1、I 武汉理工大学毕业设计（论文） 小功率电源模块化设计 学院（系）： 自动化学院 专业班级： 电 气 学生姓名： 指导教师： XXXXXXXXX II 目录 摘要 . IV Abstract . V 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题研究的背景及意义 . 1 1.2 高频开关电源的发展情况 . 2 1.2.1 开关电源的发展情况 . 2 1.2.2 高频开关电源的主要新技术标志 . 2 1.3 主要研究内容 . 4 第 2 章 主电路方案设计及参数计算 . 5 2.1 隔离式高频开关电源系统设计 . 5 2.2 主电路拓扑结构选型 . 6 2.2.1 反激电路 . 6 2.2.2 正激电路
2、 . 7 2.2.3 推挽电路 . 8 2.3 主电路选择 . 9 2.4 变压器的设计 . 10 2.5 滤波电路参数的计算 . 12 第 3 章 控制电路的设计 . 13 3.1 开关电源的几种主要控制方式 . 13 3.2 DPA426 芯片工作原理 . 14 3.3 驱动电路的设计 . 17 第 4 章 系统建模和仿真 . 18 4.1 MATLAB/Simulink 简介 . 18 4.2 正激开关电源的建模与仿真 . 18 4.3 参数的设置 . 19 4.4 仿真和校正 . 20 4.5 仿真结果的分析和结论 . 23 第 5 章 全文总结与展望 . 24 参考文献 . 25 附
3、录 . 26 III 致谢 . 27 IV 摘要 开关电源非常广泛地应用在汽车、通讯、计算机和消费电子产品等领域。高频高效小型开关电源又是未来开关电源发展的必然趋势，并且在工业设备、通信、军事装备、家用电器、交通设施、仪器仪表等领域得到了越来越多的广泛应用。 鉴于开关电源的广泛应用， 本文 在 大量查阅国内外相关文献的基础上设计了一种输入在 36V 到 72V 之间变化，但是输出能稳定在 5V，纹波不大于 50mV 的开关电源。 本文首先对隔离式开关电源结构进行分析，在对比几种主电路拓扑结构的特点之后选用单端正激电路作为主电路的拓扑结构，然后对电路使用的高频变压器进行设计，对电路中的一些重要参
4、数进行计算。最后利用利用 MATLAB 下的 Simulink 工具对该电路进行建模与仿真分析，并对一些理论计算出来的参数值进行修改，根据最后的仿真结果可以看出本设计方案输出电压稳定，纹波小，完全符合设计要求。 关键词： 高频开关电源 ， 单端正激式 ，建模仿真 V Abstract Switching power supply is widely used in many areas, such as communications, computers ,cars and so on . the compact and efficient high frequency switching s
5、upply is inevitable trend of development .And it is more and more widely used in industrial equipment ,communications ,military equipment ,household appliances ,transportation facilities, instrumentation and other fields. In view of the wide application of switching power supply， the author study a
6、switching power supply which on the basis of referring to much of the pertinent literature at home and abroad.The input of the power is 36V to 72V ,and the output of it is 5V,while the ripple of which is not more than 50mV.At first ,I analysed isolated switching power supply structure , I select the
7、 single-ended forward circuit as the main circuit topology after comparing characteristics of the several main circuit topology.Then I design the high-frequency transformer and calculate some important parameters.At last ,I simulate and analysis the circuit with the MATLAB Simulink tool ,and modifie
8、d some theoretically calculated.According to the last simulation result ,I can conclude that the output of the power is stable ,the ripple is small enough ,and the design is fully meet the requirement. Keywords: high-frequency switching power supply, single-ended forward， modeling and simulation武 汉理
9、工大学毕业设计（论文 ） 1 第 1章 绪论 1.1 课题研究的背景 及意义 随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代 之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。 开关电源技术发展趋势是：小型化、薄型化、轻量化、高频化是开关电源的主要发展方向；提高可靠性，提高集成度，增加保护功能，拓宽输入电压范围，提高平均无故障时间；随着频率提高，开关电源的噪声随之增大，降低噪声也是高频开关电源的研究方向；提高电源装置和系统的电磁兼容性 (EMC)；用计算机软件进行辅
10、助设计与控制，具有高效、高精度、高经济性和高可靠性的优点，可以使开关电源具有最佳电路结构与最佳工作状况。开关电源高频化的实现，与磁性元件和半导体功率器件的发展状况有着密切的关 系； 隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。早在 70 年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求。随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展
11、又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其 功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接组件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近年来高反压 MOS 大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从 20kHz 提高到 150 一 200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了前所未有的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。在 70 年代后期，功率在 100
12、W 以上的开关电源是有竞争力 的。到1980 年，功率在 50W 以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到 80 年代后期，电子设备的消耗功率在 20W 以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入 90 年代后，其成本下降非常显着，当然这包括了功率组件，控制组件和磁性组件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。 随着社会经济的发展，人类已经进入工业时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期，电源是向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础。 武 汉理工大学毕业设计（论文 ） 2 论文的目的就是查阅相关资料，掌握开关电 源的内部
13、结构，学习怎样设计小功率开关电源的方法，这以后从事相关事业打下基础，开阔视野，从而提高自身的能力。 课题研究的意义在于：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。 1.2 高频开关电源的发展情况 1.2.1 开 关电源的发展情况 目前我国通信、信息、家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，
14、相控电源将逐渐被淘汰。国内开关电源技术的发展，基本上起源于 20 世纪 70 年代末和 80 年代初。当时引进的开关电源技术，在高等院校和一些科研院所停留在实验开发和教学阶段。 20 世纪 80 年代中期开关电源产品开始推广和应用。 20 世纪 80 年代开关电源的特点是采用 20kHz 脉宽调制（ PWM）技术，效率可达 65%-70%。经过 20 多年的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MOSFET 和 IGBT 可使小型开关电源的工作频率达到 400kHz(AC/DC)或 1MHz(DC/DC);软开关技术使高频开关电源的实现有了可能
15、，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了电源的效率（国产 6kW 通信开关电源采用软开关技术，效率可达 93%）；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术（ APFC）的开发，提高了 AC/DC 开关电源的功率因数，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率。 1.2.2 高频开关电源的主要新技术标志 新型磁性材料 和新型变压器的开发、新型电容器和 EMI 滤波器技术的进步以及专用集成控制芯片的研制成功，使开关电源实现了小型化，并提高了 EMC 性能。微处理器监控技术的应用，提高了电源的可靠性，也
16、适应了市场对其智能化的要求。 新型半导体器件的发展是开关电源技术进步的龙头。目前正在研究高性能的碳化硅半导体器件，一旦开发成功，对电源技术的影响将是革命性的。此外，平面变压器、压电变压器及新型电容器等元器件的发展，也将对电源技术的发展起到重要作用。 另外，集成化是开关电源的一个重要发展方向。通过控制电路的集成、驱动电路的集成以及保护电路的集成，最后达到整机的集成化生产。集成化和模块化减少了外部连线和焊接，武 汉理工大学毕业设计（论文 ） 3 提高了设备的可靠性，缩小了电源的体积，减轻了重量。总之，回顾开关电源技术的发展过程，可以看到 ，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性 是大 势所趋，
17、也是今后的发展方向，因此高频开关电源的发展很具研究意义！ 在开关电源领域，我国的民族产业在国内一直占有举足轻重的地位。在开关电源应用的起步阶段，很多生产厂家采取的都是小作坊的生产模式。经过 20 余年的不懈努力，逐步向大规模生产转化，产品也从单一品种走向系列化。现在，我国已形成一批上亿元 甚至10 亿元以上产值的电源企业，有些产品已进入国际市场。这是我国开关电源技术不断成熟的表现。 从技术上看，几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的主要标志如下所述：新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可能，功率 MOSFET 和 IGBT已完全可以取代功率晶体管和晶闸管，从而使中小型开关
18、电源工作频率可以达到400KHz(AC-DC)和 1MHz(DC-DC)的水平。超快恢复功率极管， MOSFET 同步整流技术的开发也使高效低电压输出 (例如 3V)开关电源的研制有了可能。现在正在探索研制耐高温的高性能 炭化硅功率半导体器件。 软开关技术使高频率开关变换器的实现有了可能 ， PWM 开关电源按硬开关模式工作(开 /关过程中电压下降 /上升和电流上升 /下降波形有交叠 )，因而开关损耗大。开关电源高频化可以缩减体积重量，但开关损耗却更大了 (功率与频率成正比 )。为此必须研究开关电压 /电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关 (ZVS)/零电流开关 (ZCS)技术，或称软开关技
19、术。小功率软开关电源效率可以提高到 80-85%。 70 年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础，以后新的软开关技术不断涌现，如准谐振(80 年代中 )，全桥 ZVS-PWM 、恒频 ZVS-PWM/ZCS-PWM (80 年代末 )、 ZVS-PWM 有源钳位； ZVT-PWM/ZVCT-PWM(90 年代初 )；全桥移相 ZV-ZCS-PWM(90 年代中 )等，我国己将最新软开关技术应用于 6KW 通信电源中，效率达 93%。 例如电流型控制及多环控制，电荷控制，一周期控制，功率因数控制， DSP 控制及相应专用集成控制芯片的研制成功等，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。
20、有源功率因数校正技术 (APFC)开发，提高了 AC-DC 开关电源功率因数。由于输入端有整流电容组件， AC-DC 开关电源及一大类整流电源供电的电子设备 (如逆变器， UPS)等的电网侧功率因数仅为 0.65。 80 年代用 APFC 技术后可以提高到 0.95-0.99。既治理了电网的谐波 “污染 ”，又提高了开关电源的整体效率。 磁性组件新型材料和新型变压器的开发，例如集成磁路，平面型磁心，超薄型 (Low profile)变压器。新型变压器如压电式，无磁心印制电路 (PCB)变压器等，使开关电源的尺寸重量都可减少许多。 新型电容器和 EMI 滤波器技木的进步，使开关电源小型化并提高了
21、 EMC 性能。 武 汉理工大学毕业设计（论文 ） 4 微处理器监控和开关电源系统 内部通信技术的应用，提高了电源系统的可靠性。 90 年代末又提出了新型开关电源的研制开发，这也是新世纪开关电源的远景。如用一级 AC-DC开关变换器实现稳压或稳流，并具有功率因数校正功能，称为单管单级 (Single Switch Single Stage)或 4S高功率因数 AC-DC 开关变换器；输出 1V, 50A的低电压大电流 DC-DC 变换器，又称电压调节模块 VRM，以适应下一代超快速微处理器供电的需求。 1.3 主要研究内容 开关电源是通过电路控制开关管进行高速的导通和截止，将直流电转化为高频率
22、的交流电提供给变压器进行变 压，从而产生一组或几组电压。它主要由主电路和控制电路构成，主电路包括 DC-DC 变化器，输出滤波等电路模块；控制电路包括取样电路，控制电路，缓冲电路等。其中 DC-DC 变换器是关键环节，变化器是把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输入输出隔离的目的。输出滤波器将交流高频电压整流滤波得到直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。控制电路则用取样电路进行取样，并且将其基础电压进行比较，调制脉冲宽度，从而保持输出电压稳定。 本设计技术参数如下：输入为 36-72V 直流，输出电压为 5V 直流，纹波不大于 50mV，额定功 率为 15W，转换效率 =90%(典型值
23、 )。 本论文主要分为 5 个章节： 第一章是绪论部分，主要对本课题研究的背景和意义进行一些阐述，分析了目前小功率开关电源的研究现状。 第二章主要是针对开关电源主电路拓扑图的种类 和部分原件参数的 选择，在分析了正激电路，反激电路和推挽电路的工作原理的基础上，进一步分析了各种拓扑图的特点和局限性，根据设计要求选择了合适的主电路拓扑图。 同时对部分硬件进行选型和计算，主要包括变压器的设计和参数的计算，滤波电容器的选择和计算，储能电感的计算。 第三章是控制方案的比较和选择，控制芯片的介 绍和选择，以及控制芯片的外围电路的设计。 第四章是针对第二章和第三章选取的电路图以及各个元件进行搭建仿真图，并且
24、进行仿真，根据的得到的波形适当的修改部分参数，使之达到目标要求，并且对各个仿真图进行对比分析。 第 五 章是结论，对整个毕业设计进行总结。 武 汉理工大学毕业设计（论文 ） 5 第 2章 主电路方案设计及参数计算 2.1 隔离式高频开关电源 系统设计 隔离式开关电源的变换器具有多种形式。主要分为半桥式、全桥式、推挽式、单端反激式、单端正激式等等。 在设计电源时，设计者采取那种变换器电路形式，主要根据成本、要达到的性能指标等因素来决定。各种形式的电源电路的基 本功能块是相同的，只是完成这些功能的技术手段有所不同。隔离式高频开关电源电路的共同特点就是具有高频变压器，直流稳压是从变压器次级绕组约脉冲
25、电压整流滤波而来。开关电源的基本功能方框如图 2.1 所示。 在图 2.1 中，交流线路电压无论是来自电网的，还是经过变压器降压的首先要经过整流、滤波电路变成含有一定脉动电压成分的直流电压，然后进入高频变换部分。高频变换部分的核心是有一个高频功率开关组件，比如开关晶体管、场效应管 (MOSFET)等组件， 图 2.1 隔离式开关电源 的方框图 高频变换部分产生高频 (20kHz 以上 )高压方波，所得到的高压方波送给高频隔离降压变压器的初级，在变压器的次级感应出的电压被整流、滤波后就产生了低压直流。为了调节输出电压，使得在输入交流和输出负载发生变化时，输出电压能保持稳定，在这里采用一个叫做脉冲
26、宽度调制器 (FWM)的电路，通过对输出电压采样，并把采样的结果反馈给控制电路，控制电路把它与基准电压进行比较，根据比较结果来控制高频功率开关组件的开关时间比例 (占空比 )，达到调整输出电压的目的，在方波的上升沿和下降沿。有很多高次谐波，如果这些高次 TB 波反 馈到输入交流线，就会对其它电子设备产生干扰。因此，在交流输入端必须要设置无线频率干扰 (RFI)滤波器，把高频干扰减少到可接收的范围。 开关电源电路的典型结构主要包括功率变换电路、滤波电路以及取样电路等模块构成。 其中功率变换电路是开关电源的核心部分，针对不同的直流电压功率变换电路有很多种拓扑结构，如反激电路，正激电路，推挽电路等。 交流输入 PWM 控制电路 整流滤波 高频开关元件 高频变压器 输出整流 直流输出
