1、- i -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 电子信息科学与技术学生姓名指导教师完成日期- ii -DC-DC 隔离电源的分析与设计目 录前言 .2第 1 章 隔离电源简介 .3第 1.1 节 隔离电源的作用 .3第 1.2 节 隔离与非隔离的区别 .3第 1.3 节 隔离电源的应用 .3第 1.4 节 隔离电源发展方向 .4第 2 章 设计方案分析 .5第 2.1 节 主电路形式 .5第 2.2 节 DC-DC 变换器拓扑结构 .5第 2.3 节 控制方式的选择 .7第 2.4 节 芯片的选择 .11第 3 章 DC-DC 隔离电路设计 .14第 3.1
2、 节 DC-DC 隔离电源设计要求 .14第 3.2 节 DC-DC 原理框图 .14第 3.3 节 EMC 电磁兼容电路设计 .15第 3.4 节 LC 震荡输出电路设计 .16第 3.5 节 单端反激式高频变压器的设计 .16第 3.6 节 反馈电路及保护电路的设计 .21第 3.7 节 变压器设计中注意事项 .21第 4 章 电路调试 .23第 4.1 节 调试中用到的仪器 .23第 4.2 节 调试方法 .23第 4.3 节 调试中出现的问题 .25第 4.4 节 调试问题的解决方案 .25结论 .25参考文献 .26致谢 .27附录 1 ：原理图 .28附录 2 ：元器件清单 .29
3、附录 3：实物照片 .30第 1 页DC-DC 隔离电源【摘要】：本文结合实例介绍了利用 MC34063 设计制作的一种隔离式 DC/DC 开关直流稳压电路。MC34063 由具有温度自动补偿功能的基准电压发生器、比较器、占空比可控的振荡器，RS 触发器和大电流输出开关电路等组成。该器件可用于升压变换器、降压变换器、反向器的控制核心，由它构成的隔离式 DC/DC 开关直流稳压电源仅用少量的外部元器件。它具有宽电压输入，通过变压器实现输入 5V，隔离输出 5V 电压。【关键词】：DC/DC；开关电源；MC34063；设计；分析；Abstract : This paper introduces t
4、he use of MC34063 design and production of an isolated DC/DC switch circuit design of DC regulated power supply. MC34063 by the reference voltage generator with automatic temperature compensation function, the comparator, the duty ratio controlled oscillator, R - S triggers and large current output
5、switching circuit, etc. The device can be used to boost converter, buck converter, the reverser control core, composed of its isolated DC/DC switch DC regulated power supply with only a small number of external components. It has wide voltage loss, through the input 5V transformer, isolated output 5
6、V voltage .Key words : DC/DC; Switching power supply; MC34063; Design; Analysis；第 2 页前言可以说，有电器的地方就有电源。所有的电子设备都离不开可靠的电源为其供电。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。取而代之的是隔离式开关型稳压电源,它的优越性表现在:小型化、重量轻、体积小、功耗小、稳压范围宽、安全可靠、效率高。由于开关电源体积小、重量轻、变换效率高。因此，广泛应用于计算机、通
7、信设备、控制装置及家用电器等电子设备中。电源是电子设备的核心，其质量的好坏直接影响整个电子设备的可靠性,电子设备的故障 60%来自电源。目前，各国正在努力开发新器件、新材料。进一步提高效率、缩小体积、降低价格，以解决开关电源面临的新课题，即环境适配性，包括噪声与谐波等的电磁适配性，同人类之间的安全适配性等。开关电源主要分为交流/直流（ AC/DC）与直流/直流（DC/DC）两大类。无论是 AC/DC 还是 DC/DC 变换器都是朝着模块化方向发展，其特点是：可用模块电源组成分布式电源系统，可以设计成 N+1 冗余电源系统，从而提高可靠性。可以做成插入式，实现热更换，从而在运行中出现故障时，可以
8、高速更换块件，无需技术熟练工人。还可以在电源系统建成后，根据发展需要不断扩充容量，多台模块并联可以实现大功率电源系统等。第 3 页第 1 章 隔离电源简介第 1.1 节 隔离电源的作用1.1.1. 实验室中使用在一些实验室或高要求场合，为了实验人员的安全，一般将实验的输入电源采用1：1 的工频变压器与市电进行隔离，这样一来，实验室实验人员无论碰到线路的哪一根线都不会有触电的危险，因为隔离电源与大地是没有连接的。1.1.2. 工业设备中使用在工业控制设备中，有时候要求两个系统之间的电源地线隔离，如隔离地线噪声，隔离高共模电压等。采用带变压器的直流变换器，将两个电源之间隔开，使它们相互独立，从而实
9、现以上目的。第 1.2 节 隔离与非隔离的区别隔离电源的输入电源采用 1:1 的工频变压器与市电进行隔离。而非隔离的电源输入和输出是有电气直接连接的，如果接触输出是会有触电危险的。 隔离与非隔离的区别主要在于隔离稳压器输入电路与输出电路是不共地的，而非隔离式的是共地的。一般来说，非隔离的都有原边和副边的电感绕线组，而隔离式的只有单个的电感。在大功率和对地线干拢防护要求比较高的时候使用隔离式的，在比较简单和体积要求比较紧张的场合使用非隔离式的。线性电源如果是指线性调整输出模块（LDO） ，那么这个线性模块一定是非隔离式的。所以电源芯片是否是隔离稳压器与线性电源和开头电源没有关系。隔离与非隔离都是
10、开关电源中的两种大的分类。第 1.3 节 隔离电源的应用1.3.1. 非隔离式恒流电源非隔离是指在负载端和输入端有直接连接，因此触摸负载就会有触电的危险。因为非隔离的电源会把交流电源的高压引入到负载端，从而引起触电的危险。通常 LED 和铝散热器之间的绝缘也就靠铝基板的印制板的薄膜绝缘。虽然这个绝缘层可以耐 2000V 高压，但有时螺丝孔的毛刺会产生所谓的爬电现象。因此，在安全上存在巨大隐患。1.3.2. 隔离式恒流电源隔离式是指在输入端和输出端有隔离变压器隔离，这种变压器可能是工频也可能是高频的。但都能把输入和输出隔离起来，可以避免触电的危险。由于隔离式开关电源在电气安全上占有绝对的优势，因
11、此在 LED 照明领域得到广泛的应用。但是由于隔离式开关电源比非隔离电源多加了一个变压器，而且变压器的体积第 4 页也比较大。因此，LED 灯管内置隔离电源受到成本和空间的制约。第 1.4 节 隔离电源发展方向(1)、 输入电压通用。(2)、 要求附加备用电池。(3)、 扩大电压输出范围。(4)、 提高输入侧功率因子。(5)、 普遍要求安全，具有过压保护功能以及抗电磁干扰等。(6)、 分布式结构增多，高频化和高频功率密度化，高可靠性以及低噪声。第 5 页第 2 章 设计方案分析将一种直流电压变换成另一种（固定或可调的）直流电压的过程称为 DC-DC 变换。本设计从主电路形式、各种拓扑结构、控制
12、方式、软开关等原理分析工作方式上最终确定了设计方案。为本设计及论文的后续工作提供了理论基础和方向。第 2.1 节 主电路形式DC-DC 开关电源的核心部分 DC-DC 转换器是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式 Ts 不变，改变 ton（通用） ，二是频率调制方式，ton 不变，改变 Ts（易产生干扰） 。其具体的电路由以下几类：(1)、 Buck 电路降压斩波器，其输出平均电压 U0小于输入电压 UI，极性相同。(2)、 Boost 电路升压斩波器，其输出平均电压 U0大于输入电压 UI，极性相同。(3)、 Buck-Boost 电
13、路降压或升压斩波器，其输出平均电压 U0大于或小于输入电压 UI，极性相反，电感传输。(4)、 Cuk 电路降压或升压斩波器，其输出平均电压 U0大于或小于输入电压 UI,极性相反，电容传输。第 2.2 节 DC-DC 变换器拓扑结构开关变换器的拓扑结构是指能用于转换、控制和调节输入电压的功率开关器件和储能器件的不同配置。开关变换器的拓扑结构分为两种基本类型：非隔离型（在工作期间输入电源和输出负载共用一个电流通路）和隔离型（能量转换是用一个相互耦合磁性元件“变压器”来实现的，而且从电源到负载的耦合是借助于磁通而不是共同的电流） 。变换器拓扑结构是根据系统造价、性能指标和输入/输出负载特性等因素
14、选定的。DC/DC 拓扑的种类繁多，对于大多数电源产品的设计者来说，挑选合适的拓扑结构是一项非常艰巨的任务。下面就对各种拓扑结构作一下介绍。2.2.1. 非隔离开关变换器非隔离开关变换器有 4 种基本拓扑结构用于 DC-DC 变换器。（1）降压变换器降压变换器将一输入电压变换成一较低的稳定输出电压。输出电压（ ）和输入OUT电压（ ）的关系为 :INU（占空比） /OUTIN（2.1）第 6 页INOUT（2.2）（2）升压变换器升压变换器将一输入电压变换成一较高的稳定输出电压。输出电压和输入电压的关系为：（2.3）/1/OUTIN（2.4）I（3）逆向变换器逆向变换器将一输入电压变换成一较低
15、反相输出电压。输出电压与输入电压的关系为：（2.5）/1OUTIN（2.6）I（4）Cuk 变换器Cuk(“丘克”)变换器将一输入电压变换成一稳定反相较低值或较高值输出电压（电压值取决于占空比） 。输出电压输入电压的关系为：（2.7）/1OUTIN，0.5 （2.9）T2.2.2. 隔离开关变换器有很多隔离开关变换器拓扑结构，但其中三种比较通用，它们是：逆向变换器、正向变换器、推挽变换器。在这些电路中，从输入电源到负载的能量转换是通过一个变压器或其他磁通耦合磁性元件实现的。正向隔离变换器正向隔离变换器将一输入电压变换成一稳定的取决于变压器匝数比的较低值或较高值输出电压。输出电压和输入电压关系为
16、：/1/OUTIN（2.10）或 （2.11）ITIOUT逆向隔离变换器逆向隔离变换器将一输入电压变换成一稳定的取决于变压器匝数比的较低值或较高值输出电压。输出电压与输入电压的关系式为：（2.12）/1/OUTINN或 （2.13）IIOUT第 7 页推挽隔离变换器推挽隔离变换器将一输入电压变换成一稳定较低值输出电压。它们的关系为：（2.14）/2/OUTIN（2.15）I本设计采用了隔离变换器中的逆向隔离变换器构成的 DC-DC 开关电源进行设计与介绍及工作特性。第 2.3 节 控制方式的选择开关电源控制技术按调制方式可分为：(1)脉冲宽度调制(PWM)；(2)脉冲频率调制(PFM)；(3)
17、脉冲宽度频率调制(PWM-PFM)。2.3.1. 脉冲频率调制(PFM)经典 PFM 也叫跨脉冲调制（PSM，以开关管控制信号，略过一部分时钟周期而得名） 。Uref COMCLK SRSWITCHUoutUin图 2-1 经典 PFM 方式经典脉冲频率调制是一种最简单的控制技术，在该方式下固定时钟被定为 50%占空比，通过电压反馈实现开关频率的控制。当输出电压低于一定值时，固定时钟将控制开关开启与关闭，直到输出上升到调整值；当输出高于调整值时，开关管将关闭直到输出下降到调整值以下。图 2-1 为一种经典 PFM 调制方式原理图，输出通过电阻分压反馈至比较器 COM 输入端与 比较，当低于 时
18、，CLK 将通过 RS 触发器直接控制开关管，当高于REFUREFU时则屏蔽一部分时钟，使开关管关闭。通过这样的方式，能量由 传递到 。INUOUT经典 PFM 模式的电感选择复杂，电压纹波很大，噪声频谱随负载变化很大。电流限制脉冲频率调制不同于 PFM 调制，此调制方式运用峰值电感电流限制和一个最小关闭或最大开启时间。工作于此模式下，一旦输出电压低于调整值，开关管将开启直到电感电流达到设计值，此时开关管将关闭一定时间（最小关闭时间） ，电感电流开始下降，当该第 8 页段时间结束时，反馈电路通过对输出电压采样，比较输出电压此时是否低于调整值，若低于则开启开关管，否则继续关闭开关管。由于电流限制
19、脉冲频率调制的电感电流峰值固定，电感容易选择，同时纹波相对于经 PFM 小，但噪声频谱仍然随负载变化。2.3.2. 脉冲宽度调制(PWM)脉宽调制指固定时钟频率，通过调节开关管控制信号的占空比 D 实现对输出电压的调整。PWM 技术在较宽的负载范围内都具有较高效率，此外因为频率恒定噪声频谱相对窄，利用简单的低通滤波技术便可得低纹波输出电压。因此 PWM 技术普遍应用于通信技术中。PWM 调制方式根据反馈采样的不同可分为：电压模式和电流模式。电压控制模式：Uin*LATCHQCLOCKSROSCURCUrefUout ErrorAMPUrefUout ErrorAMP图 2-2 电压控制模式电路图传统 PWM 开关电源采用电压型控制模式，只对输出电压采样并作为反馈信号实现闭环控制，以稳定输出电压。图 2-2 为电压控制电路图：电源输出电压 Uout与参考电压 Uref经误差放大器比较放大后，又经 PWM 比较器比较，由锁存器输出占空比随误差电压信号Ue变化的一系列脉冲，再驱动控制用的开关晶体管，使输出电压稳定。电流控制模式：* *RSVCCVCCCLOCKLATCHQSRUrefUout ErrorAMPUeFWMCCMPUsVCCUinUoutVCC
