毕业论文：降压型DC/DC开关电源电路及控制回路设计

毕业论文：降压型DC/DC开关电源电路及控制回路设计
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摘要

随着开关电源技术的迅速发展，DC/DC开关电源已在通信、计算机以及消费类电子产品等领域得到了广泛应用。近年来，电池供电便携式设备的需求越来越大，对DC/DC开关电源的需求也日益增大，同时对其性能要求也是越来越高。在这样的背景下，高频化、小体积化、高效率化、低成本化、安全可靠性乃至绿色化都成了为DC/DC开关电源未来必须追求的发展方向。本文设计的正是一款输入电压恒定为72v，输出电压恒定为14.2v的降压型DC/DC开关电源电路，着重阐述了开关稳压电路主回路及控制回路的设计和工作原理，并为电路设计了部分自我保护功能。
关键词：直流转换；开关电源；斩波电路；降压型
Abstract

With the rapid development of the switching power supply technology, the DC / DC switching power supply in the field of communications, computer and consumer electronics products have been widely used. In recent years, the demand for battery-powered portable devices is growing, increasing the demand for DC / DC switching power supply, while its performance requirements are getting higher and higher. In this conte*t, the high frequency, small size, high efficiency, low cost, safety and reliability as well as green became the DC / DC switching power supply must pursue the direction of development. In this paper, the design is precisely a constant input
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而为开关电源提供了广阔的发展空间[2]。

1.1 直流转换器开关电源的发展现状

开关稳压电源取代晶体管线性稳压电源已有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，但功率晶体管工作于开关状态。后来脉宽调制（PWM）控制技术发展，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一PWM开关电源效率可达65％～70％，而线性电源的效率只有30％一40％。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。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[3][4]。
从我国开关电源的发展过程可以了解国际开关电源发展的一个侧面，虽然一般说来，我国技术发展水平与国际先进水平平均有5～10年差距。70年代起，我同在黑白电视机，中小型计算机中开始应用5V，20-200A，20kHZAC－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年代中，我国通信（如程注交换机）电源在AC－DC及DC－DC开关电源应用领域中所六比重还比较低。80年代末我国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（Thyristor，原称可控硅元件）相控稳压电源为大功率（48V，6kw）AC－DC开关电源（通信系统中常称为开关型整流器SMR）所持代；并开始在办公室自动化设备中得到应用。工业应用方面，在锅炉火焰控制，继电保护，激光，彩色TV，离子管灯丝发射电流调节，离子注射机，卤钨灯控制等系统中均有应用。90年代我国又研制开发了一批新型专用开关电源，典型例子如下：
1. 卫星开关电源。东方红三号通信卫星、风云一号、二号气象卫星均应用了开关电源。特点是：多路输出，不可维修性，要求长期不改变性能，设置冗余模块，可靠性高，EMC满足空间环境条件，高效，轻小。
2. 远程火箭控制系统的DC－DC开关电源，要求发射过程中高度可靠。
3. 1000kW牵引变流器4500V／1200AGTO门控250W开关电源。
4. 40kW固体脉冲激光器的软开关电源。用4台10kw全桥多谐振ZVS变换器并联。
5. 焊机用焊机用双IGBT管正激车电压转换一脉定调制（ZVT－PWM）软开关电源。输出20kW，500A，开关频率40kHZ，效率92％。特点是负载大范围变化频繁，工作环境恶劣。要求电源冲击电流小，动态特性好，无过冲，负载个影响软开关性质。
6. 变电所在流操作系统开关电源。供继电保护和自动装置及蓄电池充电用。代替晶闸管调压系统，输出10A，180～286V。主开关管用IGBT或功率MOSFET。
7. 单相和三相高功率因数整流器（有源功率同数校正器）。
可以看出20一30年中，我国开关电源的应用领域和技术性能有很大进展，这与国家基础工业和国力增强有密切关系，也和国际先进开关电源技术影响有关。充分显示了中国电源技术人员的聪明才智和艰苦奋斗的创业精神[5][6]。

1.2 开关电源未来发展趋势

开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。这不仅能使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动高技术产品的小型化、轻便化。另外在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。
由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各在开关电源制造商都致力同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，电容器的小型化也是一项关键技术。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。
　　模块化是开关电源发展的总体趋势，可以用模块化电源组成分布式电源系统，设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。使用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，使得多项技术得以实用化[7]。

1.3 开关电源发展面临的技术难题

新的器件和新的拓扑理论的出现使得开关电源技术日趋可靠、成熟、经济、适用。但开关电源要进一步的发展,又必须得突破现有技术的瓶颈。其主要有以下几个：
　　1．高频化技术
　　随着开关频率的提高，开关变换器的体积也随之减少，功率密度大幅提升，动态响应得到改善。但随着开关频率的不断提高，开关元件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以及高频EMI 等新的问题也将随之产生。
　　2．数字化技术
　　在传统功率电子技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作。目前，在整个的电子模拟电路系统中，电视、音响设备、照片处理、通讯、网络等都逐步实现了数字化，而最后一个没有数字化的堡垒就是电源领域。
　　3．软开关技术
　　为提高变换器的变换效率，各种软开关技术应用而生，具有代表性的是无源软开关技术和有源软开关技术。采用软开关技术可以有效地降低开关损耗和开关应力，有助于变换器变换效率的提高[8][9]。
　　4．功率因数校正技术(PFC)
　　由于AC/DC 变换电路的输入端有整流元件和滤波电容，在正弦电压输入时,单相整流电源供电的电子设备，电网侧(交流输入端)功率因数仅为0.6～0.65。采用PFC (功率因数校正)变换器，网侧功率因数可提高到0.95～0.99，输入电流THD 小于20%。既治理了电网的谐波污染，又提高了电源的整体效率。目前PFC 技术主要分为有源PFC 技术和无源PFC 技术两大类，采用PFC 技术可以提高AC/DC 变化器输入端功率因数，减少对电网的谐波污染，但还有待继续研究发展[10]。
　　5．模块化技术
模块化有两方面的含义，其一是指功率器件的模块化，其二是指电源单元的模块化。把开关电源的驱动保护电路装到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块(IPM)；把一台整机的所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中，构成“用户专用”功率模块(ASPM)。各种尝试屡见不鲜。这样的模块经过严格合理的热、电、机械方面的设计，达到优化完美的境地。由此可见，模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，把寄生参数降到最小，从而把器件承受的电应力降至最低，提高系统的可靠性[11]。

1.4 本论文主要工作

本论文基于对直流转换器各种拓扑结构及其工作原理的分析，结合降压式DC/DC开关电源的实际应用，设计了一种高压变低压非隔离型的高精度开关稳压电源。预定的设计要求为：输入电压固定为72V，输出电压恒定为14.2V，恒压精度为1%，并具有部分电路自我保护功能。
首先，经过资料的收集整理和学习，参考前人成熟的直流转换器的设计方案以及经验技巧，从系统的角度出发选取本次设计电路最适合的电路结构以及控制方式，确定所需要的模块和参数指标；然后，根据本次课题提出的设计要求，详细分析并设计各个子电路模块；最后完成功能单元电路以及整体电路的设计与仿真，并对仿真结果进行分析和验证。为完成以上设计目标，建立如下的设计环境。
在硬件方面：一台工作在Windows*P环境下的PC机。
在软件方面：电路设计工具是Protel199；仿真工具是Protues；辅助设计软件是Microsoft Visio和Auto CAD。
在内容上，本论文主要介绍了开关电源的发展以及应用前景；对开关电源的工作原理进行了详细的介绍，并以此作为后续的设计的理论基础；对降压式DC/DC开关电源整体电路结构进行设计和仿真。
第一章是概论，介绍了开关电源直流转换器的发展和现状，主要的技术革新标志，以及未来发展的趋势和当即需要解决的技术难题。
第二章是DC—DC开关电源基础理论部分，阐述了DC-DC开关电源的基本结构、工作原理及控制方式和反馈手段，为后面的系统模型打下理论基础。
第三章是本次设计电路的主控回路方案的比较与选择，为下一步的电路具体设计选定模型。主回路是电路设计的核心，而控制电路则是转换器电路的关键。根据理论的辨析以及实际的情况，选择合适的正确的主控回路，是保证整个设计能顺利进行下去的关键。
第四章是整体电路系统及子模块电路的详细设计，着重阐述了降压型DC-DC转换器电路各子模块电路设计过程，重点选取了误差放大器、振荡器、PWM比较器及逻辑电路、过流保护电路、驱动电路、过热保护电路以及软启动电路等子模块电路进行设计，提出了这些电路设计方案及参数选择原则，并利用仿真验证了各电路的工作性能，确保能达到设计要求。
第五章是验证部分，以直流转换器最重要参数恒压精度和转换效率作为技术 ……（未完，全文共27254字，当前仅显示4902字，请阅读下面提示信息。收藏《毕业论文：降压型DC/DC开关电源电路及控制回路设计》）