1、 中 北 大 学毕业论文开题报告学 生 姓 名 ： 廉秀文学 号：1205044326学 院 、 系 ： 计算机与控制工程学院电气工程系专 业 ： 电气工程及其自动化论 文 题 目 ： AC-DC 开关电源控制器研究指 导 教 师 : 李静2016 年 3 月 18 日毕 业 论 文 开 题 报 告1选题依据：1.1 本课题研究的意义及背景随着现代科学技术的飞速发展，开关电源被广泛应用于各种电子产品中，同时也对 开关电源提出了更高的要求。如今，随着各类电子产品向小型化发展，AC/DC 转换控制器作为开关电源控制器的一种，也需要小小型化、高精度的方向发展 1。近几年来，随着电子技术和制造工艺的不
2、断发展和电源技术的日益成熟，人们对电源的转换效率提出了越来越高的要求在电气领域中，开关电源占据着举足轻重的位置，高效率是未来电源发展的必然趋势传统的AC-DC变换电路由于要通过高频变压器来实现电压变换，很难将效率提高到更高的层次，也很难降低电源的纹波本系统所设计的高效率的单相AC-DC变换电路.可以输出恒定的36V直流电压，在额定输出电流为2A 时，可实现高达90%以上的电源转换效率高效率、低纹波的电源转换不仅可以提供更加可靠的供电系统，同时也可以带来非常可观的经济效益 2。根据功率器件的工作状态，直流稳压电源包括线性电源和开关电源，其中功率器件工作于放大状态的直流稳压电源称为线性电源；功率器
3、件工作于开关状态的称为开关电源。由于必须使用工频变压器与电网进行隔离，而且功率管损耗大，导致线性电源的体积大、重量大，效率低。所以在便携式电子产品广泛应用的今天，尽管线性电源具有成本低、体积小、外围电路简单、噪声低等优点，但由于体积和重量上的问题，它的应用逐渐受到限制。开关电源则是利用现代电力电子技术，通过控制开关通断的时间比率来维持输出电压稳定的一种电源，它具有体积小、重量轻、功率小、效率高、纹波小、噪声低、智能化程度高等优良特性 3.自上世纪 90 年代后开关电源的发展与应用逐渐普及，在带电子设备中广泛应用。随着近几年经济与科技高速发展给开关电源提出了更高要求。针对 AC/DC 控制器的开
4、关电源进行设计，以满足低耗能、高可靠的“绿色”开关电源的设计方向。在今后开关电源设计中应进一步提高电源控制芯片效率，提高集成化程度，实现智能电源控制设计 4。提高 AC/DC 开关电源的转换效率，主要从两个方面来进行。一方面是降低开关损耗，一些学者提出了软开关技术，即让开关管实现零电压或零电流开通与断。另一方面是优化现有拓扑结构，如采用无桥 PFC。目前高效 AC/DC 解决方案是前级采用无桥 PFC，中间级 DC/DC 部分采用有源钳位或 AHB，输出级采用同步整流。这样的结构将原有的三级变换改成了两级变换，提高了AC/DC变换器的转换效率5。AC/DC开关电源转换器以其价格、效率、体积等优
5、势在小功率电源领域得到了广泛应用。电脑、显示器、路由器、移动设备都离不开 AC/DC开关电源。经过数十年的发展开关电源的功率、工作频率等都大幅提升，但是由于电源中的电流和电压不能突变，所以在交替过程中会产生功率损耗。研究表明，此损耗与频率成线性关系，因此电源工作频率越高，损耗也就更大 6。而对于开关电源这样一种强非线性、时变系统，要获得良好的动态特性，工程上往往是凭借经验进行反复调试、修改以满足特定目标。虽然这种方法对于有经验的工程师来说简单可行，但是可重复性不高，不利于大规模使用。而对于接触电源的初级工程师来说，环路分析和调节更是困难重重。功率开关器件的广泛使用为改善开关电源动态特性提供了条
6、件，随着开关频率的提高，为了充分发挥开关电源的性能，急需要一种理论来指导开关电源的动态特性分析。近20年来，国内外学者对开关电源的动态特性进行了大量、深入的研究，提出了通过对开关电源环路建模的方式来分析开关电源的动态特性 7。1.2 本课题国内外的研究现状开关电源正向着高频化方向发展，开关电源技术的高频化已成为了各种大功率开关电源的核心技术。开关电源的高频化为其微小型化、集成化提供了有利的条件，因为随着开关电源芯片的工作频率的提高，可以不再使用笨重的工频变压器，而电源器件的体积和重量与其工作频率的平方根成反比，因此滤波器件的尺寸还有散热器的尺寸也可以显著的减小 8。开关电源的应用越来越广泛，特
7、别是在某些高新技术领域，例如在电动汽车、变频空调等新兴领域中，通过感应外部环境的变化，改变开关电源的用电频率，从而达到省电节能的目的。但是一味的追求开关电源在高频化也会带来很多的弊端，诸如运行噪声大、存在严重的开关干扰、尖峰干扰、谐振干扰等缺点，如果不采取措施对这些干扰进行屏蔽，会影响到整机的工作的稳定性 9。近几年来，电源设备开始了以高频开关电源代替相控电源，用计算机监控系统代替传统人工控制技术，用阀控式密封铅酸蓄电池代替防酸式铅酸蓄电池更新换代的工作，吸引了国内外一大批科技人员置身于开关电源的研究。开关电源的发展是新形势下的要求和趋势，因此，国内的电力操作电源系统的市场需求同样非常旺盛，而
8、且在不就的将来会很快发展起来 10 .如今，能源节约成为了一个热点，电源的待机损耗受到的重视程度越来越高，如何降低待机损耗的研究也大范围进行。2014 年徐平凡、肖文勋和黄少辉提出了一种新颖开关电源低待机损耗控制电路 11。传统开关电源待机损耗问题比较严重，这种新颖的控制电路检测负载接入电路与否，然后控制开关管来决定开关电源主电路的工作状态。控制方式：开关电源的控制方式有很多种，针对不同应用不同拓扑构选取最优的控制方式已做了大量实验。Young-Seok Jung, Jun-Young Lee提出了一个新的平均电流模式控制小信号模型 12。通过数学推导和模型仿真实验，证明了即使是在高增益的电流
9、控制环路的补偿网络中，该小信号模型比传统模型更具实用性和稳定性。在一个二次降压转换器中，Morales J A S, Leyva-Ramos J, 采用一个开关完成了二次降压转换器的平均电流模式控制方案。在该方案中，转换器有两个 LC 滤波器，因此将产生四阶特性动态 13。20 世纪 50 年代，美国宇航局为了实现搭载火箭的小型化和轻量化，研发出首个开关电源，经过半个多世纪的发展，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控压电源在电子整机设备中得到了广泛的应用 14。集成电路的不断发展也为开关电源的集成化、小型化、模块化提供了便利。40 多年来，开关电源的发展经历了三个重要的阶段。第一个阶段从 MO
10、S 型功率半导体器件的产生开始，这使得电力电子系统的高频化，低的导通损耗，简单的电路结构变为可能 15。第二个阶段从上世纪 80 年代开始，各种技术的研究和兴起（高频化、软开关技术等），推进了功率器件性能、重量、尺寸的发展。第三个阶段始于上世纪 90 年代中期，集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一 16。国内开关电源技术的发展，基本上起源于上世纪70年代末和80年代初，但当时仅停留在高等院校和一些科研院所的试验开发和教学阶段。上世纪80年代中期，经过20多年的不断发展，我国研制出了多种采用20k Hz、脉宽调制(PWM)技术的开
11、关电源产品，他们的效率大幅度提高，开关电源产品得到了推广和应用。即使在2009年全球金融危机冲击下，电子电源行业产值仍然达到人民币1061亿元，有着5%以上的增长率。随着国家一系列宏观刺激政策的落实及全球经济趋于稳定之后2010年我国电子信息产业很快恢复了发展势头，电子电源行业更是借势而上，产值规模达到1172亿元，快速增长超过10%。反激式变换器构成的AC/DC产品被广泛应用于锂电池充电、LED 照明、笔记本电脑供电等许多领域，具有非常大的市场。然而，目前国内AC/DC 电源市场中大部分的大功率模块电源，以及近一半的中小功率模块电源的市场主要被国外品牌占据，国内产品在功能、性能以及创造力上与
12、国外同类型顶尖产品仍存在很大的差距 17。但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大。预计在未来的几年内，国内品牌将占领中小功率模块电源80%以上的市场分额。开关电源的飞速发展促进了电源管理芯片市场的发展，中国电源管理芯片市场的发展速度一直远超全球市场的发展速度。经过几年来的积累和发展，中国电源管理芯片企业必将逐渐崭露头角 18。参 考 文 献1胡飞飞.AC-DC 开关电源的控制器设计J南昌工程学院学报，2014，08:1081102 张凤运，段书凯，王丽丹，钟宇平，李波.单相 AC-DC 变换电路设计J. 西南大学学报（自然科学版）,2015,21:157161 3 姬晶.低功耗 AC/DC
13、电源管理芯片的研究D.硕士学位论文.西安:西安科技大学,2013 4 钱纯.低功耗 AC/DC 开关电源的设计D.硕士学位论文.海南:海南师范大学，2014 5王贤江.高效 AC/DC 开关电源D.硕士学位论文.成都:电子科技大学，2014.36杜斌.抗干扰 AC /DC 开关电源芯片的研究与设计J中国重型装备学报,2015，03:11147周进.一款高效率 AC-DC 开关电源管理系统的环路设计D.硕士学位论文.成都:电子科技大学，20148Brian Lynch.Current-Mode Vs. Voltage-Mode Control in Synchronous Buck Concer
14、ters. Texas Instruments Incorporated.9Kazimierczuk M K. Transfer Function of Current Modulator in PWM Converters with Current Mode Control J. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, 47(9), 2013. 14071412. 10孙佳云.具有多种工作模式的高效率 AC/DC 开关电源芯片的设计D.硕士学位论文.成都:电子科技大学，
15、201311徐平凡,肖文勋,黄少辉.一种新颖开关电源低待机损耗控制电路的设计J. 电力电子技术,2014,48:878912 Jiang Yanfeng. A novel design of power management integrated circuit with 90 plus efficiency used in AC/DC converter. Engineering Sciences，2010，01.13柯志强，一种低功耗 AC/DC 开关电源控制器的设计D.硕士学位论文.武汉:武汉科技大学，2014 14张维.单端反激式开关电源研究与设计D.硕士学位论文.西安:西安电子科技学
16、，2011.15Chen J J,Hsu JH,Hwang Y S, etal. A DC-DC buck converter with load-regulation improvement using dual-path-feedback techniquesJ. Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 2014, 79: 149159. 16李健.开关电源电路宏模型设计D.硕士学位论文.天津：天津大学，2007.17 Xiangjun Zhang, Hankui Liu, Dianguo Xu. Analysis and Des
17、ign of the Flyback TransformerC. The 9 annual conference of the IEEE, 2013: 715716. 18 Paul R. Gray, Paul J. Hurst, Stephen H. Lewis 等著, 张晓林等译.模拟集成电路的分析与设计(第四版)M.北京:高等教育出版社, 2012.67 毕 业 论 文 开 题 报 告研究方案：2.1 本课题要研究的主要内容设计单相 AC-DC 变换电路，它主要由电源电路、主电路、控制电路、驱动电路、护 电路构成。可先用 Matlab 软件进行仿真，并设计相应的硬件电路和软件程序，最终可
18、实现要求的性能指标。并分别在 MATLAB/SIMULINK 中搭建恒压频比控制、矢量控制、直接转矩控制的异步电动机变频调速系统仿真模型。该题目基本要求使输出直流电压 UO在 36V0.1V；当 Us=24V，IO 在 0.2A2.0A 范围内变化时，负载调整率 SI0.5%；当Io=2A， US 在 20V30V 范围内变化时，电压调整率 SU0.5%。并且要求设计并制作功率因数测量电路，实现 AC-DC 变换电路输入侧功率因数的测量。具有输出过流保护功能，功率因数测量部分采用电压感应与电流感应方式通过单片机 A/D 转换并进行电压电流相位差计算。2.2 拟采用的研究手段通过查阅和阅读有关逆
19、变电源的相关文献、书籍以及期刊等资料，了解现阶段的研究成果及存在的问题。学习和借鉴好的解决方案，并结合自身动手实践完成本次课题。隔离变压器桥式整流电路自耦变压器B o o s t升压电路单片机电压电流检测A / D 转换负载L C D 液晶显示P F C控制2 2 0 V交流电功率因数检测图 2.1 系统原理图如图 2.1 所示，采用带 PFC 的 Boost 型 DCDC 升压器。该电路有专用的控制芯片，容易实现，电路结构简单，同时采用 PFC 功率因数校正技术，功耗低，输出电压范围宽。输出电压波形中毛刺也比方案一要小。选用 TI 公司的 UCC28019。UCC28019交流输入市电电流总
20、谐波畸变率低，功率校正因数高，抗干扰能力强，封装引脚较少，PFC 控制部分电路相对简单。只需调节一个放大器的补偿网络即可, 高压起动源直接接在高压输入端，光耦直接接到 IC 的端子，不再处理放大器的补偿，前沿消隐做在 IC 内部，IC 外部只有电流取样。这样的做法使设计的步骤减少了。按自耦变压器、隔离变压器和桥式整流器的顺序将三者连接起来，就够成了一个可调、滤波、安全的 AC/DC降压模块。该方案主要又 AC/DC 电源模块、Boost 升压模块、功率因数校正模块、功率因数测量模块、电路保护模块、89C54 单片机控制模块、LCD 液晶显示模块、直流电源供电模块等构成。毕 业 论 文 开 题
21、报 告指导教师意见：随着各类电子产品向小型化发展，AC/DC 转换控制器作为开关电源控制器的一种，也需要小小型化、高精度的方向发展。该课题主要研究 AC-DC 开关电源控制器，要由电源电路、主电路、控制电路、驱动电路、保护电路构成。在开关电源领域有一定的现实意义。廉秀文同学所写的开题报告格式规范、内容涵盖广泛、符合要求。在文献综述中该同学通过查阅大量相关文献资料，介绍了 AC-DC 开关电源的发展过程，背景及国内外研究现状，内容丰富、论述合理。所提出的实现方案有自己较深的认识，可以解决该课题研究的实际问题，实现方案可行。该设计题目的工作量适中，难度适中。总体看来，该同学的毕业设计开题报告完成的较好，同意该同学开题。指导教师： 年 月 日
