1、本科毕业论文（20 届）DC-DC 隔离电源的分析与设计所在学院 专业班级 电子信息工程 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 苏州大学本科生毕业设计（论文）- i -目 录DC-DC 隔离电源的分析与设计 .i前言 .2第 1 章 概述 .3第 1.1 节 DC-DC 隔离电源简介 .3第 1.2 节 DC-DC 隔离电源发展趋势 .3第 1.3 节 课题研究意义 .5第 2 章 DC-DC 隔离技术原理 .6第 2.1 节 DC-DC 隔离电源系统 .6第 2.2 节 开关电源的工作原理 .7第 3 章 硬件设计 .9第 3.1 节 主电路设计 .9第 3.2 节 外部电路的设
2、计 .12第 4 章 硬件测试 .16第 4.1 节 PCB .16第 4.2 节 硬件测试 .16第 4.3 节 测试结果 .17结论 .18参考文献 .18致谢 .19附录 .20附录 1：实物照片说明 .20苏州大学本科生毕业设计（论文）第 1 页DC-DC 隔离电源的分析与设计【摘要】：DC-DC 隔离电源广泛应用于各个行业，开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED 照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED 灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED 灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。
3、本文主要设计了一种直流 8V 输入 5V 输出的隔离型 DC-DC 开关电源模块，为该电路的控制部分由 MC34063 来完成，脉冲变压器将电压转换后由二极管和滤波电容滤波后稳定输出。此隔离型 DC-DC 开关电源输出具有良好的性能，文波小，效率高，能达到 89.6%。DC-DC 隔离型开关电源具有良好的市场，随着生活水品的进步，人们对安全问题越来越重视，所以隔离电源的开发和研制优良好的前景。我们我唯有不断的提升才能跟上时代的脚步。【关键词】：脉冲变压器；开关电源；隔离；MC34063；Abstract: DC - DC isolation power supply is widely use
4、d in various industries ，Swithing power supply products are widely used in industrial automation control, military industry equipment, scientific research equipment, LED lighting, industrial control equipment, communications equipment, electrical equipment, instrumentation, medical equipment, semico
5、nductor refrigeration and heating, air purifier, electronic refrigerator, LCD, LED lamps and lanterns, communications equipment, audio and video products, security monitoring, led bags, computer case, digital products and instruments, etc. In this paper, we design a kind of 8 v DC 5 v input output i
6、solation type DC - DC switching power supply module, for, the control part of the circuit are done by MC34063, after pulse transformer to convert the voltage by the diode and stability of the output filter capacitor voltage stability after This isolation type DC - DC switching power supply output ha
7、s a good performance, When Bo less than 5 mV, high efficiency, can reach 89.6%.DC - DC isolation switch power supply has a good market, with the progress of life quality, people pay more and more attention to problems of security, so the isolation power development and the development of the fine go
8、od prospects .I only constantly improve can we keep up with the pace of The Times.Key words:, Pulse transformer；Switching power supply；isolation ；MC34063;苏州大学本科生毕业设计（论文）第 2 页前言随着电力电子技术飞发展，特别是微电子技术的发展，电器设备的种类越来越多，任何电器设备都离不开电源，电源发挥着举足轻重的地位，同时随着电源技术的普及以及科学技术的进步，特别是一些先进仪器对电源提出了更高的要求。现代电源技术的发展方向，是从低频技术为主
9、的传统电源技术，向以高频为主的现代电源技术方向转变。电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多学科的边缘交叉技术。随着科学技术的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等许多领域密切相关。目前电源技术已逐步发展成为一门多学科互相渗透的综合性技术学科。它对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高质量、高效率、高可靠性的电源起着关键的作用。当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位和波形等基本参数的变换与控制相关。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，特别是能够实现大功率电能的频率变
10、换，从而为多项高新技术的发展提供了有力的支持。因此，电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他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深远的影响。电源如今已是非常重要的基础科技和产业，从日常生活到最尖端的科技，都离不开电源技术的参与和支持，电源技术也正是在这种环境中一步步发展起来的。苏州大学本科生毕业设计（论文）第 3 页第 1 章 概述第 1.1 节 DC-DC 隔离电源简介1.1.1. 目前市面上有隔离型和非隔离型 2 种电源(1)、 非隔离型电源非隔离设计仅限于双绝缘产品，例如灯泡的
11、替代产品，其中 LED 和整个产品都集成并密封在非导电塑料中，因此，最终用户并没有任何触电的危险。二级产品都是隔离型的，价格相对比较昂贵，但在用户可以接触到 LED 和输出接线的地方（通常在 LED 照明和路灯照明应用的情况下） ，这种产品必不可少。(2)、 隔离型电源带隔离变压器或者电气隔离的 LED 驱动电源意味着 LED 可以直接用手接触而不会触电。而无隔离变压器的 LED 驱动电源虽仍可以借助防护外壳实现部分机械绝缘，但此时的 LED 在工作时并不能直接接触。1.1.2. 什么是 DC-DC 隔离电源DC-DC 隔离电源直流输入转换到直流输出的的一种安全性比较高的电源，它的输入电源采用
12、隔离变压器与输出隔离开来，输入输出不共地，能有效的减少市电的触电的危险。隔离电源适用于安全、隔离、漏电流小、净化电源、消除三次谐波及抑制共模干扰的场合。适用于交流 50Hz 至 400Hz，电压 1000V 以下的电路中，广泛用于照明、机床电器、机械电子设备、医疗设备、整流装置等隔离变压器按用用途分为两类；一类是防止触电事故发生而对电源进行隔离的安全电源变压器。另一类隔离变压器是对电磁干扰信号进行隔离，它广泛用于电子电路中，抑制噪声和电磁干扰。第 1.2 节 DC-DC 隔离电源发展趋势1.2.1. 高频、高效、低压大电流化、标准化是 DC-DC 隔离电源的发展趋势(1)、 在封装结构上向着薄
13、型和超薄型方向发展以前标准模快的高度是 12.7mm（0.5 英寸） ，最近已下降到 9.53mm（0.375 英寸） ，一般客户要求薄型封装尺寸为 7.5mm（0.295 英寸） ，8.5mm（0.335 英寸） ，10mm（0.394英寸） 。外形尺寸趋于国际标准化尺寸，多为 1/8、 1/4、1/2、3/4 和全砖式结构，输出端子相互兼容的设计日趋明显。模块内部控制电路倾向于采用数字控制方式，非隔离式DC/DC 变换器比隔离式增长速度快，分布式电源比集中式电源发展快。(2)、 低电压大电流化随着半导体工艺等级未来十年将从 0.18m 向 50nm 迈进，芯片所需最低电压最终苏州大学本科生
14、毕业设计（论文）第 4 页将变为 0.6V，但输出电流将朝着大电流方向发展。(3)、 高效化应用各种软开关技术，包括无源无损软开关技术、有源软开关技术（如 ZVS/ZCS谐振、准谐振） 、恒频零开关技术、零电压、零电流转换技术及目前同步整流用 MOSFET代替整流二极管都能大大地提高模块在低输出电压时的效率，而效率的提高使得敞开式无散热器的电源模块有了实现的可能。这类模块是当今世界模块发展的潮流，必将得到广泛应用。随着器件性能的改变，电源效率即将达到 92（5V ） 、90（3.3V ） 、87.5（2V） 。(4)、 大电流和高密度化1991 年高功率密度定义为每立方英寸输出功率 25W，以
15、后逐年增加，1994 年为每立方英寸 36W，1999 年为每立方英寸 52W，到 2001 年为每立方英寸 96W，现在每立方英寸达数百 W。在全球范围内高功率密度直流转换模块市场以每年 16.8的增长速度向前发展。输出电流将增长到半砖 80A、1/4 砖 50A。目前，日本 TDK 公司推出新一代分布式隔离型 DC/DC 转换器，其参数为 1/4 砖输入电压 42V58V 、输出电压 12V、输出电流 27A、效率为 95，功率密度已达每立方英寸 236W；1/8 砖输入电压 42V58V 、输出电压 12V、输出电流 13.5A、效率为 95，功率密度已达每立方英寸 214W。(5)、
16、高频化为了缩小开关电源的体积，提高电源的功率密度并改善动态响应，小功率 DC/DC变换器的开关频率已由现在的 200kHz500kHz 提高到 1MHz 以上，但高频化又会产生新的问题，如开关损耗以及无源元件的损耗增大，高频寄生参数的影响以及高频电磁干扰增大等。1.2.2. 一流电源产品离不开先进的元器件及先进的工艺(1)、 功率器件的发展是电源技术发展的基础功率 MOSFET 是目前最快速度的功率器件。目前较先进的水平电压可达 1200V，电流可达 60A，频率可达 2MHz，导通电阻可达 0.1 左右。提高器件耐压，同时减小其导通电阻仍是今后 MOSFET 的主要研究方向。绝缘栅双极型晶体
17、管 IGBT 是由 MOSFET 和双极型晶体管复合而成的电力电子器件，它的控制极为绝缘栅控场效应晶体管，输出极为 PNP 双极功率晶体管，因而具有两者的优点，而克服了两者的缺点。目前耐压可达6.5kV，电流可达 1.2kA，今后的主攻方向仍是扩大容量，减小内阻，以减小导通损耗。由于 IGBT 经常工作在高频、高压、大电流状态下，又由于电源作为系统的前级，易受电网波动、雷击影响，容易损坏，故 IGBT 的可靠性直接影响电源可靠性，所以，在选择IGBT 时，除作降额考虑外，对 IGBT 的保护设计也极为重要。IGCT 是 GTO 的更新换代产品，它应用了分布集成门极驱动，浅层发射极等技术。器件的
18、开关速度有一定提高，苏州大学本科生毕业设计（论文）第 5 页同时减少了门极驱动的功率，应用方便，IGCT 的出路仍然是高电压、大容量。(2)、 变压器与磁性元件随着电力电子技术的发展和成熟，人们逐渐认识到磁性元件不仅是电源中的功能元件，同时其体积、重量、损耗在整机中也占相当比例。据统计，磁性元件的重量一般是变换器总重量的 3040，体积占总体积的 2030，对于模块化设计的高频电源，磁性元件的体积、重量所占的比例还会更高。另外，磁性元件还是影响电源输出动态性能和输出纹波的一个重要因素。因此，要提高电源的功率密度、效率和输出品质，就应对减小磁性元件的体积、重量及损耗的相关技术进行深入研究，以满足
19、电源发展的需要。(3)、 磁集成技术的发展和应用所谓磁集成技术，就是将变换器中的两个或多个分立磁体绕制在一副磁芯中，从结构上集中在一起。集中后的磁件拟称为集成磁件，通过一定的耦合方式，合理的参数设计，能有效地减小磁体的体积和损耗。在一定应用场合，还可以减小电源输出纹波，提高电源输出的动态性能。另外，磁集成技术明显能减小连接端，可有效地减少大电流场合端子的损耗。集成技术的发展历史已有 70 余年，目前已能实现电感与电感集成，电感与变压器集成，并广泛地应用于电压调整模块、功率因数校正、谐振变换器等场合，随着未来电源的发展，新型磁性材料和磁芯将不断涌现，势必对磁集成技术提出更高要求，所以，此技术今后
20、的主攻方向仍然是进一步拓宽磁集成技术的应用领域，扩大应用场合，不断研究适用于新的磁性材料与磁芯结构的磁集成技术，为电源缩体，减重做贡第 1.3 节 课题研究意义时代在发展，电力电子技术也在飞速发展，其中特别是微电子技术的发展更为迅速，电器设备的种类越来越多，任何电器设备都离不开电源，电源真发挥这举足轻重的地位，同时随着电源技术的普及以及科学技术的进步，特别是一些先进仪器对电源提出了更高的要求。所以我们只有不断的研究和提高电源技术的设计水品才能更好的服务于当代的先进电器，同时维有不断的进步才能更上时代的脚步。 ，当今更是朝着，体积小，效率高，电磁污染小，可靠性高的方向发展。DC-DC 隔离电源广
21、泛应用于各各领域，电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他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深远的影响苏州大学本科生毕业设计（论文）第 6 页第 2 章 DC-DC 隔离技术原理第 2.1 节 DC-DC 隔离电源系统2.1.1. DC-DC 隔离电源技术(1)、 DC/DC 转换器的分类基本上就是直流开关电源的分类。直流 DC/DC 转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式 DC/DC 转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离 式 DC/DC 转换器
22、。隔离式 DC/DC 转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的 DC/DC 转换器有正激式（Forward ）和反激式（ Flyback）两种。双管 DC/DC 转换器 有双管正激式（Double Transistor Forward Converter） ，双管反激式（Double Transistr Flyback Converter） 、推挽式（Push-Pull Converter） 和半桥式（Half-Bridge Converter）四种。四管 DC/DC 转换器就是全桥 DC/DC 转换器（ Full-Bridge Converter） 。隔离式 DC/DC 转换器在实现输
23、出与输入电气隔离时，通常采用变压器来实现，由于变压器具有变压的功能，所以有利于扩大转换器的输出应用 范围，也便于实现不同电压的多路输出，或相同电压的多种输出。 2.1.2. 开关电源的基本组成输入电路 高频隔离变压器输出电路PWM 控制电路光耦隔离反馈图 2-1 开关电源框图(1)、 变换器 BUCK 变换器BUCK 拓扑有很多限制，所以我们在选用之前先要给 BUCK 拓扑增加许多的限制。BUCK 变换器只有一个输入，一个输出。 反激变换器苏州大学本科生毕业设计（论文）第 7 页凡是在开关管截止时间向负载输出能量的统称为反激变换器。反击变换器有隔离与不隔离 2 类。 正激变换器正激变换器与反激
24、变换器电路相似但工作完全不同。关键在于晶体管导通时，输入电压加在变压器初级，输出二极管正偏导通；而反激当晶体管截止时，二极管导通。因此能量不像反激那样存储在初级电感中。变压器是真正意义上的变压器。当晶体管截止时，仅存储在变压器漏感和激磁电感能量。这将使得漏极电压高于输入电压，复位磁芯。 推挽（全桥、半桥）推挽拓扑有 2 类变换器，一类是电压型如图 2-5，一类是电流型如 2-6。电流型和电压型的区别在于电流型输入需要一个电感，但不需要输出电感。而电压型输出必须有滤波电感。(2)、 PWM 控制电路当今科学技术的发展已经没有了学科的界限，PWM 控制技术主要发展方向之一为结合现代控制理论思想或实
25、现无谐振波开关技术。PWM 控制是一种模拟控制方式，他是根据相应载荷的变化来调制晶体管基极或MOS 管栅极的偏置，来实现晶体管或 MOS 管导通时间的改变，从而实现开关稳压电源输出的改变。这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持稳定，PWM 是通过微处理器的数字信号对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。PWM 控制技术控制简单，灵活而且动态响应好，凭借这些优点成为了电力电子技术最为广泛的控制方式，同时也是人们研究控制技术的热点。 随着电子技术的发展，出现了多种 PWM 技术，其中包括：相电压控制 PWM、脉宽PWM 法、随机 PWM、SPWM 法、线电压控制 PWM 等，而在镍氢电池智
26、能充电器中采用的脉宽 PWM 法，它是把每一脉冲宽度均相等的脉冲列作为 PWM 波形，通过改变脉冲列的周期可以调频，改变脉冲的宽度或占空比可以调压，采用适当控制方法即可使电压与频率协调变化。可以通过调整 PWM 的周期、PWM 的占空比而达到控制充电电流的目的。(3)、 辅助电路实现电源的软（远程）启动，为保护电路和控制电路（PWM 等芯片）工作供电。第 2.2 节 开关电源的工作原理2.2.1. 工作原理开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM 开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两苏州大学本科生毕业设计（论文）第 8
27、页种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM 开关电源更为有效的工作过程是通过 “斩波” ，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。
