1、武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计（ 论 文 ）1 摘 要随 着 电 子 产 品 与 人 们 工 作 和 生 活 的 关 系 日 益 密 切 ， 便 携 和 待 机 时 间 长 的 电 子 产 品越 来 越 受 到 人 们 的 青 睐 ， 它 们 对 电 源 的 要 求 也 越 来 越 高 。 DC/DC 开 关 电 源 模 块 是 一种 正 在 快 速 发 展 的 功 率 集 成 电 路 ， 具 有 集 成 度 高 、 综 合 性 能 好 等 特 点 ,具 有 很 好 的 市场 前 景 和 应 用 价 值 。本 论 文 在 研 究 开 关 电 源 技 术 发 展 现 状 的 基 础 上
2、， 设 计 了 一 种 Buck 型 DC/DC 开 关电 源 。 首 先 对 Buck 型 电 路 拓 扑 工 作 原 理 和 开 关 电 源 常 用 控 制 方 式 进 行 了 详 尽 的 分 析 。在 整 个 拓 扑 结 构 设 计 完 成 后 ， 又 着 重 研 究 了 电 源 的 控 制 方 案 ， 并 使 用 SG3525 芯 片 完成 了 控 制 回 路 的 具 体 电 路 设 计 。 为 了 减 小 高 频 开 关 过 程 带 来 的 损 耗 ， 本 文 对 软 开 关 进行 了 较 为 深 入 的 研 究 。 在 整 个 开 关 电 源 设 计 完 成 后 ， 使 用 了 M
3、ATLAB 软 件 对 整 个 系 统进 行 了 仿 真 ， 验 证 了 其 各 方 面 均 已 达 到 所 定 指 标 。 最 后 ， 为 了 将 电 源 实 用 化 ， 设 计了 整 个 电 源 的 PCB 板 图 。关键词：开关电源 ；DC/DC；Buck；软开关；MATLAB；PCB武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计（ 论 文 ）2 ABSTRACTAs electronic products has a more and more closer relationship with peoples work and live, portable and standby time o
4、f electronic products has been more and more loved by the people,their requirements of power is also high at the same time. DC/DC switch power supply module is a rapid development power integrated circuit.It has a characteristic of high integration and good comprehensive performance, has the very go
5、od market prospect and application value.This paper design a Buck type DC/DC switch power supply based on the study of the development of the switch power technology.At first,this paper give a detailed analysis of the working principle and switch power supply common control mode of Buck-type circuit
6、 topology. After the whole topology structure design is completed, the paper focused on the research of the power control scheme,and use SG3525 chips to design the specific circuit of the control loop.In order to reduce the losses caused by high frequency switching process, this paper gives a deep s
7、tudy of soft-switching. After the whole switch power supply design is completed, using MATLAB software to simulate the entire system to verify its various aspects have reached on index.At last, in order to supply the practical switch power,designing the PCB figure of the whole power supply.Key words
8、: Switching Power Supply; DC/DC; Buck; Soft-switching; MATLAB; PCB武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计（ 论 文 ）3 1 绪论1.1 课题研究的目的与意义电源是电子设备的心脏部分，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障 60%来自电源。因此，电源越来越受到人们的重视。现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整管工作在线性放大区，开关稳压电源的调整管工作在开关状态。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。
9、从上世纪 90 年代以来开关电源相继进入各种电子和电器设备领域，计算机、通讯、电子检测设备电源、 控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源。由于其高效节能可带来巨大经济效益，从而得到迅速推广 。1分布式电源的发展及与 IT 技术的结合，对传统的电路系统造成巨大的影响，带来了对电路系统概念的革新，在同一电路系统中越来越广泛地使用分布式开关电源，使电路技术产生显著进步，形成了新型的专项技术 。DC/DC 开关电源技术是分布式开关电源的2关键技术，与传统的线性电源相比，DC/DC 开关电源具有高效率、高可靠性、体积小、响应速度快、稳定性高、内在限流保护等优点，使其在电源管理芯片中得到了广泛的运用。本课
10、题研究 DC/DC 开关电源的目的就是要瞄准 DC/DC 电源产业化发展方向，仿真 Buck型 DC/DC 开关电源。1.2 开关电源技术国内外研究现状开关电源的发展已有 30 多年历史，早期的产品开关频率很低，成本昂贵，仅用于卫星电源等少数领域。20 世纪 60 年代出现过晶闸管相位控制式开关电源，70 年代由分立元件制成的各种开关电源，均因效率不够高、开关频率低、电路复杂、调试困难而难于推广、使之应用受到限制。70 年代后期以来，随着集成电路设计与制造技术的进步，各种开关电源专用芯片大量问世，这种新型节能电源才重获发展。将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接线、焊点减
11、少，可靠性显著提高。集成化、模块化使电源产品体积小、可靠性高，给应用带来极大方便。电源的集成化，使得它被广泛应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域中。随着半导体技术和微电子技术的不断发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使电子设备的体积在不断的缩小，重量在不断的减轻，与之相比，电源要笨重的多。在现代电子产品中，电源体积要比微处理器大几十倍，如何减小开关电源的体积 ，面临着新的挑战，提高频率也是开关电源要面临的问题 。理论分析和实践经验3表明，电器产品的体积、重量随供电频率的平方根成反比的减少，所以当把频率从 50HZ提高到 20KHZ，提高 400 倍，用电设备的体积、重
12、量大体上降至高频设计的 5%-50%。但是，频率提高以后，对整个电路中的元器件又将有新的要求，因此高频工作下的有关电路元器件也有待于进一步的研究 。4国外开发电源管理芯片的厂商很多 ，主要有 IRMAXIM，ST ，TI 等,他们的产品都已武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计（ 论 文 ）4 经非常成熟,能够提供高质量、全系列的电源管理芯片,包括升压、降压、升降压,固定、可调输出，不同负载能力的芯片。目前，手机、数码相机、MP3 播放器、以及个人电脑等便携式设备的需求量的逐年增大，带动适合于电池供电电源管理芯片的发展。凌特，TI，INTERSIL 等公司根据市场需求，开发出了大量适合于便携式
13、设备的电源管理芯片，如凌特公司的同步降压型稳压 LTC412A，工作频率高达 4MHZ，效率高达 95%，在输出电压低至 0.8V 时，输出电流高达 3A 。我国对开关稳压电源的研制工作开始于 60 年代初期，70 年代起，我国在黑白电视机 、中小型计算机中开始应用 5V，20-200A，20KHZ，AC/DC 开关电源。80 年代进入大规模生产和广泛应用阶段，并开发研究 0.5-5MHZ 准谐振型软开关电源 。80 年代末，我国5通信电源大规模更新换代，传统的铁磁稳压整流电源和晶闸管相控稳压电源为大功率AC/DC 开关电源所取代，并开始在办公室自动化设备中得到应用。90 年代我国又研制开发了
14、一批新型专用开关电源，如卫星上用的开关电源、远程火箭控制系统用的 DC/DC 开关电源等 。6在国内，由于信息、家电领域，特别是电信领域的迅猛发展，推动了电源市场的发展。我国在上述领域普遍采用了开关电源。其中，通信 DC/DC 电源是增长速度最快的一部分。预计中国开关电源市场总额在亿元人民币以上，模块电源所占的比例将会越来越大。国内开关电源自主研发及生产厂家有 300 多家，形成规模的有十多家 。具有7代表性的有上海岭芯微以便携式和大功率 DC/DC 的 LDO、升压、降压、充电、电荷泵、模拟开关、LED 背光等国产开关电源为主。国产电源芯片已占据了相当市场，并有少量开始出口。然而，同国产手机
15、、DVD 机产业一样，其红红火火的表象难掩其缺乏核心芯片技术的尴尬 。1.3 开关电源未来发展趋势随着技术的进步，DC/DC 开关电源朝着高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化方向发展 ：8（1）专用化：对通信电源等大功率系统，采用集成的开关控制器和新型的高速功率开关器件，改善二次整流管的损耗、变压器、电容器小型化，达到最佳的效率。对于小型便携式电子设备，则主要是单片集成开关电源的形式，采用新型的控制方式和电路结构来减小器件体积 、减小待机功耗，提供低输出电压、高输出电流，以适应微处理器和便携式电子设备等产品电源系统的供电要求 。9（2）高频率 ：随着开关频率的不断提高，开关变换器的体积也
16、随之减少，功率密度也得到大幅提升，动态响应得到改善。小功率 DC/DC 转换器的开关频率将上升到 MHZ。但随着开关频率的提高，开关元件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以及高频电磁干扰（EMI）等新的问题也将随之产生，因此实现零电压导通（ZVS） 、 零电流关断（ZCS）的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流 。10（3）高可靠：开关电源比线性电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器、开关管及高频变压器等决定电源的寿 命。追求寿武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计（ 论 文 ）5 命的延长要从设计方面着手，而不是依赖使用方。美国德州仪器、安森美、美信
17、等公司通过降低结温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其 DC/DC 开关电源最新的系列产品的可靠性大大提高，产品平均无故障工作时间高达 10 万小时以上 。1（4）低噪声：与线性电源相比，开关电源的一个缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以降低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗 、元件热应力转向开关管等问难以解决。（5）抗电磁干扰:当开关电源在高频下工作时,噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰,世界各国己有抗电磁干扰的规范或标准,如美国的 FCC,德
18、国的 VDE 等,研究开发抗电磁干扰的开关电源日益显得重要。1.4 论文主要研究内容本课题的主要工作是 DC/DC 开关电源电路的设计，在查阅大量有关文献的基础上设计一种带有软开关结构的 Buck 变换器开关电源并通过 MATLAB 仿真验证了设计的正确性。本论文的结构安排如下，第一章为绪论，叙述了当今开关电源的研究现状及发展趋势；第二章对几种 DC/DC 开关电源拓扑结构进行了介绍，然后通过比较选择确定了本设计采用的拓扑结构；第三章阐述了 Buck 拓扑的工作原理以及参数整定的方法，并具体介绍出电路中各元件的参数。除此之外，还对软开关环节做了深入的分析；第四章详细描述了 Buck 变换器的控
19、制模式，并对控制电路及其他一些辅助电路进行了设计；第五章使用 MATLAB 软件建立了开关电源的模型并进行了仿真，验证了设计的正确性；第六章运用Protel 软件绘制了开关电源的板图。武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计（ 论 文 ）6 2 直流斩波电路的选型2.1 常用直流斩波电路拓扑研究直流斩波电路（DC Chopper）是指将一种直流电变为另一固定电压或可调电压的直流电，也称为直流-直流变换器（DC/DC Converter） 。一般指直接将直流电变为另一直流电，不包括直流交流直流。开关电源常用的基本拓扑约有 14 种，其中基础的拓扑包括：Buck、Boost、Buck-Boost。其
20、余的拓扑结构可由这三种拓扑结构变化得到。每种拓扑都有其自身的特点和使用场合。其中有些适合小功率输出(120V AC）,有些适合于小于 120V AC 或者更低输入的场合；有些在高压直流输出（220V）或者多组输出(4-5 组)场合较大的优势；有些在相同输出功率下使用器件较少或是在器件数与可靠性之间有较好的折中。较小的输入输出纹波和噪声也是选择拓扑经常考虑的因素之一 。12一些拓扑更适用于 DC/DC 变换器。选择时还要看是大功率还是小功率，高压输出还是低压输出，以及是否要求器件尽量少等。另外，有些拓扑自身有缺陷，需要附加复杂且难以定量分析的电路才能工作。因此，要适当选择拓扑，熟悉各种不同拓扑的
21、优缺点以及适用范围是非常重要的。错误的选择会使电源设计一开始就注定失败。本次毕业设计要求设计一个 5KW 降压型非隔离 DC/DC 变换器，根据阅读的大量资料，提出以下两种设计方案。2.2 Buck 拓扑结构及原理分析一种方案为采用最基本的 Buck 降压斩波电路。Buck 降压斩波电路原理图如 2-1 所示：图 2-1 Buck 型拓扑结构工作原理：当开关打向 1 时，电源向负载供电，负载电压等于电源电压。当开关打向 2 时，电源与负载断开，负载电压为 0。在实际中，常用电力电子器件来代替开关，如武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计（ 论 文 ）7 采用 IGBT、MOSFET 等，并使用
22、续流二极管。这些器件长工作于开关状态，在一个周期内开关管高频率地通断，使得电源电压断续地加在负载上，设在一个周期 内开关管开通sT的时间为 ，则输出电压的直流平均值为ont（2-0onstVT1）其中， 为直流电源的电压， 为输出电压的直流平均值。sV0通过改变开关管在一个周期内的相对导通时间来改变负载承受的电压。一般可通过三种方式来控制输出电压 ：0V（1）脉冲宽度调制方式 PWM保持 不变（开关频率不变） ，改变 输出电压sTont0V（2）脉冲频率调制方式 PFM保持 不变，改变开关频率或周期调控输出电压ont 0（3）混合调制方式和 都可调，同时改变两者来控制输出。ontsT2.3 桥
23、式拓扑结构及原理分析另有一种方案是采用桥式可逆斩波电路。对相同结构的基本斩波电路进行组合，可构成多重多相斩波电路，使斩波电路的整体性能得到提高。桥式可逆斩波电路是将两个电流可逆斩波电路组合起来，常用于向直流电机提供电压，可使直流电机实现四象限运行。其电路原理图 2-2 如下：图 2-2 桥式可逆斩波电路原理图该电路通过控制 4 个开关管在不同时刻通断来改变基本电路拓扑，实现不同的功能。使 V4保持通时，等效为下图 2-3 所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第 1、2 象限。武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计（ 论 文 ）8 图 2-3 电流可逆斩波电路使 V2保持通时，V
24、 3、VD 3和 V4、VD 4等效为又一组电流可逆斩波电路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第 3、4 象限 。2.4 主电路拓扑结构选型提出的两个电路拓扑均为降压型 DC/DC 变换器，且电路拓扑中没有使用变压器等电路隔离设备，都满足设计要求。通过比较两种电路拓扑的优缺点发现，Buck 变换器具有结构简单，电力电子器件较少，由此带来成本低、开关损耗小等好处，但是其只能提供和电源电压同向的电压，这样一来对要求正反转的负载完全不适用。相比之下，桥式斩波电路可分别向电动机提供正向和反向电压，使电动机四象限运行，但它的缺点在于动用开关管数量多且损耗大，并且给在电路控制方面要考虑诸如环流、死区时
25、间等因素，给控制电路的设计带来一定难题。综合比较这两种电路，并结合设计要求，最终决定选用 Buck 拓扑。其原因在于要求设计的 DC/DC 变换器并非用于带动电动机等需要正反转的负载，因此，考虑到成本及易实现性，决定采用 Buck 电路拓扑。在采用合适的控制措施后，可使变换器的输出精度达到设计要求。武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计（ 论 文 ）9 3 Buck 拓扑主电路参数设计3.1 Buck 变换器工作原理按照选定的方案，电路的拓扑决定采用 Buck Chopper。Buck 电路为斩波电路中一种最基本的拓扑形式，应用最为广泛，其具有结构简单，控制容易且易于实现等优点。Buck 变换
26、器有三种基本工作方式：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，即在开关管 VT1导通期间电感 L1 储能，在开关管截止期间终止时电感电流刚好经续流二极管 VD1、负载R 释放完，也就是说在开关管截止期间终止时电感电流刚好降至零 。Buck 电路这三种开关模式工作的等效电路如图 3-1 所示：图 3-1 Buck 三种模式状态下的等效电路 a）VT1 导通；b）VT1 关断；c）VT1 关断后电感电流为 0；首先讨论在电感电流连续条件下，Buck 变换器的工作原理和各变量关系式。Buck 变换器在电感电流连续时的等效电路如图 3-
27、1（a） 、 （b）所示，在这里假设开关管 VT1、二极管 VD1 为理想器件，其开通时间、关断时间及通态压降均为零。电感、电容均为无损能元件。在开关周期 T 内，输入电压保持不变，输出电压除了很小的脉动纹波外，基本维持恒定。设 VT1 的开通时间为 ，关断时间为 ，占空比ontoft， （3-/()/nfnosDttT1） 武 汉 理 工 大 学 毕 业 设 计（ 论 文 ）10 其中， 为开关周期。sT在电感电流连续状态下，相关回路上的电压和电流波形如图 3-2（a）所示。在时刻， VT1 加上正脉冲而导通，电感 L1 上所加的电压 （ 为直流电源电压，0t 0inVin为输出电压） ，由于 为常数，且 ，此时，电感 L1 中的电流线性增长，其电流VinV0inV变化量 为：LI（3-01inLIt2）当 时，电感电流达到最大值，其变化量 为： ont ()LI（3-0()1inLoisVItDT
