1、 本科生毕业设计 基于 DSP 控制的单相开关电源的设计 姓 名： 夏 雨 指导教师： 陈 佩 军 院 系： 信息工程学院 专 业： 自 动 化 提交日期： 2012 年 4 月 目 录 中文摘要 . 2 外文摘要 . 3 引言 . 4 1、 开关电源概要 . 5 1.1 开关电源的发展 . 5 1.2 开关电源的背景及现状 . 5 1.3 开关电源的发展趋势 . 7 2、 DC/DC 变换器的分类 . 8 3、软开关技术 . 10 4、 开关电源结构 . 11 5、 PWM 控制原理 . 12 6、 系统控制电路 . 15 6.1 技术指标 . 15 6.2 输入整流器 /滤波器部分的设计
2、. 15 6.2.1 浪涌抑制部分 . 15 6.2.2 单相桥式整流电路和电容滤波电路 . 16 6.3 控制器 . 18 6.3.1 选择开关电源控制器 iC. 19 6.4 输出整流和滤波电路 . 22 6.5 半波整流电路 . 22 6.6 反馈网络 . 22 6.7 启动和集成供电电路的设计 . 24 6.8 保护电路 . 25 参考文献 . 27 致谢 .错误 !未定义书签。 基于 DSP 的单相开关电源的设计 摘要 ： 开关电源广泛应用于航空、通信、交通等领域。随着高频技术、谐振技术的发展，全桥移相软开关电源广泛应用于在低压、大电流开关电源领域。因此有必要对其进行研究。 首先，论
3、文阐述 PWM DC/DC 变换器的软开关技术，且根据移相控制 PWM 全桥变换器的主电路拓扑结构，选定适合于本论文的零电压开关软开关技术的电路拓扑，并对其基本工作原理进行阐述，同时给出 ZVS 软开关的实现策略。其次，对选定的主电路拓扑结构进行电路设计，给出主电路中各参量的设计及参数的计算方法，包括输入、输出整流桥及逆变桥的器件的选型，输入整流滤波电路的参数设计、高频变压器及谐振电感的参数设计以及输出整流滤波电路的参数设计。本文还设计了电路的整体框架和各部分子模块，最后对各子模块进行了功能仿真。并设计了适用于本电路的驱动以及采样电路。最后介绍以高性能数字信号处理器 TMS320F2812 为
4、控制核心的逆变电源控制系统的软硬件设计。 结果表明，论文所设计的 DC/DC 变换器能很好的实现软开关 ，提高效率，使输出电压得到稳定控制，最后通过调整移相控制电路，可实现直流输出的宽范围调整，具有很好的工程实用价值。通过本论文的研究工作的开展，有助于对软开关电源的分析、设计、建模与仿真，为拓展全桥移相软开关电源电路的应用奠定了基础。 关键词： 开关电源；移相控制；软开关； TMS320F2812 DSP switch power source design based on Abstract： the power supply are widely used in aviation, com
5、munication, transportation, etc. With high frequency technology, resonance.The development of technology, the whole bridge soft switch phase shifting power are widely used in low voltage, large current switching power supply broughtThe domain. So it is necessary to study them. First of all, this pap
6、er expounds PWM DC/DC converter of soft switch technology, and according to the phase shifting controlThe whole bridge of PWM converter the circuit topology, select suitable for this paper zero voltage switch soft openClosed circuit topology technology, and its basic working principle is expounded,
7、and presents ZVS soft switchThe realization of the strategy. Second, the selected the circuit topology for circuit design, the main circuit are givenEach parameter design and calculation method of the parameters, including input, output rectifier bridge and the bridge of the device inverterSelection
8、, input rectifier filter circuit design, the parameters of the high frequency transformer and the resonant the inductance of the parameter design to output rectifier parameter design of filter circuit. This paper also designed the whole framework of the circuit and all moleculesModule, finally to ea
9、ch child module functions simulation. And the design that is suitable for the circuit and the driver Sampling circuit. This article makes a high-performance digital signal processor .A wide range of adjustment, has the very good engineering practical value. Through the research work of this paper is
10、 to open Exhibition, which helps to soft switch power supply analysis, design, modeling and simulation of the whole bridge for development phase shifting soft open Kill the power circuit laid the foundation of the application. Key words ： switch power source; Phase shifting control; Soft switch; TMS
11、320F2812 引言 开关稳压电源（以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源（以下简称线性电源）已有 30 多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后 ， 脉宽调制（ PWM）控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到 PWM 开关电源，它的特点是用 20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制 PWM 开 关电源效率可达 65 70，而线性电源的效率只有 30 40。在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。线性电源工作于工频，因此用工作频率为 20kHZ 的 PWM 开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为 20kHZ 革命。
12、 随着 ULSI 芯片尺寸不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻量化的电源。因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。此外要求开关电源效率要更高，性能更 好，可靠性更高等。 1 开关电源概要 1.1 开关电源的发展 电源是所有用电设备的心脏，为设备提供动力。开关电源处于电源技术的核心地位，近十年来有了突飞猛进的发展。按照目前的习惯，开关电源专指电力电子器件工作在高频开关状态下的直流电源，因此，开关电源也称为高频开关电源。 直流开关电源是各种电源中应用范围最广和市场最大的
13、一种，包括 AC/DC 和 DC/DC。直流开关电源经过几十年的发展，集中了许多高新技术，包括新型功率半导体器件、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。 近年来，许多领域，如邮电通讯、军事装备、交通设备、仪器设备、工业设备、家用设备等方面越来越多地应用开关电源并取得显著效益。开关电源的迅速发展得益于巨大的市场需求。此外，电子器件、磁性材料、变换技术、控制理论等技术的发展及仿真软件的不断涌现与口趋完善，也使得开关电源的研发制造水平大大提高。 1.2 开关电源的背景及现状 1955 年美国
14、罗耶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 年美国查赛发明了自激式推挽双变压器。在 1964 年美国科学家们提出了取消工频变压器的开关电源的设想。直到 1969 年终于做成了 25 千赫的开关电源。这一电源的问世，在世界各国引起了强烈反响，从此对开关电源的研究成了国际会议的热门课题。 自 20 世纪 60 年代开始得到发展和应用的 DC-DC 功率变换技术，其实一种硬开关技术。 60 年代中期，美国已研制成 20kHz DC-DC 变换器及电力电子开关器件，并应用于通信设备供电。由于这种技术抛弃了 50Hz 工频变压器，使直流电源的重量、体积大幅
15、度减小，电源效率和输出直流电的质量得以提高。到 70 年代初期，这种技术已在先进国家普遍采用。早期开关电源的控制电路一般以分立元件的非标准电路为主，经过十多年的发展，国外在 1977 年左右进入控制电路集成化阶段。这标志着开关电源的重大进步。 80 年代初英国采用上述原理，研制了第一套完整的 48V 成套电源，即目前所谓的开关电源 (SMP-Switch Mode Power)或开关整流器 (SMR-Switch Mode Rectifier)。 70 年代以来，在硬 开关技术发展和应用的同时，国内外电力电子界和电源技术界不断研究开发高频软开关技术。在 70 年代 ， 最先出现 了 全谐振型变
16、换器一般称之为谐振变换器(Resonant converters)。它实际上是负载谐振型变换器，按照谐振元件的谐振方式分为串联谐振变换器 (Series resonant converters， SRCs)和并联谐振变换器 (Parallel resonant converters， PRCs)两类。此类变换器一般采用频率调制的方法，且与负载关系很大，对负载变化很敏感，在谐振变换器中，谐振元件一直处于谐 振工作状态，参与能量变换的全过程。准谐振变换器 (Quasi-resonant converters， QRCs) 和多谐振变换器 (Multi-resonant converters， MR
17、CS)出现在 80 年代中期。这是软开关技术的一次飞跃，这类变换器中的谐振元件只参与能量变换的某一个阶段，而不是全程。它也是采用频率调制的控制方法。 80 年代末出现了零开关 PWM 变换器 (Zero switching PWM converters)，它可以分为零电压开关 PWM 变换器(Zero-voltage-switching PWM converters) 和零电流开关 PWM 变换器(Zero-current-switching PWM converters)两种。它们采用的是 PWM 调制，谐振元件的谐振工作时间一般为开关周期的 1/10-1/50。 90 年代初出现了零转换
18、PWM 变换器 (Zero transition converters)。它也分为零电压转换 PWM 变换器(Zero-voltage-transition converters) 和零电流转换 PWM 变换器( Zero-current-transition converters)两种。它是软开关技术的又一次飞跃。其特点是变换器工作在 PWM 方式下，辅助谐振电路只是在主开关管开关时工作小段时间，实现主开关管的软开关，其它时间则停止工作。其损耗很小。 在环境保护意识日益加强的 21 世纪，电源系统的绿色化概念被提出。所谓电源绿色化首先是显著节能，因为节电可以减少发电对环境的污染；其次是电源不
19、能 (或少 )对电网产生污染。事实上许多功率电子节能设备往往是电网的污染源。这些污染使得总的功率因数下降，使电网电压产生毛刺尖峰甚至畸变。 20 世纪末各种有源滤波器和有源 补偿器方案诞生，有了功率校正 (PFC-Power Factor Corrector)的方法，为开关电源产品的绿色化奠定了基础。近年来，为缩小开关变换器的体积和重量，提高其功率密度，并改善动态响应，开关频率大幅度的提高，高频化成为一种趋势。小功率 DC-DC 变换器开关频率将由 200-500kHz 提高到 1 MHz 以上，但是高频化又会产生新的问题，其一，开关损耗以及无源元件的损耗增大；其二，高频寄生参数影响增大以及高
20、频电磁干扰问题严重。因此，为减小损耗，提高效率，采用了软开关技术，包括无源无损（吸收网络 ）软开关技术，有源软开关技术。 1988 年 R.A.Fisher 提出了移相控制全桥 ZVS-PWM 变换器的概念并利用其做出了 500kHz， 250W DC/DC 变换器； 2000 年浙大的 David M.Xu 采用输出整流电路并联谐振网络的方法，做出了 5kW， 100kHz 的 ZCT-PWM 全桥DC/DC 变换器，效率达 96%； 2004 年张军明，张方等采用两个 MOS 管组成输出整流的一个桥臂，做出了 2.8kW， 200KHz 的 ZVS-PWM 全桥 DC/DC 变换器；现在
21、1MHz 以 上的 DC/DC 电源的输出功率 (未扩容 )仅能达到几百瓦目前在相当高的开关频率 (大于 300kHz)下，基本上 DC/DC 电源的功率都比较小，因为开关电源大功率输出会遇到很多难点，例如，软开关方案的选择；开关管的驱动及串并联问题；电路拓扑结构的选择；分布参数的影响等，因此对高频率、大功率的开关电源进行研究很有价值 1.3 开关电源的发展趋势 开关电源相关技术正处十迅速发展阶段。开关电源正向小型化和轻量化发展，因此，高频化也就成为开关电源的主要发展方向之一。在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有 效地减小电容、电感以及变压器的尺寸，而且还可抑制干扰、改善电源系统的动态性能。
22、开关电源的缺点之一就是产生的电磁干扰较大。若单纯追求高频化，电磁干扰也会随之增大。软开关技术应用，既可以提高频率，又可以降低噪声，达到较好的动态性能。进入 21 世纪，开关电源的具体技术将在以下几方面有更大的发展。 1高性能碳化硅 (SiC)功率半导体器件的发展 SiC 是 21 世纪最有可能成功应用的新型功率半导体器件材料，其特点是：禁带宽，工作温度高，通态电阻小，导热性能好，漏电流极小， PN 结耐压高等等。 2高频磁技术 高 频开关变换器中用了多种磁元件，有许多基本问题要研究，如高频下的寄生参数问题，满足高频要求的磁性材料，磁电混合集成技术等。 3新型电容器 研究开发适合于功率电源系统用
23、的新型电容器和超级大电容，要求电容量大， ESR 小，体积小等。 4功率因数校正 AC-DC 开关变换技术 一般高功率因数 AC-DC 电源由两级组成：在 DC-DC 变换器前加一级前置功率因数校正器，至少需要两个主开关管和两套控制驱动电路，这样对于小功率开关电源来说，总体效率低，成本高。 5高频开关电源的 EMC 研究 专门针对开关电源 EMC 的研究工作，目前还处于起始阶段，在电磁兼容领域，存在着许多交叉学科的前沿问题有待研究。 6开关电源的设计和测试技术 建模，仿真和 CAD 是一种方便且节省的设计工具，此外开关电源的热测试、 EMI 测试、可靠性测试等技术的开发，研究与应用也是应大力发
24、展的。 7低电压，大电流的开关电源开发 数据处理系统的速度和效率日益提高，新一代微处理器的逻辑电压可以低到 1.1-1.8V，电流达 50-100A，因此对其供电电源的要求是 :输出电压很低，输出电流大，电流变化率高，响应快等 。 2 DC/DC 变换器的分类 在高频开关电源中，高频开关变换器是核心部分，围绕开关变换器将会有很多的控制和保护电路，变换器的种类的选取将会影响整个功率器件耐压程度等很多参数，也会对系统的其它各部分产生相应的影响，所以，高频开关变换器的设计是很重要的一个环节，我们在后面的章节将会对它进行详细地分析和介绍。 按电力电子技术的习惯称谓， AC-DC 称为整流，包括整流及离
25、线式变换，输出质量较高的直流电。 DC-AC 称为逆变， AC-AC 称为交一交变频 (包括变压 )，DC-DC 称为直流 /直流变换。所以，广义地说，凡用半 导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成另一种形态的主电路叫作开关变换器电路。转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称开关电源 (Switching PowerSupply)。开关电源的主要部分是 DC-DC 变换器，它是转换的核心，涉及频率变换。 值得指出，常见到离线式开关变换器 (off-line Switching Converter)名称，是 AC-DC 变换，也常称开关整流器，它不单是整流的意义，而且整流后又作了 DC-
26、DC 变换，离线是指变换器中有高频变压器隔离。直流变换器按输入与输出间是否有 电气隔离可分为两类 :没有电气隔离的称为不隔离的直流变换器 :有电气隔离的称为隔离的直流变换器。不隔离的直流变换器按所用的有源功率器件的个数，可分为单管、双管和四管三类。单管的直流变换器有六种，即降压式 (Buck)变换器、升压式 (Boost)变换器、升降压式 (Buck/Boost)变换器、 Cuk 变换器、 Zeta 变换器和 Sepi 变换器等。这六种单管变换器中降压式和升压式是最基础的，另外四种是派生的。双管直流变换器有双管串接的升降压式 (Buck/Boost)。全桥直流变换器 (Full-bridge
27、Converter)是最常用的四管直流变换器。有隔离的直流变换器也可按所用的开关器件的数量分类。单管的有正激式 (Forward)和反激式(Flyback)两种。双管有双管正激 (Double transistor forwardconverter)、双管反激(Double transistor flyback converter) 、 推 挽 式 (Push-pullconverter) 和半桥(Half-bridge)四种。四管直流变换器就是全桥直流变换器 (Full-bridge)。 有隔离的直流变换器通常采用变压器实现输入和 输出之间的电气隔离，变压器本身具有变压的功能，有利于扩大变换
28、器的应用范围和便于实现多路不同电压或多路输出的目的。在功率开关管电压和电流定额相同时，变压器的输出功率通常与所用开关管的数量成正比，故四管变换器的输出功率最大，而单管变换器的输出功率最小。按能量传递来分，直流变换器有单向和双向两种。具有双向功能的充电器在电源正常时向电池充电，一旦电源中断，它可将电池电能返回电网，向电网短时间应急供电。直流电动机控制用变换器也是双向的，电动机工作时将电能从电源传递到电动机，制动时将电机电能回馈给电源。直流变换器也可以 分为自激式和他控式。借助于变换器本身的正反馈信号实现开关管自持周期性开关的变换器叫做自激式变换器，洛耶尔 (Royer)变换器是一种典型的推挽自激式变换器。他控式直流变换器中开关器件控制信号由专门的控制电路产生。若按开关管的开关条件，直流变换器可分为硬开关 (Hard switching)和软开关 (Soft switching)两种。硬开关直流变换器的开关器件是在承受电压或流过电流的情况下接通或断开的，因此在开通或关断过程中伴随着较大的损耗，即所谓的开关损耗 (Switching loss)。
