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1、直流开关稳压电源的设计 2012年5月直流开关稳压电源的设计The Design of DC Switching Power Supply 摘 要开关电源具有效率高、体积小、重量轻等显著特点。目前世界各国都有广泛的应用，特别是对大容量高频开关电源的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究领域，并派生了很多新的研究方向。稳压电源是实现电能变换和功率传递的主要设备。在信息时代，农业、能 源、交通运输、通信等领域迅猛发展，对电源产业提出个更多、更高的要求，如节能、节材、减重、环保、安全、可靠等。这就迫使电源工作者不断的探索 寻求各种乡关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。开关电源是一种新
2、型的电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高、耗能低、使用方便，并取得了较好的经济效益。本文在介绍了开关电源的各种工作方式、其优劣势、设计方法及未来发展方向等的基础上，对开关稳压电源进行设计。设计分为几个模块进行，包括辅助电源模块、PWM控制模块、升压电路部分，其中PWM控制电路为电源设计的核心。关键词：开关电源 稳压电源 PWM控制 AbstractSwitching power has many remarkable characteristics such as high efficiency, smallness and lightness. Countries all over
3、the world have extensive application in switching power, especially research on large capacity high-frequency switching has already become the main research field of power electronics and many new research directions has derived from it. Power is to achieve power conversion and power transmission ma
4、jor equipment.In the information age, agriculture, energy, transportation, communications and other areas Power of the source industry make a greater and higher requirements,such as energy, materials, weight reduction, environmental protection, safety and reliability. This has forced the power worke
5、rs have been exploring the technology for a variety of rural customs, the power to make the best products to meet the requirements of all walks of life. Switching power supply is a new type of power supply, compared to traditional linear power supply, high technology, low energy consumption, easy to
6、 use, and has achieved good economic results. This paper describes the various switching power supply works, its advantages and disadvantages, design and direction of future development, based on the design of the switching power supply. Design is divided into several modules, namely, auxiliary powe
7、r module, PWM control module, boost circuit part, which PWM control circuit for the power supply design of the core. Key words: switching power supply constant voltage power supply PWM control目 录摘要 IAbstractII绪论11 直流开关电源主电路的设计31.1 开关电源的基本原理与组成特点分析31.1.1 开关稳压电源的基本工作原理31.2 开关电源的结构与组成特点分析41.2.1 开关电源的基本
8、结构41.2.2 DC-DC变换器类型51.2.3 控制电路61.3 主要电路的设计81.3.1 整流电路设计81.3.2 滤波电路设计81.4 DC-DC变换器设计91.4.1 DC-DC变换器电路设计及工作原理91.4.2 全桥DC-DC变换器的控制方式102 控制电路及保护电路的设计112.1 PWM集成控制器的工作原理112.1.1 两种控制模式的工作原理122.1.2 两种控制模式的比较选择132.2 保护电路的设计142.2.1 过电压保护142.2.2 过电流保护153 关键器件的选型163.1 整流桥晶闸管选型163.2 输入整流电容的选择163.3 DC-DC变换器开关管的选
9、择163.4 输出整流二极管的选型17结论18致谢19参考文献20绪 论电力电子技术与装置的市场需求与日俱增，其中电源是电力电子技术的主要应用领域之一。随着微电子制造技术的进步，计算机、通信设备、家用电器得到飞速发展，这些设备内部往往需要采用直流稳压电源供电。很多关键的设备还需要不间断电源，以确保市电停电时设备仍能工作。近年来，随着电力电子技术的迅猛发展，新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件不断的出现并应用到开关电源，使开关电源达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高。因此，许多领域，例如邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越
10、多的应用开关电源，并取得了显著效益。随着芯片集成度的不断提高，电子设备内功能部件的体积不断减小，因而要求设备内部电源的体积和重量不断减小。提高开关频率是减小开关电源体积和重量的基本措施，因为变压器和电感电容等滤波元件的体积和重量随频率的提高而减小。高频化、小型化、模块化和智能化是直流开关电源的发展方向。高频化是小型化和模块化的基础，目前开关频率为数百kHZ至数MHz的开关电源已有使用。功率重量比或功率体积比是表征电源小型化的重要指标，50w/in的开关电源早已上市，目前己向120W/in发展。模块化与小型化分不开，同时模块化可提高电源的可靠性，简化生产与使用。模块电源的并联串联和级联既便于用户
11、使用，也便于生产。智能化是便于使用和维修的基础，无人值守的电源机房、航空和航天器电源系统等都要求高度智能化，以实现正常、故障应急和危急情况下对电源的自动管理。现代越来越复杂的电子设备对电源提出了各种各样的负载需求。一个特定用途的电源装置，应当具有符合负载要求的性能参数和外特性，这是基本的要求。安全可靠是必须加以保证的。高效率、高功率因数、低噪音是普遍关注的品质。无电网污染、无电磁干扰、省电节能等绿色指标是全球范围的热门话题，并有相关的国际和国家标准规范进行约束。电源技术发展到今，己融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，已从多学科交叉的边缘学科成长
12、为独树一帜的功率电子学1。电源电压的变换，要有一种基础的技术，使得变换简单，成本低，体积重量小、容易控制输出电压、变换方式等，由此，产生了一种电源变换技术，叫做开关电源技术，最早开始应用也就是上世纪90年代初，这种技术的核心就是先将电压能量统一变成直流，然后切成间隔脉冲，通过脉冲的占空比实现控制能量输出多少，来调节输出电压的目的，由于这种方法去掉了变压器，所以体积减小重量减轻，控制简单。如今都提倡绿色化、环保节能，而开关电源可以做到相比其他电源更优秀。首先是显著节电, 这意味着发电容量的节约。发电造成环境污染的重, 通过节电就可以减少对环境的污染。并且开关电源能很好的防止高次谐波对电网的污染，
13、提高功率因素。直流开关稳压电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般多采用脉冲宽度调制（PWM）控制方式。随着电力电子技术的发展和创新，开关电源逐步向高频化方向发展。高频化使开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点，因此，研究、开发高质量的开关电源就变得十分必要，尤其在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义2。直流开关稳压电源主电路的设计，主要包括：输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。逆变：将整流后的直流电变为高频
14、交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。本文设计的直流开关稳压电源主要应用于仪器仪表的开关电源，确定技术指标如下: (1) 电网输入电压：交流220V； (2) 电网频率：50Hz； (3) 输出电压：直流24V； (4) 输出最大电流：10A。1 直流开关电源主电路的设计1.1 开关电源的基本原理与组成特点分析1.1.1 开关稳压电源的基本工作原理开关式稳压电源的控制方式分为调宽式和调频式两种, 实际应用中, 调宽式使用的较多, 在目前开发和使用的开关电源集成电路中, 绝大多数也为脉宽调制型。调宽式开关
15、稳压电源的基本原理如图1-1所示。图1-1 调宽式开关电源的基本原理对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压U0取决于矩形脉冲的宽度, 脉冲越宽，其直流平均电压值就越。其中有:U0=UmT1/T式中，Um为矩形脉冲的最大电压值；T为矩形脉冲周期，T1为矩形脉冲宽度。由此可知, 当Um与T不变时，直流平均电压U0将与脉冲宽度T1成正比。这样，只要设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄， 就可以达到稳定电压的目的3。开关稳压电源（简称开关电源）是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般多采用脉冲宽度调制（PWM）控制方式。随着电力电子技术的
16、发展和创新，开关电源逐步向高频化方向发展。高频化使开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点，因此，研究、开发高质量的开关电源就变得十分必要，尤其在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关稳压电源具有，效率高，输出功率大，输入电压变化范围宽，节约能耗等优点， 而被广泛使用在各个行业和领域中。开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即占空比来改变输出电压，通常有三种调制方式: 脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PFM)和混合调制。PWM调制是指开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式，因为周期恒定，滤波电路的设计容易，是应用最普遍的调制方式。开关稳
17、压电源的主回路框图如图1-2 所示，由隔离变压器产生一个24V的交流，经过整流滤波成一个直流，然后再进行DC-DC变换，有PWM的驱动电路，去控制开关电源管的导通和截止，而产生出一个稳定的电压源，如图1-2所示4。图1-2 开关稳压电源1.2 开关电源的结构与组成特点分析1.2.1 开关电源的基本结构开关电源作为一种高效、轻型、高性能的电源已广泛用于家用电器、电子计算机、变频器等电子设备中。而在变频器中的广泛应用更显其本色。变频器的控制回路、驱动回路、保护回路、检测电路等需要十余种相互隔离的电源。采用开关电源后,可以使变频器体积小、重量轻、功耗低、稳压范围宽,大大地改善了装置的控制可靠性及保护
18、性能。开关电源的结构框图可如图1-3所示。图1-3 开关电源的结构框图从图中可以看出，这几部分是相辅相成的统一整体。在电源的研制和开发过程中必须对每一部分都进行认真的分析和研究，才能使所研制的开关电源满足设计要求。电源主电路通过输入整流滤波、DC-DC变换、输出整流滤波将市电转为所需要的直流电压。开关电源的主回路可以分为:输入整流滤波回路、功率开关桥、输出整流滤波三部分。输入整流滤波回路将交流电通过整流模块变换成含有脉动成分的直流电，然后通过输入滤波电容使得脉动直流电变为较平滑的直流电。功率开关桥将滤波得到的直流电变换为高频的方波电压，通过高频变压器传送到输出侧。最后，由输出整流滤波回路将高频
19、方波电压滤波成为所需要的直流电压或电流，主回路进行正常的功率变换所需的触发脉冲由控制电路提供5,6,7。控制电路是整个电源的大脑，它控制整个装置工作并实现相应的保护功能。一般控制电路应具有以下功能:控制脉冲产生电路、驱动电路、电压反馈控制电路、各种保护电路、辅助电源电路。为了使开关电源设备正常的工作，使电源的各个组成部分都能发挥其最大的效能，就必须让电源的各个组成部分相互协调、相互协作。1.2.2 DC-DC变换器类型DC-DC 变换器是开关电源中实现功率转换的部分。DC-DC 变换器的输入电压为整流电压，电压较大，选用全桥式电路较为合适，可使变压器磁芯和绕组得到最优利用，使效率、功率密度等得
20、到优化；另一方面，功率开关在较安全的情况下运行，最大的反向电压不会超过输入整流滤波电路的输出电压。但是需要的功率元件较多，在开关导通的回路上，至少有两个管的压降，因此功率损耗也较大。由于整流桥提供的直流电压较高，工作电流相对较低，这些损耗还是可以接受的。目前，常用的全桥式变换器有传统的硬开关式、谐振式以及移相式。硬开关式全桥变换器：硬开关PWM电路曾以结构简单、控制方便得到广泛应用，在硬开关PWM电路中，开关管工作在硬开关状态，开关器件在高电压下导通，大电流下关断，因此，在开关瞬间必然有大量损耗。因此，常常加入缓冲电路，它可以限制开通时的du/dt和关断时的di/dt，使功率器件安全正常运行。
21、但是需要注意的是，吸收电路是通过把器件本身的开关损耗转移到缓冲电路中而使器件得到保护的，因此这部分能量最终还是被消耗了，系统总的损耗没有减少。并且频率越高，开关损耗越大，使系统效率大大降低。另外，开关器件在高频下运行时，器件本身的极间电容将成为-个重要参数。极间电容电压转换时的du/dt会藕合到输入端，产生较强的电磁干扰，影响电源本身和电网中其他电器设备的运行。此外，电路寄生电容、电感若形成强烈的振荡也会影响到设备的正常运行8。谐振式全桥变换器：硬开关式电路在频率不高时其缺点还不是很突出，随着频率的提高，开关损耗和电磁干扰将变成一个十分严重的问题，为了解决这一问题，有人提出了谐振式软开关的概念
22、。谐振式软开关和硬开关相比，主要是增加了两个附加元件-谐振电感和谐振电容。利用谐振电感和谐振电容的谐振作用，使开关器件在正弦波的零电压或零电流处开通或关断。谐振变换电路有多种拓扑结构，但其基本组成部分还是通过开关器件和谐振元件L、C之间串联或并联实现的，再配以适当的控制策略来实现开关器件的零电压或零电流动作。移相控制全桥变换器：由于具有恒频软开关运行、移相控制实现方便、电流和电压应力小、巧妙利用寄生元件等一系列突出优点，倍受各方的广泛关注.移相控制方式作为全桥变换器特有的-种控制方式，它是指保持每个开关管的导通时间不变，同一桥臂两只管子相位相差180度。对全桥变换器来说，只有对角线上两只开关管
23、同时导通时，变换器才输出功率，所以可通过调节对角线上的两只开关管导通重合角的宽度来实现稳压控制，而在功率器件环流期间，它又利用变压器的漏感、功率半导体器件结电容或外加的附加电感电容的谐振来实现零电压或零电流的开关电流9。1.2.3 控制电路控制电路是开关电源系统的另一重要部分。DC-DC变换器需要控制电路提供适当的驱动脉冲，才能有效的工作。如果控制电路不完善，主电路设计得再好也无法发挥其自身的功能，例如:如果控制电路输出的触发信号不稳定，或者出现误触发，有可能引起开关桥的直通，导致短路，从而损坏开关元件。根据电路功能的分工可将控制电路分为几大部分:脉冲产生电路、触发电路、电压反馈控制电路、软启
24、动电路、保护电路、辅助电源电路等。脉冲产生电路是控制电路的核心。脉冲产生电路根据电压反馈控制电路、保护电路以及软启动电路等提供的控制信号产生出所需的脉冲信号，然后该脉冲信号经过触发电路的放大后去驱动开关元件，使开关管导通或关断。电压反馈控制电路通过检测电压的大小，对输出电压进行采样，然后将采样电压和参考电压相比较得出误差信号，反馈控制电路将误差信号进行PI处理后得到一控制电压。最后，反馈控制电路将该控制电压送给脉冲产生电路，进而调节输出脉冲的脉宽达到调节输出电压的目的。控制电路输出的PWM信号，电平幅值和功率能力均不足以驱动大功率开关元件，因此选择合适的驱动电路是必须的。驱动电路是将控制电路输
25、出PWM脉冲信号经过电隔离后进行功率放大和电压调整再去驱动大功率开关管，由于所提供的脉冲幅度以及波形关系到开关管的开关过程，直接影响到损耗，所以，应该合理设计驱动电路，实现开关管的最佳开通与关断。电源的输出滤波电容较大，输出电压的突然建立将会形成非常大的电容充电电流，叠加在负载电流上，它不仅使开关管的负担过重而可能损坏，而且，由于持续时间长，往往会引起过流保护电路发生误动作。若为了避免由此引起的误动作而将保护电路搞得非常迟钝，这将会增加过流保护的不安全性。输出电压在合闸时容易出现过冲，这种过冲，合闸时可能发生，在关闭电源时也可能产生，只要达到足够的幅度将会给负载造成损害，而且，反复的大电流冲击
26、对电容器本身也不利，同时还会引起干扰，因此，开关电源必须具备输出电源软启动的功能。软启动电路在电源合闸和重新启动时提供一个逐渐上升的电压信号给脉冲产生电路，从而使控制电路的输出脉冲有一个逐渐建立的过程。保护电路是控制电路的一个重要组成部分，为了提高电源的可靠性必须不断完善保护电路的功能。当前开关电源电路的主要保护功能有:过流保护、过压保护、欠压保护、温度保护。过流保护和过压保护是为了保护负载和电源两者而设置的，而欠压保护和温度保护是为了电源本身而设置的。辅助电源电路的功能是为控制电路供电。辅助电源的类型有很多种，既可以采用串联线性调整型电源，也可以采用开关电源。辅助电源也可以通过高频变压器获得
27、输出后反馈提供，辅助电源本身作为开关电源的一组负载。选取辅助电源电路形式时，只要该电源能满足控制电路的要求即可。1.3 主要电路的设计1.3.1 整流电路设计整流电路的主要作用是把经过变压器降压后的交流电通过整流变成单个方向的直流电。但是这种直流电的幅值变化很大。它主要是通过二极管的截止和导通来实现的。常见的整流电路主要有全波整流电路、桥式整流电路、倍压整流电路。由于单相桥式整流电路的纹波电压小，输出电压比较高，晶体管所承受的最大反向电压较低，同时因电源变压器在正、负半周内部有电流供给负载，电源变压器得到了充分的利用，效率高，所以我们选取单相桥式整流电路实现设计中的整流功能。单相桥式整流电路如
28、图1-4所示10。图1-4 单相桥式整流电路1.3.2 滤波电路设计滤波电路用于滤去整流输出电压中的纹波，对于滤波电路的选择有以下两种方案。方案一：采用电感滤波电路。由于电感在电路中有储能的作用，在电路中可以串联电感，当电源供给的电流增加时，它把能量存储起来，而当电流减小时，又把能量释放出来，使负载电流比较平滑，即电感有平波的作用。在电感滤波电路中，整流管的导电角较大，峰值电流很小，输出特性比较平坦，但是由于铁心的存在，笨重、体积大，容易引起电磁干扰。一般用只用在低电压、大电流场合。方案二：采用电容滤波电路。由于电容在电路中也有储能的作用，并联的电容器在电源供给的电压升高时，能把部分能量存储起
29、来，而当电源电压降低时，就把能量释放出来，使负载电压比较平滑，也就是电容具有平波的作用。电容滤波电路简单，负载直流电压比较高，纹波也较小，适用于负载电压较高，负载变动不大的场合，也减轻了电路设计和实际焊接的工作。如图1-5 a)、b)为电容滤波电路，c)为电感滤波电路11,12。a) C 型滤波电路 b) 倒L型滤波电路 c) 型滤波电路图1-5 滤波电路的基本形式 根据以上的分析选用方案二。1.4 DC-DC变换器设计 1.4.1 DC-DC变换器电路设计及工作原理全桥变换电路拓扑是目前国内外DC-DC变换电路中最常用的电路拓扑形式之一，应用非常广泛。本课题电源系统采用的即是这种全桥变换器拓
30、扑。全桥变换器电路结构如图1-6所示13。图1-6 全桥变换器电路结构基本工作原理为：直流电压Vin 经过Q1、D1Q4、D4 组成的全桥开关变换器，在高频变压器初级得到高频交流方波电压，经变压器降压，再全波整流变换成直流方波，最后通过电感L、电容C 组成的滤波器，在R上得到平直的直流电压。全桥直流变换器由全桥逆变器、高频变压器和输出整流滤波电路组成，也属于直流-交流-直流变换器14。1.4.2 全桥DC-DC 变换器的控制方式全桥电路，适用于较多的场合。全桥变换器本质上有三种基本的控制方式：双极性控制、有限双极性控制和移相控制。下面简要说明几种控制方式的区别15。 (1) 双极性控制方式开关
31、管Q1和Q4、Q2和Q3同时开通和关断，两对开关管以PWM方式交替开通和关断，其开通时间不超过半个开关周期。即它们的开通角小于180度。当Ql, Q4导通时，Q2,Q3上的电压为Vin，反之亦然；当四个开关管都处在截止状态时，每个开关管所承受的电压为Vin / 2。由高频变压器的漏感与开关管结电容在开关过程中产生高频振荡所引起的电压尖峰，当其超过输入电压时，钳位二极管DlD4将导通，使开关管两端的电压被限制在输入电压上。这种控制方式是过去全桥电路最基本的方式。 (2) 有限双极性控制方式电路中同一个桥臂的两个开关管(例如Q2,Q4) 180度互补导通，另一个开关桥臂的两个开关管的导通占空比可调
32、。正半周期中，Q4一直开通,Q1只开通一段时间；负半周期中，Q2一直开通，Q3只开通一段时间。Q1和Q3分别在Q4 和Q2之前关断。定义Q1、Q3组成的桥臂为超前桥臂，Q2、Q3组成的桥臂为滞后桥臂。(3) 移相控制方式 每个桥臂的两个开关管180度互补导通，两个桥臂的导通之间相差一个相位，即所谓移相角。通过调节移相角的大小来调节输出脉冲宽度，从而达到调节相应的输出电压的目的。Q1, Q3的驱动信号分别领先于Q4, Q2，可以定义Q1, Q3组成的桥臂为超前桥臂，Q2, Q4组成的桥臂为滞后桥臂。2 控制电路及保护电路的设计开关电源的主电路主要处理电能，而控制电路主要处理电信号，属于“弱电”电
33、路，但它控制着主电路中的开关器件的工作，一旦出现失误，将造成严重后果，使整个电源停止工作或损坏。因此，控制电路的设计质量对电源的性能至关重要。设计中采用PWM集成控制器15。2.1 PWM集成控制器的工作原理PWM集成控制器通常分为电压控制模式和电流控制模式，电流控制模式因为动态响应快，补偿及保护电路简单，增益带宽大，易于均流及可防止偏磁等优点而被广泛采用电流控制模式又分为峰值电流模式和平均电流模式，本论文采用UC1825A集成芯片峰值电流控制模式。两种控制模式的原理图如图2-1和图2-2所示。图2-1 电压控制模式图2-2 峰值电流控制模式2.1.1 两种控制模式的工作原理图2-1为电压控制
34、模式的PWM 原理图。由图可以看出电压控制模式只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法。它工作的基本原理是：当恒频时钟脉冲置位锁存器时，输出电压U0与参考电压Uref 经误差放大器EA 放大后得到了一个误差电压信号Ue ，Ue再与振荡电路产生的固定锯齿波电压经PWM 比较器COM 比较，由锁存器输出占空比随误差电压信号Ue变化的具有一定占空比的一系列脉冲13。图2-2为峰值电流控制模式的PWM 原理图。由图可以看出，它在原有的电压环上增加了电流反馈环节,构成电压电流双闭环控制。它工作的基本原理是：输出电压U0 与参考电压Uref 经误差放大器EA 放大后得到一个误差电压信号Ue ，Ue 再与变
35、压器初级电感线圈中电流的采样电压Ur 比较，产生调制脉冲的宽度,由恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲，使得误差信号对电感电流的峰值起控制作用。当Ur 幅度达到Ue 电平时，PWM 比较器的状态翻转，锁存器复位，驱动撤除，开关管关断，电路逐个地检测和调节电感电流脉冲，由此控制电源的输出电压。若输入电压下降，整流后的直流电压下降，经电感延迟使输出电压下降，经误差放大器延迟，Ue 电压不变，在电流环中电感的峰值电流也随输入电压下降,电感电流的斜率di/dt 下降，导致斜坡电压推迟到达Ue，使PWM 占空比增大，起到调整输出电压的作用。2.1.2 两种控制模式的比较选择一般来说，电压控制模式的开关电源是一
36、个二阶系统，它有两个变量，即输出滤波器电容器上的电压和输出滤波电感中的电流。二阶系统是一个有条件稳定的系统，只有对控制回路进行精心设计和计算，在满足一定的条件下，闭环系统才能稳定工作。大家知道，开关电源的电流都要经过电感的，对于电压信号有90度的相位延迟，而对于整个电源稳压系统来说，实际上需要不断调节的是输入电流，以适应输入电压和负载的变化而保持输出电压恒定的要求。这种采样输出电压的控制方法，必然是响应速度慢，稳定性差，甚至在大信号时容易产生振荡，造成功率开关器件损坏等故障。而电流控制模式的开关电源是一个一阶系统，一个无条件稳定的系统，由于它只有一个极点，因此很容易得到大的开环特性和完善的小信
37、号和大信号特性。目前使用广泛的电流模式控制开关变换器正是在传统的电压控制模式的基础上，增加电流反馈环节，使之成为一个双环控制系统，让电压上的电流不再是一个单独的变量，从而使开关变换器的二阶模型中去掉了电感电流而成为一个一阶系统。归纳起来，电流控制模式的优点主要有以下几点：(1) 对输入电压的变化响应快这可直观的从电路的工作原理中分析得出，电源输入电压的变化，必然会引起变压器的初级电流上升斜率的变化，如电压升高，则电流增长变快，反之则变慢。但是只要电流脉冲达到了一定的幅度，电流控制回路就动作，使得脉冲宽度发生变化，保证输出电压的稳定，而在电压模式控制电路中，检测电路对输入电压的变化没有直接的反应
38、，一直要等到输出电压发生一定的变化后，才会去调节脉冲宽度。一般电压控制模式要5 到10个开关周期才能响应输入电压的变化。(2) 过流保护和可并联性在电流模式控制的变换器中，由于内环采用了直接的电感电流峰值检测技术，它可以及时、准确的检测出变压器以及开关管中的瞬态电流，自然形成了逐个电流脉冲检测电路。只要给定或者限制考电流，就可以准确地限制流过开关管和变压器中的最大电流，从而在输出过载或短路时保护了开关管和变压器，也可以有效地克服因输入电压的浪涌产生很大的尖峰电流而损坏开关管的故障。同时也可以在设计开关电源时不必给开关器件和变压器留有较大的裕量，在保证可靠性的前提下，尽可能降低成本。(3) 变压
39、器的磁通平衡在全桥和推挽变换器中，开关管的饱和压降存储时间的不同都会造成电压波形的不对称，从而使直流电流流过变压器初级产生偏磁，这个偏磁会随着时间的积累导致变压器的饱和，使得电源不能正常工作，严重时会烧毁变压器。在电压控制模式变换器中，虽然偏磁电流在线路上总的压降会抵消掉一部分偏磁现象，但不能完全克服，而电流控制模式可以自动解决磁通不平衡的问题，这是因为它内部的电流环能使电流脉冲宽度不同但幅值肯定相同。(4) 回路稳定性好、负载响应快因为本论文全桥变换器中的电感电流是连续的，控制峰值电流就相当于控制平均电流，电流型控制可以看作是一个受输出电压控制的电流源， 而电流源的电流大小就反映了电源输出电
40、压的大小。电流控制型和电压控制型的开关电源相比有许多优点，但其本身也有缺点，如电感峰值电流与平均电流有误差,占空比大于0.5 时容易发生振荡；直流开环负载调整率较差等。这些问题绝大部分可以采取适当措施后得到满意地解决，这就为电流型开关电源的普及和发展创造了条件。2.2 保护电路的设计2.2.1 过电压保护如图2-3由R1、R2构成的分压电路足为输入电压Ui的检测电路，A点电压为UiR2/(R1+R2),R3、R4、RP和比较器UA构成滞环比较电路，滞环的宽度为UccR3/R4。调节器RP可以改变过压保护的限值。原理为，当UiR2/（R1+R2）高于UH（1+R3/R4）时，比较器翻转，输出U0
41、变为Ucc，而当小于时输出U0变为零。 图2-3 过电压保护电路2.2.2 过电流保护如图2-4电流互感器的一次侧串入主电路中用以检测电流。电阻R1是电流互感器二次侧电流采样电阻，其电压Ur1=R1is/n，n为互感器的匝比。当主电路电流增大，Ur1=R1is/n随之增大，当Ur1大于UH时，比较器A输出由低电平变为高电平，并使RS触发器翻转，去封锁PWM输出，使主电路开关管关断。要重新启动电路，则必须在RS触发器R端施加复位信号16。图2-4 过电流保护电路3 关键器件的选型3.1 整流桥晶闸管选型 所采用的是单相桥式全控整流电路，输入电压为交流220V晶闸管承受的最大正向电压和反向电压分别
42、为/2和。 所以，整流二极管的峰值电压为： 取50%的裕量： 因此选用耐压为500V的晶闸管。 本设计稳压电源为24V最大为10A的稳压电源根据开关电源的一般效率约为80%取其值所以输入功率约为： 所以最大输入电流为： 因此，选用额定电流为大于2A 是晶闸管。 综合得，晶闸管选用耐压500V额定电流为2A的晶闸管。3.2 输入整流电容的选择输入电容器Cm决定于输出保持时间和直流输入电压的纹波电压的大小，而且要在计算流入电容器的纹波电流是否完全达到电容器的容许值的基础上进行设计。电网输入电压为220V，通过直流输入电流的平均电流为： 计算单相全波整流电路滤波电容的经验公式为： 所以 根据计算结果
43、，选用 1000uF/250V的电解电容作为滤波电容。3.3 DC-DC变换器开关管的选择 本设计DC-DC变换器晶闸管选用的是电力MOSFET晶闸管，根据相关文献得知加在晶闸管上的最高电压为V即： 取50%裕量： 一些参数尚不知道的情况下，我们需要估算开关管的电流，以便选择开关管和计算输出滤波电路。在高频变压器的计算中，估算了实际占空比为0.658，为0.252。输入整流滤波电路的最大输出电流平均值： 占空比为0.658和0.252时峰值电流分别为： 所以，开关管估算最大电流为5.4A。 根据计算所得的结果分析得选用耐压为500V电流20A 的MOSFET管为开关管。3.4 输出整流二极管的
44、选型因为输出二极管工作于高频状态，所以应选用快恢复二极管。输出最大功率为：最大电流为10A 考虑裕量，选择RURU3O12O作为输出二极管，该管耐压为120V额定电流为20A。结 论直流开关稳压电源的毕业设计，需要掌握了开关电源的设计思路和方法。对各个模块进行设计，需要对开关电源有深刻的理解。其各模块主电路、控制电路、保护电路设计方法和思路比较多，通过比较各模块各个实现方法优缺点和设计的要求，选择了比较适合的电路。本文设计出了直流开关稳压电源的主电路、控制电路、保护电路，其中DC-DC变换是其主电路的核心，所采用的是全桥变换电路，是最常见的电路拓扑形式之一，采用了有限双极性控制方法实现。全桥直
45、流变换器主要由全桥逆变器、高频变压器和输出滤波电路组成，属于直流-交流-直流变换器。DC-DC变换器在高频变压器初级得带高频交流方波电压经变压器降压，再全波整流变换经整流滤波得到稳定的直流电压。此外另一个关键电路就是PWM控制电路，所采用的是MOSFET开关管，控制电路的好坏直接关系到电源系统的整体性能。保护电路也是必不可少的电路，在保护电路的保护下可以防止电压或电流过高导致仪器仪表的损坏。只有各个模块的电路结合起来才可以最终设计出一个符合要求的能够稳定工作的直流稳压电源。致 谢经过一阶段的努力，我的毕业论终于完成了。首先，要感谢我的指导老师曹建平老师。论文的选题、具体工作和撰写过程都凝聚着指
46、导老师的心血和汗水。曹老师严谨、务实和认真的工作态度给我留下了深刻的印象。在此，谨向曹老师表示衷心的感谢和崇高的敬意。其次，感谢所有帮助过我的老师们，他们的热情以及在科研工作中的忘我精神和在教学过程中的严谨，给我留下了深刻的影响，使我受益非浅。在多位老师的教导下，我才打下了坚实的基础，使得毕业论文能够顺利完成。在设计的过程中，我的许多朋友、同学也给予了我多方面的指导和帮助，他们勤奋认真的工作态度值得我学习，向他们表示深切的感谢！ 最后，向各位参加答辩的老师、答辩评委们致以最诚挚的谢意！参考文献1 张小林，冉建桥，李贤云. 我国开关电源发展的思考. 微电子学，2004.2 胡炎申，谢运祥.通信用
47、高频开关电源技术发展综述. 通信电源技术，2005.3 王兆安，刘进军.电力电子技.北京：机械工业出版社，2009.4 邱关源.电路.北京：国电力出版社，2006.5 张占松，蔡宣三.开关电源的原理与设计.北京：电子工业出版社，2002.6 曲学基.新编高频开关电源.北京：电子工业出版社，2005.7 童诗白，华成英.模拟电子技术基础.北京：高等教育出版社，2004.8 阮新波，严仰光.全桥变换器的控制策略.电力电子技术,1998.9 阮新波，严仰光.脉宽调制DC/DC全桥变换器的软开关技术.北京:科学出版社,1999.10 何希才.稳压电源电路的设计与应用.北京：中国电力出版社，2006.11 杨旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术.北京：机械工业出版社，2003.12 McGraw-Hill.Switching Power Supply Design ,Third Edition.IEEE Trans on Power Electronics，1999.13 Middlebrook R
