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要比 50HZ 高很多所以开关变压器可以做的很小，而且工作时不是很热，成本低。 基本组成模块有输入端滤波电路、输入桥式整流电路、 高频变压器、功率开关管、 PWM 控制器、反馈控制电路。基本工作流程是： 1、交流电源输入经整流滤波成直流；

10、2、通过单端正激电路进行 DC/DC 变换； 3、通过高频 PWM(脉冲宽度调制 )信号控制开关管 ,将那个直流加到开关变压器初级上； 4、开关变压器次级感应出高频电压 ,经整流滤波供给负载； 输出部分通过一定的电路反馈给控制电路 ,控制 PWM 占空比 ,以达到稳定输出的目的。 交流电源输入时一般要经过扼流圈一类的东西 ,过滤掉电网上的干扰 ,同时也过滤掉电源对电网的干扰；在功率相同时 ,开关频率越高 ,开关变压器的体积就越小 ,但对开关管的要求就越高。开关变压器的次级可以有多个绕组或一个绕组有多个抽头 ,以得到需要的输出。一般还应该增加一些保护电路 ,比如空载、短路等保护 ,否则可能会烧毁

11、开关电源。 3、进度安排 第 1 周指导教师与学生见面 ， 指导学生选题 ， 初步查找 ， 收集相关资料 。 第 2 周 由指导教师下达毕业论文 （ 设计 ） 任务书 ， 制定毕业论文 （ 设计 ）相关计划 。 第 3、 4周 ,学生应完成开题报告 ,并交给指导教师审阅 。 第 5-8周 ,学生自行设计毕业设计的实现思路，查找相关资料，做出 PPT。 第 9 周， 组织毕业论文 (设计 )中间检查 ,检查内容 主要是让学生展示 PPT，指导老师从旁纠正其中的思路缺陷，指引学生进行下一步工作。 第 10-14 周完成论文 (设计 )初稿 ,并交给指导教师审阅 。 第 15 周 学生根据指导教师提

12、出的修改意见对论文 (设计 )进行修改 ，并完成论文的最终定稿，并准备毕业论文答辩。 第 16 周 进行毕业论文 (设计 )答辩 。 4、阅读的参考文献（ 15篇） 1全聪 .大功率高压直流电源 D:硕士学位论文 .西安 :西安电子科技大学 ,2012. 2马敏 .新型高频开关电源的研制 D:硕士学位论文 .天津 :天津大学 ,2003. 3Prodic A, Maksimovic D. Digital PWM controller and current estimator for a low-power switching converter. Computer in Poser Elec

13、tronics, 2000. COMPEL 2000, The 7th workshop on 16-18 July 2000, 200: 123-128. 4刘胜利 .开关电源设计与制作实践 M.北京 :电子工业出版社 ,2011:27-38. 5DaWande M S, Dubey G K. Programmable input power factor correction methods for switch-mode rectifiers, IEEE Trans, Power Electron, 1996, I1: 585-591. 6 杨显彬 . 几个 EMI 测 量 问 题 的

14、分 析 与 处 理 J. 现 代 电 子 技术 ,2012,35(22),172-176. 7宋艳 .单端正激式高频开关电源设计 D:硕士学位论文 .西安 :西安电子科技大学 ,2010. 8徐德鸿 ,沈旭 ,杨成林 ,等 .开关电源设计指南 M.北京 :机械工程出版社 ,2004:204-208. 9孙余凯 ,吴鸣山 ,项绮明 ,等 .稳压电源设计与技能实训教程 M.北京 :电子工业出版社 ,2007:31-94. 10王京梅 ,兰中文 ,余忠 ,等 .高频开关电源变压器的优化设计 J.电子科技大学学报 ,2002,4:362-365. 11王晓容 .基于 AP法的 70kHzDC/DC开关

15、变换器主变压器设计及应用 J.西南民族大学学报 ,2009,35(4),849-852. 12王兆安 ,刘进军 .电力电子技术 M.北京 :机械工业出版社 ,2009:163-184. 13杨贵恒 ,龙江涛 ,龚伟 ,等 .常用电源元器件及其应用 M.北京 :中国电力 出版社 ,2012:274-367. 14唐爱霞 .单端正激变换器的本案特性研究 D:硕士学位论文 .辽宁 :辽宁工程大学 ,2010. 15梁伟恩 ,付翔 ,杨军 .开关电源中 RC 缓冲电路的设计 J.电子元器件应用 ,2010,6:40-42. 16周志敏 .开关电源实用技术 .北京 :人民邮电出版社 ,2005:262-

16、378. 17 张德丰 .MATLAB/Simulink 建 模 与 仿 真 M. 北京 :电 子 工 业 出 版社 ,2009:12-50. 5、指导教师意见 指导教师签名： 年 月 日 目 录 摘 要 I Abstract II 第 1章 绪论 .1 1.1 课题研究背景 . 1 1.2 课题研究目的与意义 .1 1.3 开关电源的基本原理 . 1 1.4 开关电源发展概况 . 2 1.4.1 国外开关电源发展概况 2 1.4.2 国内开关电源发展概况 3 1.5 本文主要研究内容 . 4 第 2章 主电路拓扑结构选型 . 5 2.1 开关电源基 本 结构 . 5 2.2 几种基本的 DC

17、-DC 变换器 . 6 2.2.1 降压（ Buck）型变换器 . 6 2.2.2 单端反激（ Flyback）式变换器 . 7 2.2.3 推挽（ Push-Pull）式直流变换器 8 2.2.4 单端正激（ Forward）式直流变换器 9 2.3 主电路结构选择 . 12 2.4 本章小结 12 第 3 章 输入 、输出整流滤波电路的设计 . 13 3.1 EMI滤波 器 . 13 3.1.1 EMI滤波器的基本结构 . 13 3.1.2 EMI滤波器的设计 . 14 3.2 整流电路的选择 16 3.2.1 单相半波整流电路 . 16 3.2.2 单相桥式整流电路 . 17 3.2.3

18、 二极管的选择 . 18 3.2.4 电源滤波电容的计算 . 19 3.3 输出级设计 20 3.3.1 正激式滤波扼流圈的设计 . 20 3.3.2 滤波电容的设计 . 21 3.3.3 死电阻的设计 . 21 3.3.4 输出整流和续流二极管的选择 . 22 3.4 本章小结 23 第 4 章 变压器的设计 24 4.1 变压器的工作原理 24 4.2 高频变压器的设计方法 25 4.3 高频变压器的选择 27 4.4 本章小结 31 第 5 章 控制电路、反馈电路和开关管设计 32 5.1 电压型和电流型控制分析比较 32 5.2 UC3844 工作原理 . 33 5.2.1 引脚说明

19、. 34 5.2.2 工作原理 . 34 5.3 外围电路的设计 38 5.3.1 启动电路的设计 . 39 5.3.2 振荡器频率的设置 . 40 5.3.3 电流检测电阻和滤波网络的设计 . 40 5.4 MOSFET 开关管的选择 . 41 5.4.1 功率 MOSFET 的工作原理 41 5.4.2 功率 MOSFET 的选择 42 5.4.3 开关管的缓冲电路 . 42 5.5 反馈电路的设计 44 5.5.1 器件 TL431. 44 5.5.2 器件 PC817. 45 5.5.3 电压反馈电路 . 46 5.6 本章小结 47 第 6章 系统的建模与仿真 . 48 6.1 MA

20、TLAB简介 48 6.2 系统电路原理图 49 6.3 系统的建模 49 6.4 仿真结果 50 6.5 结果分析 57 6.6 本章小结 57 结论 . 58致谢 . 59 参考文献 . 60 摘 要 电源设备用以实现电能变换和功率传递，是各种电子设备正常工作的基础，而高频高效的小型开关电源又是开关电源的必然趋势，在通信、军事装备、交通设施 、 仪表仪器 、工业设备、家用电器等领域得到了越来越多的广泛应用。 本文首先分析了开关电源的工作原理，并阐述了针对设计题目想出的基本思路，绘制出清晰易懂的设计框图。随后，对每个组成部分电路分别进行了介绍，说明了为什么选择这一电路，详细讲解电路设计的理论依据和电路工作原理以及性能要求。接着给出了整个设计的总图，在整个电路的设计上，主要介绍了输入整流滤波电路、高频变压器、功率开关管、 PWM 控制器、反馈控制电路、输出整流滤波电路、复位电路、缓冲电路等。 最后，论文在整体电路原理分析和子电路的设计基础上，应用 matlab 仿真软件对子电路模块和整体电路进行功能仿真验证，仿真结果满足要 求。进一步验证理论分析和设计的正确性，也是设计理论与实践仿真相结合的一次有意义的尝试。 关键词： 单端正激式 开关电源 仿真 高频变压器