畢業(yè)論文：降壓型DC/DC開關(guān)電源電路及控制回路設(shè)計(jì)

畢業(yè)論文：降壓型DC/DC開關(guān)電源電路及控制回路設(shè)計(jì)
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摘要

隨著開關(guān)電源技術(shù)的迅速發(fā)展，DC/DC開關(guān)電源已在通信、計(jì)算機(jī)以及消費(fèi)類電子產(chǎn)品等領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。近年來，電池供電便攜式設(shè)備的需求越來越大，對DC/DC開關(guān)電源的需求也日益增大，同時(shí)對其性能要求也是越來越高。在這樣的背景下，高頻化、小體積化、高效率化、低成本化、安全可靠性乃至綠色化都成了為DC/DC開關(guān)電源未來必須追求的發(fā)展方向。本文設(shè)計(jì)的正是一款輸入電壓恒定為72v，輸出電壓恒定為14.2v的降壓型DC/DC開關(guān)電源電路，著重闡述了開關(guān)穩(wěn)壓電路主回路及控制回路的設(shè)計(jì)和工作原理，并為電路設(shè)計(jì)了部分自我保護(hù)功能。
關(guān)鍵詞：直流轉(zhuǎn)換；開關(guān)電源；斬波電路；降壓型
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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而為開關(guān)電源提供了廣闊的發(fā)展空間[2]。

1.1 直流轉(zhuǎn)換器開關(guān)電源的發(fā)展現(xiàn)狀

開關(guān)穩(wěn)壓電源取代晶體管線性穩(wěn)壓電源已有30多年歷史，最早出現(xiàn)的是串聯(lián)型開關(guān)電源，其主電路拓?fù)渑c線性電源相仿，但功率晶體管工作于開關(guān)狀態(tài)。后來脈寬調(diào)制（PWM）控制技術(shù)發(fā)展，用以控制開關(guān)變換器，得到PWM開關(guān)電源，它的特點(diǎn)是用20kHz脈沖頻率或脈沖寬度調(diào)制一PWM開關(guān)電源效率可達(dá)65％～70％，而線性電源的效率只有30％一40％。在發(fā)生世界性能源危機(jī)的年代，引起了人們的廣泛關(guān)往。線性電源工作于工頻，因此用工作頻率為20kHZ的PWM開關(guān)電源替代，可大幅度節(jié)約能源，在電源技術(shù)發(fā)展史上譽(yù)為20kHZ革命。隨著ULSI芯片尺寸不斷減小，電源的尺寸與微處理器相比要大得多；航天，潛艇，軍用開關(guān)電源以及用電池的便攜式電子設(shè)備（如手提計(jì)算機(jī)，移動(dòng)電話等）更需要小型化，輕量化的電源。因此對開關(guān)電源提出了小型輕量要求，包括磁性元件和電容的體積重量要小。此外要求開關(guān)電源效率要更高，性能更好，可靠性更高等[3][4]。
從我國開關(guān)電源的發(fā)展過程可以了解國際開關(guān)電源發(fā)展的一個(gè)側(cè)面，雖然一般說來，我國技術(shù)發(fā)展水平與國際先進(jìn)水平平均有5～10年差距。70年代起，我同在黑白電視機(jī)，中小型計(jì)算機(jī)中開始應(yīng)用5V，20-200A，20kHZAC－DC開關(guān)電源。80年代進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用階段，并開發(fā)研究0.5～5MHz準(zhǔn)諧振型軟開關(guān)電源。80年代中，我國通信（如程注交換機(jī)）電源在AC－DC及DC－DC開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域中所六比重還比較低。80年代末我國通信電源大規(guī)模更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的鐵磁穩(wěn)壓-整流電源和晶閘管（Thyristor，原稱可控硅元件）相控穩(wěn)壓電源為大功率（48V，6kw）AC－DC開關(guān)電源（通信系統(tǒng)中常稱為開關(guān)型整流器SMR）所持代；并開始在辦公室自動(dòng)化設(shè)備中得到應(yīng)用。工業(yè)應(yīng)用方面，在鍋爐火焰控制，繼電保護(hù)，激光，彩色TV，離子管燈絲發(fā)射電流調(diào)節(jié)，離子注射機(jī)，鹵鎢燈控制等系統(tǒng)中均有應(yīng)用。90年代我國又研制開發(fā)了一批新型專用開關(guān)電源，典型例子如下：
1. 衛(wèi)星開關(guān)電源。東方紅三號(hào)通信衛(wèi)星、風(fēng)云一號(hào)、二號(hào)氣象衛(wèi)星均應(yīng)用了開關(guān)電源。特點(diǎn)是：多路輸出，不可維修性，要求長期不改變性能，設(shè)置冗余模塊，可靠性高，EMC滿足空間環(huán)境條件，高效，輕小。
2. 遠(yuǎn)程火箭控制系統(tǒng)的DC－DC開關(guān)電源，要求發(fā)射過程中高度可靠。
3. 1000kW牽引變流器4500V／1200AGTO門控250W開關(guān)電源。
4. 40kW固體脈沖激光器的軟開關(guān)電源。用4臺(tái)10kw全橋多諧振ZVS變換器并聯(lián)。
5. 焊機(jī)用焊機(jī)用雙IGBT管正激車電壓轉(zhuǎn)換一脈定調(diào)制（ZVT－PWM）軟開關(guān)電源。輸出20kW，500A，開關(guān)頻率40kHZ，效率92％。特點(diǎn)是負(fù)載大范圍變化頻繁，工作環(huán)境惡劣。要求電源沖擊電流小，動(dòng)態(tài)特性好，無過沖，負(fù)載個(gè)影響軟開關(guān)性質(zhì)。
6. 變電所在流操作系統(tǒng)開關(guān)電源。供繼電保護(hù)和自動(dòng)裝置及蓄電池充電用。代替晶閘管調(diào)壓系統(tǒng)，輸出10A，180～286V。主開關(guān)管用IGBT或功率MOSFET。
7. 單相和三相高功率因數(shù)整流器（有源功率同數(shù)校正器）。
可以看出20一30年中，我國開關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)性能有很大進(jìn)展，這與國家基礎(chǔ)工業(yè)和國力增強(qiáng)有密切關(guān)系，也和國際先進(jìn)開關(guān)電源技術(shù)影響有關(guān)。充分顯示了中國電源技術(shù)人員的聰明才智和艱苦奮斗的創(chuàng)業(yè)精神[5][6]。

1.2 開關(guān)電源未來發(fā)展趨勢

開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。這不僅能使開關(guān)電源進(jìn)入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動(dòng)高技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有重要的意義。
由于開關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國外各在開關(guān)電源制造商都致力同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（Mn-Zn）材料上加大科技創(chuàng)新，電容器的小型化也是一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)。開關(guān)電源的高頻化就必然對傳統(tǒng)的PWM開關(guān)技術(shù)進(jìn)行創(chuàng)新，實(shí)現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開關(guān)電源的工作效率。
　　模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢，可以用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，設(shè)計(jì)成N+1冗余電源系統(tǒng)，并實(shí)現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴(kuò)展。使用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上即可實(shí)現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)實(shí)際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問題，故仍需在這一領(lǐng)域開展大量的工作，使得多項(xiàng)技術(shù)得以實(shí)用化[7]。

1.3 開關(guān)電源發(fā)展面臨的技術(shù)難題

新的器件和新的拓?fù)淅碚摰某霈F(xiàn)使得開關(guān)電源技術(shù)日趨可靠、成熟、經(jīng)濟(jì)、適用。但開關(guān)電源要進(jìn)一步的發(fā)展,又必須得突破現(xiàn)有技術(shù)的瓶頸。其主要有以下幾個(gè)：
　　1．高頻化技術(shù)
　　隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)變換器的體積也隨之減少，功率密度大幅提升，動(dòng)態(tài)響應(yīng)得到改善。但隨著開關(guān)頻率的不斷提高，開關(guān)元件和無源元件損耗的增加、高頻寄生參數(shù)以及高頻EMI 等新的問題也將隨之產(chǎn)生。
　　2．?dāng)?shù)字化技術(shù)
　　在傳統(tǒng)功率電子技術(shù)中，控制部分是按模擬信號(hào)來設(shè)計(jì)和工作。目前，在整個(gè)的電子模擬電路系統(tǒng)中，電視、音響設(shè)備、照片處理、通訊、網(wǎng)絡(luò)等都逐步實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化，而最后一個(gè)沒有數(shù)字化的堡壘就是電源領(lǐng)域。
　　3．軟開關(guān)技術(shù)
　　為提高變換器的變換效率，各種軟開關(guān)技術(shù)應(yīng)用而生，具有代表性的是無源軟開關(guān)技術(shù)和有源軟開關(guān)技術(shù)。采用軟開關(guān)技術(shù)可以有效地降低開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力，有助于變換器變換效率的提高[8][9]。
　　4．功率因數(shù)校正技術(shù)(PFC)
　　由于AC/DC 變換電路的輸入端有整流元件和濾波電容，在正弦電壓輸入時(shí),單相整流電源供電的電子設(shè)備，電網(wǎng)側(cè)(交流輸入端)功率因數(shù)僅為0.6～0.65。采用PFC (功率因數(shù)校正)變換器，網(wǎng)側(cè)功率因數(shù)可提高到0.95～0.99，輸入電流THD 小于20%。既治理了電網(wǎng)的諧波污染，又提高了電源的整體效率。目前PFC 技術(shù)主要分為有源PFC 技術(shù)和無源PFC 技術(shù)兩大類，采用PFC 技術(shù)可以提高AC/DC 變化器輸入端功率因數(shù)，減少對電網(wǎng)的諧波污染，但還有待繼續(xù)研究發(fā)展[10]。
　　5．模塊化技術(shù)
模塊化有兩方面的含義，其一是指功率器件的模塊化，其二是指電源單元的模塊化。把開關(guān)電源的驅(qū)動(dòng)保護(hù)電路裝到功率模塊中去，構(gòu)成了“智能化”功率模塊(IPM)；把一臺(tái)整機(jī)的所有硬件都以芯片的形式安裝到一個(gè)模塊中，構(gòu)成“用戶專用”功率模塊(ASPM)。各種嘗試屢見不鮮。這樣的模塊經(jīng)過嚴(yán)格合理的熱、電、機(jī)械方面的設(shè)計(jì)，達(dá)到優(yōu)化完美的境地。由此可見，模塊化的目的不僅在于使用方便，縮小整機(jī)體積，更重要的是取消傳統(tǒng)連線，把寄生參數(shù)降到最小，從而把器件承受的電應(yīng)力降至最低，提高系統(tǒng)的可靠性[11]。

1.4 本論文主要工作

本論文基于對直流轉(zhuǎn)換器各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其工作原理的分析，結(jié)合降壓式DC/DC開關(guān)電源的實(shí)際應(yīng)用，設(shè)計(jì)了一種高壓變低壓非隔離型的高精度開關(guān)穩(wěn)壓電源。預(yù)定的設(shè)計(jì)要求為：輸入電壓固定為72V，輸出電壓恒定為14.2V，恒壓精度為1%，并具有部分電路自我保護(hù)功能。
首先，經(jīng)過資料的收集整理和學(xué)習(xí)，參考前人成熟的直流轉(zhuǎn)換器的設(shè)計(jì)方案以及經(jīng)驗(yàn)技巧，從系統(tǒng)的角度出發(fā)選取本次設(shè)計(jì)電路最適合的電路結(jié)構(gòu)以及控制方式，確定所需要的模塊和參數(shù)指標(biāo)；然后，根據(jù)本次課題提出的設(shè)計(jì)要求，詳細(xì)分析并設(shè)計(jì)各個(gè)子電路模塊；最后完成功能單元電路以及整體電路的設(shè)計(jì)與仿真，并對仿真結(jié)果進(jìn)行分析和驗(yàn)證。為完成以上設(shè)計(jì)目標(biāo)，建立如下的設(shè)計(jì)環(huán)境。
在硬件方面：一臺(tái)工作在Windows*P環(huán)境下的PC機(jī)。
在軟件方面：電路設(shè)計(jì)工具是Protel199；仿真工具是Protues；輔助設(shè)計(jì)軟件是Microsoft Visio和Auto CAD。
在內(nèi)容上，本論文主要介紹了開關(guān)電源的發(fā)展以及應(yīng)用前景；對開關(guān)電源的工作原理進(jìn)行了詳細(xì)的介紹，并以此作為后續(xù)的設(shè)計(jì)的理論基礎(chǔ)；對降壓式DC/DC開關(guān)電源整體電路結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真。
第一章是概論，介紹了開關(guān)電源直流轉(zhuǎn)換器的發(fā)展和現(xiàn)狀，主要的技術(shù)革新標(biāo)志，以及未來發(fā)展的趨勢和當(dāng)即需要解決的技術(shù)難題。
第二章是DC—DC開關(guān)電源基礎(chǔ)理論部分，闡述了DC-DC開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)、工作原理及控制方式和反饋手段，為后面的系統(tǒng)模型打下理論基礎(chǔ)。
第三章是本次設(shè)計(jì)電路的主控回路方案的比較與選擇，為下一步的電路具體設(shè)計(jì)選定模型。主回路是電路設(shè)計(jì)的核心，而控制電路則是轉(zhuǎn)換器電路的關(guān)鍵。根據(jù)理論的辨析以及實(shí)際的情況，選擇合適的正確的主控回路，是保證整個(gè)設(shè)計(jì)能順利進(jìn)行下去的關(guān)鍵。
第四章是整體電路系統(tǒng)及子模塊電路的詳細(xì)設(shè)計(jì)，著重闡述了降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器電路各子模塊電路設(shè)計(jì)過程，重點(diǎn)選取了誤差放大器、振蕩器、PWM比較器及邏輯電路、過流保護(hù)電路、驅(qū)動(dòng)電路、過熱保護(hù)電路以及軟啟動(dòng)電路等子模塊電路進(jìn)行設(shè)計(jì)，提出了這些電路設(shè)計(jì)方案及參數(shù)選擇原則，并利用仿真驗(yàn)證了各電路的工作性能，確保能達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
第五章是驗(yàn)證部分，以直流轉(zhuǎn)換器最重要參數(shù)恒壓精度和轉(zhuǎn)換效率作為技術(shù) ……（未完，全文共27254字，當(dāng)前僅顯示4902字，請閱讀下面提示信息。收藏《畢業(yè)論文：降壓型DC/DC開關(guān)電源電路及控制回路設(shè)計(jì)》）