1.引 言

1.1開關(guān)電源的概念

開關(guān)電源(Switch Mode Power Supply，SMPS)是以功率半導(dǎo)體器件為開關(guān)元件，利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關(guān)電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關(guān)電源，這一點稱為成本反轉(zhuǎn)點。開關(guān)電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關(guān)電源小型化，并使開關(guān)電源進入更廣泛的應(yīng)用領(lǐng)域，特別是在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。

開關(guān)電源中應(yīng)用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET。一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關(guān)電源電路主要由整流濾波電路、DC-DC控制器(內(nèi)含變壓器)、開關(guān)占空比控制器以及取樣比較電路等模塊組成。

1.1.1 PWM技術(shù)簡介[1]

脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應(yīng)載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)。廣泛應(yīng)用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領(lǐng)域中。

脈沖寬度調(diào)制(PWM)基于采樣控制理論中的一個重要結(jié)論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。在控制時對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率.PWM運用于開關(guān)電源控制時首先保持主電路開關(guān)元件的恒定工作周期(T=ton+toff)，再由輸出信號與基準信號的差值來控制閉環(huán)反饋，以調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間ton，最終控制輸出電壓(或電流)的穩(wěn)定。

PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。

對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當(dāng)?shù)腞C或LC網(wǎng)絡(luò)可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。

1.1.2 降壓型DC-DC開關(guān)電源原理簡介[2]

將一種直流電壓變換成另一種固定的或可調(diào)的直流電壓的過程稱為DC-DC交換完成這一變幻的電路稱為DC-DC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)輸入電路與輸出電路的關(guān)系，DC-DC 轉(zhuǎn)換器可分為非隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器和隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。降壓型DC-DC 開關(guān)電源屬于非隔離式的。

降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器主電路圖如下：

其中，功率IGBT為開關(guān)調(diào)整元件，它的導(dǎo)通與關(guān)斷由控制電路決定;L和C為濾波元件。驅(qū)動VT導(dǎo)通時，負載電壓Uo=Uin，負載電流Io按指數(shù)上升;控制VT關(guān)斷時，二極管VD可保持輸出電流連續(xù)，所以通常稱為續(xù)流二極管。負載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負載電壓Uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，通常串聯(lián)L值較大的電感。至一個周期T結(jié)束，在驅(qū)動VT導(dǎo)通，重復(fù)上一周期過程。當(dāng)電路工作于穩(wěn)態(tài)時，負載電流在一個周期的初值和終值相等。負載電壓的平均值為

式中，ton為VT處于導(dǎo)通的時間，toff為VT處于關(guān)斷的時間;T為開關(guān)管控制信號的周期，即ton+toff;α為開關(guān)管導(dǎo)通時間與控制信號周期之比，通常稱為控制信號的占空比。從該式可以看出，，占空比最大為1，若減小占空比，該電路輸出電壓總是低于輸入電壓，因此將其稱為降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。負載電流的平均值為

若負載中電感值較小，則在VT管斷后，負載電流會在一個周期內(nèi)衰減為零，出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的情況。因此有降壓DC-DC開關(guān)電源有非連續(xù)電流模式(DCM)和連續(xù)電流模式(CCM)兩種工作模式。波形圖如下所示：

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1.2 開關(guān)電源的發(fā)展簡介[3]

能源在每個國家中的地位都是舉足輕重，關(guān)乎興衰的，所以如何開發(fā)并合理

利用能源是一個重要的課題。特別對于我國這樣的能源消耗大國和貧乏國，更是

如此。我國、美國和俄羅斯等大國始終把能源技術(shù)列為國家關(guān)鍵性的科技領(lǐng)域。

能源技術(shù)的其中一個重要方面就是電力電子技術(shù)，這是一門結(jié)合了微電子學(xué)、

電機學(xué)、控制理論等多種學(xué)科的交叉性邊沿學(xué)科，它利用功率半導(dǎo)體器件對電網(wǎng)

功率、電流、電壓、頻率、相位進行精確控制和處理，使得電力電子裝置小型化、

高頻化、智能化，效率和性能得以大幅度提高。

開關(guān)電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)，它運用功率變換器進行電能變換，經(jīng)過變

換電能，可以滿足各種對參數(shù)的要求。這些變換包括交流到直流(AC-DC，即整流)，直流到交流(DC-AC，即逆變)，交流到交流(AC-AC，即變壓)，直流到直流(DC-DC)。廣義地說，利用半導(dǎo)體功率器件作為開關(guān)，將一種電源形式轉(zhuǎn)變?yōu)榱硪环N電源形式的主電路都叫做開關(guān)變換器電路;轉(zhuǎn)變時用自動控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護環(huán)節(jié)則稱為開關(guān)電源(SwitchingPower Supply)。由于其高效節(jié)能可帶來巨大經(jīng)濟效益，因而引起社會各方面的重視而得到迅速推廣。

電源管理芯片實際上也是指具有自動控制環(huán)路和保護電路的DC-DC變換芯片，是開關(guān)電源的核心控制芯片。電源管理芯片在90年代中后期問世，由于替換了大部分分立器件，使開關(guān)電源的整體性能得到大幅度提高，同時降低了成本，因而顯示出強大的生命力。

我國開關(guān)電源起源于1970年代末期，到1980年代中期，開關(guān)電源產(chǎn)品開始

推廣應(yīng)用。那時的開關(guān)電源產(chǎn)品采用的是頻率為20 kHz以下的PWM技術(shù)，其效

率只能達到60%~70%。經(jīng)過20多年的不斷發(fā)展，新型功率器件的研發(fā)為開關(guān)電

源的高頻化莫定了基礎(chǔ)，功率MOSFET和IGBT的應(yīng)用使中、小功率開關(guān)電源工

作頻率高達到400kHz(AC/DC)和1MHz(DC/DC)。軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，真正實現(xiàn)了

開關(guān)電源的高頻化，它不僅可以減少電源的體積和重量，而且提高了開關(guān)電源的

效率。目前，采用軟開關(guān)技術(shù)的國產(chǎn)開關(guān)電源，其效率已達到93%。但是，目前

我國的開關(guān)電源技術(shù)與世界上先進的國家相比仍有較大的差距。

1.2.1 開關(guān)電源的發(fā)展史

開關(guān)電源的發(fā)展歷史可以追溯到幾十年前，可分為下列幾個時期：

1.電子管穩(wěn)壓電源時期(1950年代)。此時期主要為電子管直流電源和磁飽

和交流電源，這種電源體積大、耗能多、效率低。

2.晶體管穩(wěn)壓電源時期(1960年代-1970年代中期)。隨著晶體管技術(shù)的發(fā)

展，晶體管穩(wěn)壓電源得到迅速發(fā)展，電子管穩(wěn)壓電源逐漸被淘汰。

3.低性能穩(wěn)壓電源時期(1970年代-1980年代末期)。出現(xiàn)了晶體管自激式

開關(guān)穩(wěn)壓電源，工作頻率在20kHz以下，工作效率60%左右。隨著壓控率

器件的出現(xiàn)，促進了電源技術(shù)的極大發(fā)展，它可使兆瓦級的逆變電源設(shè)計

簡化，可取代需要強迫換流的晶閘管，目前仍在使用。功率MOSFET的出現(xiàn)，

構(gòu)成了高頻電力電子技術(shù)，其開關(guān)頻率可達l00kHz以上，并且可并聯(lián)大電

流輸出。

4.高性能的開關(guān)穩(wěn)壓電源時期(1990年代~至今)。隨著新型功率器件和脈

寬調(diào)制(PWM)電路的出現(xiàn)和各種零電壓、零電流變換拓撲電路的廣泛應(yīng)用

出現(xiàn)了小體積、高效率、高可靠性的混合集成DC-DC電源。

1.3 開關(guān)電源的發(fā)展展望

1.半導(dǎo)體和電路器件是開關(guān)電源發(fā)展的重要支撐。

2.高頻、高效、低壓化、標準化是開關(guān)電源主要發(fā)展趨勢：

1)低電壓化

半導(dǎo)體工藝等級在未來十年將從0.18微米向50納米工藝邁進，芯片所需最低電壓最終將變?yōu)?.6V，但輸出電流將朝著大電流方向發(fā)展。

2)高效化

應(yīng)用各種軟開關(guān)技術(shù)，包括無源無損軟開關(guān)技術(shù)、有源軟開關(guān)技術(shù)，如ZVS/ZCS諧振、準諧振;恒頻零開關(guān)技術(shù);零電壓、零電流轉(zhuǎn)換技術(shù)及目前同步整流用MOSFET代替整流二極管都能大大地提高模塊在低輸出電壓時的效率，而效率的提高使得敞開式無散熱器的電源模塊有了實現(xiàn)的可能。

3)大電流、高密度化

4)高頻化

為了縮小開關(guān)電源的體積，提高電源的功率密度并改善其動態(tài)響應(yīng)，小功率

DC-DC變換器的開關(guān)頻率已將現(xiàn)在的200～500kHz提高到1MHz以上，但高頻

化又會產(chǎn)生新的問題，如開關(guān)損耗以及無源元件的損耗增大，高頻寄生參數(shù)以及

高頻電磁干擾增大等。

5)在封裝結(jié)構(gòu)上正朝著薄型，甚至超薄型方向發(fā)展

2.降壓型PWM AC-DC開關(guān)電源設(shè)計的基本要求

設(shè)計一款降壓型PWM AC-DC開關(guān)電源，設(shè)計參數(shù)如下：

輸入?yún)?shù)：

1.輸入交流電壓：單相AC220V

2.輸入電壓變動范圍： 20%

3.輸入頻率：50Hz 2Hz

輸出參數(shù)：

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1.輸出直流電壓：24V

2.輸出功率：約200W

設(shè)計基本要求:

1.設(shè)計主電路;

2.設(shè)計控制電路和保護電路;

3.計算主電路電力電子器件參數(shù);

4.繪制主電路、控制電路和保護電路電路圖;

5.繪制完整電路圖。

3.電路總體方案的設(shè)計及相關(guān)原理

電源有一種輸入，即單相220V交流電壓，設(shè)計輸入電壓變動范圍為 20%。有一種輸出：24V直流電壓，輸出功率約為200W。交流220V經(jīng)過一個濾波整流電路后得到直流電壓，送入DC-DC降壓斬波電路，控制電路提供控制信號控制IGBT的關(guān)斷，調(diào)節(jié)直流電壓的占空比，最后經(jīng)過LC濾波電路的到所需電壓。通過對輸出電壓的取樣，比較和放大，調(diào)節(jié)控制脈沖的寬度，以達到穩(wěn)壓輸出的目的。開關(guān)電源原理框圖如下：

整流部分是利用具有單向?qū)ㄐ缘亩O管構(gòu)成橋式電路來實現(xiàn)的;濾波部分是利用電容電感器件的儲能效應(yīng)，構(gòu)成LC電路來實現(xiàn)的;降壓部分是利用降壓斬波電路來實現(xiàn)，控制方式為脈寬調(diào)制控制(PWM)，即在控制時對半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形。本次設(shè)計的開關(guān)電源控制時首先保持主電路開關(guān)元件的恒定工作周期(T=ton+toff)，再由輸出信號與基準信號的差值來控制閉環(huán)反饋，以調(diào)節(jié)導(dǎo)通時間ton，最終控制輸出電壓(或電流)的穩(wěn)定。

4.主電路設(shè)計及參數(shù)計算

4.1 主電路的設(shè)計

主電路主要完成對交流的整流濾波，對直流電壓降壓和濾波三個工作。

整流電路圖設(shè)計如下：

工作時的波形圖如下：

將整流后的得到的直流電壓送入降壓斬波電路，通過脈寬調(diào)制控制調(diào)節(jié)輸出電壓平均值，在經(jīng)過LC濾波電路是電壓穩(wěn)定。降壓斬波電路設(shè)計如下圖：

脈寬調(diào)制控制型號有IGBT驅(qū)動電路發(fā)出;RCD保護電路用以緩沖IGBT在高頻工作環(huán)境下關(guān)斷時因為正向電流迅速降低而由線路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。

工作時的波形圖如下：

4.2 主電路的參數(shù)確定

設(shè)計輸入電流為頻率50Hz的單相220V交流電，其脈沖周期為：

經(jīng)過整流后得到的是只有正半部分的正弦波幅值與輸入電壓一樣，但周期為輸入電壓一般，即

設(shè)計輸出電壓為直流24V穩(wěn)壓，電流為8A直流。占空比α通常取0.4~0.45，該電路取α=0.42，考慮IGBT和二極管的導(dǎo)通壓降取0.8V，電感壓降取0.2V。于是可以得到：

設(shè)計輸出功率為200W，所以可以確定：

又由于Uin2=Uo1，確定電阻R1=100Ω，一次側(cè)與二次側(cè)線圈匝數(shù)比N1/N2=2，可以確定整流濾波電路中的回路電流及分壓電阻R0為：

對于整流濾波電路中的四個二極管VD1、VD2、VD3、VD4，它們承受的反向最大峰值電壓為輸入電壓Uin最大值的一半，約為77.8V;流過的最大平均電流約為0.5952A。所以我們可以選擇正向平均電流I(AV)大于0.62A，反向重復(fù)峰值電壓Urrm大于156V的電力二極管用來構(gòu)成全橋。[!--empirenews.page--]

對于斬波電路中的電力二極管VD，承受的最大反向重復(fù)峰值電壓約為84.2V，最大正向平均電流I(AV)約為8.33A，所以我們可以選擇正向平均電流I(AV)大于8.5A，反向重復(fù)峰值電壓Urrm大于169V的電力二極管作為續(xù)流二極管。

對于斬波電路中的IGBT VT，集射極承受的最大電壓Uce約為84.2V，流過的最大電流值約為8.33A，則最大耗散功率約為701.2W。所以我們可以選擇最大集射極間電壓大于85V，最大集電極電流大于8.5A，最大集電極功耗大于723W的IGBT。

綜上所述，主電路的主要參數(shù)如下：

所用電力二極管和IGBT的導(dǎo)通壓降約為0.8V，電感壓降約為0.2V

1.整流濾波電路部分：

一次側(cè)與二次側(cè)線圈匝數(shù)比N1/N2：2

輸入電壓Uin：單相220V交流

輸出電壓Uo1：59.52V直流

回路電流平均值Io1：0.5952A

電阻R0：81.8Ω

電阻R1：100Ω

電力二極管VD1、VD2、VD3、VD4參數(shù)：

正向平均電流I(AV)≥0.62A，反向重復(fù)峰值電壓Urrm≥156V

2.降壓斬波電路部分：

輸入電壓Uin2：59.52V直流

輸出電壓Uo：24V穩(wěn)壓直流

回路電流平均值(輸出電流)Io2：8.33A

輸出功率：200W

電阻R2：2.88Ω

占空比α：0.42

電力二極管：

正向平均電流I(AV)≥8.5A，反向重復(fù)峰值電壓Urrm≥169V

IGBT參數(shù)：

最大集射極間電壓Uces≥85V，最大集電極電流Ic≥8.5A

最大集電極功耗Pcm≥723W

5.控制電路、驅(qū)動電路及保護電路的設(shè)計

5.1 控制及驅(qū)動電路設(shè)計[4]

本文設(shè)計的開關(guān)電源的控制及驅(qū)動電路的核心為三菱公司的M579系列驅(qū)動器。電路圖如下所示：

該集成驅(qū)動器的內(nèi)部包含有檢測電路、定時及復(fù)位電路和電氣隔離環(huán)節(jié)，可在發(fā)生過電流時能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT。輸出的正驅(qū)動電壓為+15V，負驅(qū)動電壓為-10V。

5.2 保護電路的設(shè)計

本文設(shè)計的電源電路主要需要對IGBT在開通時采取di/dt保護和在關(guān)斷時采取過電壓保護，可選擇復(fù)合緩沖電路作為IGBT的保護電路，電路圖如下：

6.課程設(shè)計總結(jié)

通過本次課程設(shè)計，使我更加深刻地理解了直流斬波電路以及開關(guān)電源，了解了開關(guān)電源的基本結(jié)構(gòu)、設(shè)計過程和實現(xiàn)的功能。使我了解到開關(guān)電源在電子設(shè)備、電力設(shè)備和通信系統(tǒng)的直流供電中得到廣泛應(yīng)用，在高頻開關(guān)電源中，DC-DC變換是其核心。隨著半導(dǎo)體技術(shù)的發(fā)展，高集成度，功能強大的大規(guī)模集成電路不斷出現(xiàn)，使電子設(shè)備不斷縮小，重量不斷減輕，相應(yīng)地要求系統(tǒng)供電電源的體積和重量相應(yīng)減小，如何減小開關(guān)電源的體積，提高其效率，是將在在設(shè)計開關(guān)電源的過程需要著重考慮的一個方面。

本文首先對開關(guān)電源的發(fā)展歷史、當(dāng)下發(fā)展狀況以及將來的發(fā)展趨勢作了簡要的介紹，隨后闡述了降壓型AC-DC開關(guān)電源的核心部分——DC-DC轉(zhuǎn)換器(降壓斬波電路)的拓撲結(jié)構(gòu)及其工作原理，描述了DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制方法——脈寬調(diào)制控制(PWM)，并詳細介紹了該控制方法的基本原理。在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一款基于電壓控制模式的PWM降壓型AC-DC開關(guān)電源，設(shè)計的內(nèi)容包括主電路的設(shè)計、控制及驅(qū)動電路的設(shè)計和保護電路的設(shè)計，每個部分均給出設(shè)計電路圖，重點分析了主電路的工作原理，并給出設(shè)計參數(shù)。

參考文獻

[1]. 王兆安、黃俊. 電力電子技術(shù). 機械工業(yè)出版社.2000

[2]. 趙同賀.開關(guān)電源設(shè)計技術(shù)與應(yīng)用實例. 人民郵電出版社.2007

[3]. (美) Raymond A. Mack Jr. 開關(guān)電源入門.人民郵電出版社.2007

[4]. 童詩白、華成英.模擬電子技術(shù)(第四版).高等教育出版社.2006

[5]. 王水平. PWM控制與驅(qū)動器使用指南及應(yīng)用電路. 西安電子科技大學(xué)出 辦社.2005

[6]. 王兆安.電力電子交流技術(shù)(第4版).機械工業(yè)出版杜.2007

[7].脫立芳.降壓型PWMDC_DC開關(guān)電源技術(shù)研究.西安電子科技大學(xué)碩士學(xué)位論文.2008

附錄

本文所設(shè)計的降壓型PWM AC-DC開關(guān)電源完整電路圖如下：

[1] 1.1.1小節(jié)部分引用于(美) Raymond A. Mack Jr.的《開關(guān)電源入門》

[2] 1.1.2小節(jié)部分引用于王兆安編寫的《電力電子交流技術(shù)(第4版)》和王兆安與黃俊共同編寫的《電力電子技術(shù)》[!--empirenews.page--]

[3] 1.2節(jié)部分引用于脫立芳的碩士學(xué)位論文《降壓型PWMDC_DC開關(guān)電源技術(shù)研究》和趙同賀的《開關(guān)電源設(shè)計技術(shù)與應(yīng)用實例》

[4] 5.1節(jié)參考了王水平.編寫的《PWM控制與驅(qū)動器使用指南及應(yīng)用電路》和童詩白、華成英共同編寫的《模擬電子技術(shù)第四版》