开关稳压电源的设计与分析 毕业论文

2010届毕业设计（论文）

题

专 业

学

姓

指 导

学 院 目：班 级： 号: 名：教 师：名 称： 开关稳压电源的设计与分析 2007电子信息工程（1）班 Z071070006 刘永丽 韩焱青副教授 电气信息学院

2010年3月15日

开关稳压电源的设计与分析 毕业论文

开关稳压电源的设计及参数计算

Swiching power supply design and parameters

calculation

学 生 姓 名: 指 导 教 师: 刘永丽 韩焱青副教授

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摘 要

随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用, 人们对其需求量日益增长, 并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务。信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而促进了开关电源技术的发展。开关电源的高频变换电路形式很多, 常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。本毕业设计论文阐述一种利用脉冲宽度调制（PWM）技术配合高速电子开关、高频电子变压器和LC滤波器实现交流开关式稳压电源的实现思路并组装出样机予以测试。与传统的可控硅调角式交流稳压电源相比，具有效率高、体积小、非线性失真度低、输出电压和电流稳定等特点。

关键词：开关电源；PWM技术；高速电子开关；LC滤波器

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Abstract

With the switch power supply in computer, communication, aerospace, instrumentation and electrical appliances, etc, to its wide application, and growing demand for power efficiency, volume, weight and reliability, etc. To put forward higher request. Switching power supply with its high efficiency, small volume, light weight, etc advantages in many respects gradually replaced the efficiency is low, the stupid and heavy linear power. Power electronic technology development, especially the power MOSFET device IGBT and the rapid development of switch power supply, will work to improve the frequency of high level, which has high stability and high performance characteristics. The main purpose of the switch power supply technical services for the information industry is one. The development of information technology on power technology and put forward higher request, so as to promote the development of switch power technology. Frequency conversion of switch power supply circuit, common forms of push-pull, all have transform circuit, half bridge, bridge and single straight excitation flyback etc. This paper expounds a kind of graduation design using pulse width modulation (PWM) technology with high frequency electronics electronic switch, transformer and LC filters communicate switch manostat realization ideas and assembling a prototype. With the traditional thyristor adjustable Angle interfluent stable power supply, high efficiency, small volume, low degree of nonlinear distortions, output voltage and current stability etc

Keywords ：Switching power supply；PWM technology ；High-speed electronic switch ；LC filters

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目 录

摘 要 ................................................................................................................................................................ I ABSTRACT ...................................................................................................................................................... II

第一章 绪论 ........................................................................................................................................................ 1

1.1 概述 ................................................................................................................................................................ 1

1.2 开关稳压电源的发展趋势 ..................................................................................................................... 2

1.3数字开关稳压电源的优点 ..................................................................................................................... 2

1.4设计指标要求 ............................................................................................................................................. 3

第二章 系统组成及原理 ............................................................................................................................ 4

2.1 交流开关式稳压电源电路组成结构 .................................................................................................. 4

2.2 开关式稳压电源的基本工作原理 ...................................................................................................... 4

2.3 交流开关式稳压电源工作原理描述 .................................................................................................. 5

第三章 电路设计及分析 ............................................................................................................................ 7

3.1 脉冲宽度调制（PWM）电路 .................................................................................................................. 7

3.2 高速电子开关电路 ................................................................................................................................. 14

3.3 电压和电流取样电路 ............................................................................................................................ 16

3.4 微处理器部分 ........................................................................................................................................... 17

3.5 隔离与驱动电路的设计........................................................................................................................ 20

3.6 整流和滤波电路 ...................................................................................................................................... 20

3.7 系统供电电路 ........................................................................................................................................... 21

第四章 制作与调试 ..................................................................................................................................... 23

4.1 微处理器的调试 ....................................................... 23

4.2 AD转换器的调试 ....................................................... 23

4.3 DA转换器的调试 ....................................................... 23

4.4 LCD显示器的调试 ...................................................... 23

4.5 键盘的调试 ........................................................... 24

4.6 主整流和滤波电路的调试 ............................................... 24

4.7 三角波的调试 ......................................................... 24

4.8 正弦波调试 ........................................................... 24

4.9 观测PWM波形 ......................................................... 24

4.10 观测已经解调后的正弦波波形 .......................................... 25

4.11 连程序总调 .......................................................... 25

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第五章 性能指标测试 ................................................................................................................................ 26

第六章 结论 ...................................................................................................................................................... 27 致谢 ......................................................................................................................................................................... 28 参考文献 .............................................................................................................................................................. 29

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第一章 绪论

在国际上，自美国在20世纪50年代相继出现单端式和推挽式开关电源之后，在60年代就提出了要逐步取消工频整流式电源的要求。70年代，SG公司首先制造出了单片集成脉宽调制（PWM）控制芯片，使开关电源更加小型化，可靠性也得到了进一步的提高。

80年代初英国较早地研制了48V成套高频开关式通信电源系统，从那时到现在的十几年中，美国、德国、加拿大、澳大利亚、新西兰、瑞典、日本、法国、西班牙、挪威等国家，都先后研制出了高频开关式通信基础电源系统，并得到了推广应用。

尽管通信基础电源系统的容量比较大，但还是紧跟开关电源技术的发展而不断进步。各种开关电源的发展方向基本上都是采用更先进的新器件、新技术、新材料、新工艺逐步减少开关电源的体积和重量，改善电气性能指标，提高工作可靠性，降低对电网的污染，消除对其他设备的干扰，增强智能化程度等等。

1.1 概述

目前空间技术、计算机、通信、雷达及家电中的电源逐渐被开关电源取代。现在一般应用的串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源。这种传统的串联稳压器，调整管总是工作在放大区，流过的电流是连续的，这种稳压器的缺点是承受过载和短路的能力差、效率低，一般只有35~60%。由于调整管上损耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器。而开关电源的调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率可达70~95%，稳压器体积小、重量轻，调整管功率损耗较小，散热器也随之减小。此外，开关频率工作在几十kHz，滤波电感、电容可用较小数值的元件，允许的环境温度可可以大大提高。

本毕业设计的宗旨就是如何将比较容易实现的开关式电源方案引用到交流电源稳定的场合

本毕业设计论文阐述一种利用脉冲宽度调制（PWM）技术配合高速电子开关、高频电子变压器和LC滤波器实现交流开关式稳压电源的实现思路并组装出样机予以测试。与传统的可控硅调角式交流稳压电源相比，具有效率高、体积小、非线性失真度低、输出电压和电流稳定等特点。

本文先从交流开关稳压电源的实现机理逐步展开，涉及到可控正弦波产生器、三角波发生器、比较器、脉冲宽度调制（PWM）器、高速电子开关、高频电压变换器以及微处理器及其周边元部件等，都给与较为详尽的阐述。接着对组装、调试、检测等也有相应的介

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绍，最后给出了按设计要求所测试的结论。

1.2 开关稳压电源的发展趋势

（1）非隔离DC／DC技术迅速发展近年来， 非隔离DC／DC技术发展迅速。现在的非隔离的DC，DC基本上分成两大类。一是在内部含有功率开关元件，称DC，DC转换器；二是不含功率开关．需要外接功率MOSFET，称DC，DC控制器 按照电路功能划分有降压的BUCK、升压的BOOST，还有升降压的BUCK—BOOST等． 以及正压转负压的INVERTOR等。其中品种最多芨展最快的是BUCK型。控制方式以PWM 为主。

（2）初级PWM控制IC不断优化有源筘位技术自从2002年VICOR公司此项专利技术到期解禁之后 新型有源箝位控制IC纷纷涌现。在大功率领域，全桥移相ZVS软开关技术在解决开关电源的效率上功不可没。INTERSIL公司推出的PwM 对称全桥的ZVS控制IC—ISL6752,既能控制初级侧的四个MOS开关为ZVS工作状态，又能准确地给出控制二次侧的同步整流为ZVS工作状态的驱动信号。采用这种IC制作的100W 的DC，DC再加上先进的功率MOSFET，转换效率可达到95％ 。小功率的开关电源仍用反激变换器的PWM 来控制IC。低压DC，DC领域Linear公司的LTC38o6不仅能控制好PWM，还给出准确的二次侧同步整流驱动信号，是比较好的低压小功率电源控制IC 。

(3)数字化开关稳压电源,传统的开关稳压电源中最基本的稳压电源有六种：BUCK、BOOST、 BUCK—BOOST、CUK 、ZETA 、SEPIC 。其中以BUCK和BOOST最基本，其它四种是从中派生的。许多模拟电源系统能满足当今电子系统的要求。但以目前电子信息发展趋势，未来电源系统将朝向两极化方向发展：模块化微型电源和具有多功能用途的大型电源。大型电源的发展将趋向大型化、模块化、智能化、网络化。大型电源设备组成复杂，同时又需要以模块化方式满足不同的应用需求，因此应用数字控制技术于电源控制将是未来发展的趋势。数字化开关稳压电源是数字信号处理与模拟技术的新结合点。数字信号处理近年来在理论取得了重大的发展而且在应用上日益扩大。DSP是为实现数字信号处理的专用处理器， DSP器件具有较高的集成度以及更高的效率可以高速处理极为大量的数字化数据，因而应用到广泛数字化器件当中。其中TI推出的数字电源的新产品包括UCD9K、UCD8K及UCD7K系列辅助器件。

1.3数字开关稳压电源的优点

（1）可编程：比如通讯、检测、遥测等所有功能都可用软件编程实现

（2）易于设计、配置、稳定、调节：通过编写几行简单的代码，就可以将数字集成电路

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配置成各种需要的稳压器，如升压、降压，负输出、SEPIC、反激式或正激式等。

（3）有直接监控、处理并适应系统条件的能力，能满足任何复杂的电源要求。

（4）通过远程诊断确保持续的系统可靠性，包括故障管理、过电流保护以及避免停机等。

1.4设计指标要求：

（1）输入电压 80V－260V

（2）输入频率 50Hz±0.5Hz

（3）输出电压 5V

（4）输出电流 10A

（5）输出频率 跟踪输入频率

（6）电源效率 ≥75%

（7）谐波失真 ≤1%

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第二章 系统组成及原理

2.1 交流开关式稳压电源电路组成结构

交流开关式稳压电源由市电直接整流滤波产生直流电压为

型值为220V×倍的输入交流电压（典=311V 直流电压）、电压互感器直接从市电感应出标准正弦波与三角波产生电路配合高速比较器组成脉冲宽度调制器（PWM）、经由反向器、高速电子开关、高频输出变压器、LC 滤波器和多级LC 滤波器、电压和电流取样电路、系统供电电路以及智能微处理器芯片及周边部件（键盘、显示、A/D和D/A等）组成，如图2-1所示。

图2-1 装置的总体框图

2.2 开关式稳压电源的基本工作原理

开关稳压电源将来自市电整流滤波不稳定的直流电压变换成交变的电压。然后又将交变电压转换成各种数值稳定的直流电压输出，开关稳压电压电路中的调整管工作在开关状态，即主要工作在饱和导通和截止两种状态。

开关式稳压电源按控制方式分为调宽式和调频式两种，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。因此下面就主要介绍调宽式开关稳压电源。

对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压Vo

取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其

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直流平均电压值就越高。直流平均电压V可由公式计算，u0vo=vm×tOn／T，式中V m为矩形脉冲最大电压值，T为矩形脉冲周期；ton为矩形脉冲宽度，从上式可以看出，当Vm与T 不变时，直流平均电压VO将与脉冲宽度tOn 成正比。这样，只要我们设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。

2.3 交流开关式稳压电源工作原理描述

由三角波产生电路产生150KHz的三角波，由低频正弦波产生电路产生50Hz的正弦波，两个信号分别同时送到比较器的同相和反相输入端，在比较器的输出端将产生矩形波，该矩形波的频率同150KHz 的三角波相同，该矩形波的脉冲宽度受50Hz 正弦波实时幅度的调制后随50Hz 正弦波实时幅度而变化，即已调制矩形波。将其送到高速电子开关的其中一个输入端，并经过一级反向器反向，送到高速电子开关的另外一个输入端。 市电整流滤波获得的倍于输入交流电压（典型值约为311V左右）的直流高电压送到高速电子开关的电源输入端，高速电子开关的两个输出端由两个反向的输入矩形波驱动，从约311V直流电源取得能量后分别经过一级短时间常数的LC滤波电路连接到高频开关变压器初级，该LC 滤波电路的作用是使得进入高频开关变压器初级的矩形波脉冲的拐角趋于圆滑，以降低其高频谐波。

高频开关变压器的初、次级还起到对市电隔离的作用，高频开关变压器的次级获得交变的、拐角圆滑的矩形波电压经过多级长时间常数的LC 滤波电路，将150KHz 高频信号滤除，还原出50Hz 正弦波的调制信号送到负载用于对负载供电。电压和电流取样电路从负载上获取电压和电流信号，分别送两路A/D 转换器转换，变成离散的数字信号，一方面用于通过微处理器处理后进行实时显示，另一方面用于通过微处理器处理后送D/A 转换器变换为模拟量，经过光电隔离驱动电路控制正弦波发生器的幅值，又经过比较器、反向器、高速电子开关、LC 滤波、高频开关变压器、多级LC 滤波等电路，用于控制负载上电压或电流的稳定，也可扩展一些功能比如调整负载上的电压和电流。

电压互感器的作用是为了从市电中获得低谐波失真的标准正弦波，经由正弦波产生电路控制其幅值，键盘用于输入准备向负载提供的电压或电流值

开关脉冲发生器：有振荡器组成，产生开关脉冲，脉冲的宽度受比较放大器输出电压控制。由于采样电路，基准电压和比较放大器构成的是负反馈系统，股输出电压U0升高时，比较放大器输出控制电压降低，是开关脉冲宽度变窄，反之，输出电压U0下降时，控制电

压升高，开关脉冲宽度变宽。

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开关调整管：由功率管组成，在开关脉冲的作用下，工作在开关状态，开关脉冲越宽控制调整管导通时间越长

储能滤波电路：它由电感L、电容C、二极管D组成。它把调整管输出的矩形脉冲波电压变成连续的平滑直流电压。调整管时间长，输出直流电压就高，反之则低。

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第三章 电路设计及分析

3.1 脉冲宽度调制（PWM）电路

根据脉宽度冲调制原理，得到需要的一定占空比脉冲宽度，推动开关功率管的开与关，经变压器耦合后得到恒定的输出电压。脉冲宽度调制信号就是由PWM比较器产生。芯片的控制速度、效率、功耗很大程度上都是由PWM比较器决定。文中设计并实现了一种新型高性能的开关电源电压型PWM比较器，具有较低输入失调电压、转换速率快、较低功耗和波形更陡。

PWM产生电路由正弦波产生电路、三角波产生电路和比较器三个部分组成，正弦波加到比较器的反向输入端，三角波加到比较器的同向输入端，比较器输出端产生受正弦波瞬时幅度而变化的脉冲宽度调制波。

图3-1是电压型PWM比较器工作波形，输入三角波接在比较器的反向输入端，误差放大器的输出信号送至比较器同相输入端，经放大后输出PWM信号。

图3-1 PWM工作波形图

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3.1.1 正弦波电路结构及分析

（1）正弦波振荡的条件

振荡平衡条件：AF=1

幅度平衡条件：|AF|=1；相位平衡条件：φA+φF=2nπ（n=0，1，2......）

起振条件：AF>1

幅度起振条件：|AF|>1；相位平衡条件：φA+φF=2nπ（n=0，1，2......）

（2）正弦波产生电路

其组成包括基本放大电路A；反馈网络F；选频网络；稳幅环节。以保证产生单一频率和幅值稳定的正弦波。根据选频网络的不同， RC桥式、三点式振荡正弦波振荡电路的电路结构、工作原理和振荡频率计算也不同。

（3）正弦波发生电路的分析方法：

Ⅰ分析电路的组成是否满足正弦波发生电路的组成要求。

Ⅱ分析放大电路跟否正常工作：分立器件电路，检查静态工作点Q是否合适，对集成运放，检查输入端是否有直流通路。

Ⅲ检查电路是否满足自激条件：（1）幅值条件 （2）相位条件

Ⅳ估算振荡频率fo，它取决于选频网络的参数。

正弦波的来源采用直接从市电的220V/50Hz的正弦波，利用电压互感器变换成较低电压的50Hz 正弦波（例如5V）经过一系列的控制和变换得到所需要的交流正弦输出电压。

考虑到设计指标的要求，即输出频率跟踪输入市电的频率，由于采用电压互感器将市电信号引出，可获得较准确的和低失真的输出频率信号。该正弦波谐波失真度取决于市电的谐波失真度和互感器的参数，其输出幅度由D/A 转换器控制光电耦合器驱动电路实现，D/A转换器输出信号控制光电耦合器导通程度，与分压电阻分压后产生交流和直流叠加的电压，经过电容隔直后送到放大器输出所需的交流信号。D/A控制信号产生的原则是：根据输出到负载上的电压和电流配合市电的电压幅度大小进行综合运算，由微处理器向D/A 转换器提供通过综合运算的数字量使得提供给负载的输出电压（或电流）趋于稳定。可控正弦波产生电路的电路图如图3-2所示。

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图3-2 可控正弦波产生电路

市电220V 的交流电经过电压互感器原边传送到副边，该副边信号与外接直流电源E 叠加，提供给光电耦合器与分压电阻一起分压，光电耦合器的等效阻抗由来自D/A 转换器的信号强度决定，经过分压后由电容器隔离直流分量，仅保留交流分量送运算放大器进行若干倍的放大（这里选5 倍）后产生随D/A 信号幅度大小而控制的纯净交流信号量，传到下一级进行A/D转换。

图3-2中，外接直流电源的作用是为了使光电耦合器中的三极管在电压互感器输出信号的负半周也能可靠导通。该电源采用一个小功率变压器由市电降压，经过整流、滤波和稳压后来提供，该电压要求高于电压互感器副边最大可能的电压峰峰值即双幅值，且再留有光电耦合器C－E之间最小工作电压，再留几伏特的余量。

选择电压互感器为220V:5V，根据输入参数要求为输入电压在80V 到260V之间，即输入电压最大值260V，显然220:5=260:Vo，则输出电压最大有效值

Vo =5×260÷220 = 5.9V

双幅值为2××5.9V＝16.7V

设光电耦合器导通所需要的最小工作电压为3.6V，外加一定的余量3.6V，则该外部电源所需要提供的电压E为

E＝16.7V ＋3.6 V＋3.6＝23.9V 实际取24V，稳压用78L24实现。

系统中比较器控制部件的直流供电电压±15V由变压器降压、整流、滤波和稳压，稳压用78L15和79L15实现。下面有详细说明。

3.1.2 三角波发生器的电路结构及分析

由于本PWM波的产生电路主要靠高频三角波和低频调制波通过比较器实现调制，并且又由于本课题要求输出50Hz 正弦波，所以其调制波应为50Hz 正弦波。

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三角波和正弦波的产生可以由微处理器通过D/A转换器来实现，也可以由硬件电路直接实现，考虑到软件编程的难易程度，本课题拟用硬件电路直接实现，三角波为用运算放大器配合阻容元件实现，即先由方波经过电容几分电路后产生，正弦波为采用电压互感器从市电变换而得到标准的、低谐波失真的50Hz波形。理想的三角波涉及到无限的d2V/dt2，所以高保真三角波应有极宽的带宽。微功耗电路带宽相当窄，因此用这种电路产生良好的三角波是有问题的。导致运放不能提供所需的瞬时输出开关电流而产生具有大量的毛刺脉冲的极坏波形。你只要加大电阻器阻值和减小电容器电容值，就可使波形有所改善，但这种改善非常有限，而且电路会增大噪声，容易受到干扰。由一般理论知识可知，三角波可以由方波通过积分电路来实现，方波的产生可以有很多种电路形式。本课题采用运算放大器实现方波的产生，并用运算放大器设计电容积分电路产生三角波，其电路图如图3-3所示

图3-3三角波发生器的电路结构

对于方波发生器，有

对于积分电路，有

不难分析，由Rf对C1的充电和放电过程来看，运算放大器A1输出为50%占空比的矩形波，即方波，送到由A2、R4、C2组成的绩分电路分别进行正向积分和反向积分后，便从A2的输出端产生三角波。由于电路要求三角波的频率为150KHz，实际上三角波的频率完全取决于方波发生器的方波频率。影响方波发生器的频率的因素有Rf和C1以及R1与R2，当R1、R2和C1固定时,仔细调节Rf，不难获得150KHz 的标准方波。而R5 和C2

的