1、洛阳理工学院毕业设计（论文）I自激式开关电源设计摘 要随着电力电子技术的发展和新型功率元器件的不断出现，开关电源技术得到了飞速的发展，在计算机、通讯、电力、家用电器、航空航天等领域得到广泛应用，取得了显著的成果。论文主要完成的内容有：（1）根据设计需要选择开关电源电路；（2）设计输入整流滤波电路，并确定相关器件参数；（3）设计输出电路，并确定相关器件参数；（4）设计电压反馈电路；（5）通过实验和计算对设计中的数据进行验证。本论文对开关电源的滤波、整流、反馈电路等分别作了细致的研究工作，通过实验和计算，掌握了开关电源设计的核心技术，并对设计过程进行了详尽的阐述。关键词: 开关电源，电力电子技术，
2、整流，自激式振荡洛阳理工学院毕业设计（论文）IISelf-excited Switching PowerABSTRACTWith the development of the electronic technology and the emerging of new power components, switching power supply has been widely used in computer, communications, electricity, home appliances and aerospace fields, achieving remarkable res
3、ults. The main content of the papers are: (1)Choose switching power supply circuit based on the requirement; (2)Design input rectifier filter circuit and identify the relevant device parameters; (3)Design rectifier output and establish the relevant device parameters; (4)Design voltage feedback circu
4、it; (5)Validate data of the designing by adoption of experimental and computations.In the thesis , the switching power supply filtering, rectifier and the feedback circuit are studied in details. The main technology of designing switching power supply is obtained by experiments and calculations. The
5、 design process is specified also.KEY WORDS: Switching Power Supply, Electronic technology ,Bridge Rectifier, Self-excitation洛阳理工学院毕业设计（论文）III目 录前 言 .1第 1 章 开关电源基础技术 .21.1 开关电源概述.21.1.1 开关电源的工作原理 .21.1.2 开关电源的组成 .31.1.3 开关电源的特点 .41.1.4 开关电源的主要技术指标 .41.2 开关电源的分类.51.3 开关电源设计中存在的问题与未来发展.111.3.1 开关电源设计中
6、存在的问题 .111.3.2 开关电源的发展趋势 .12第 2 章 自激式开关电源元器件的选用 .132.1 开关晶体管.142.1.1 电力场效应管 MOSFET .142.1.2 绝缘栅双极晶体管 IGBT.162.2 二极管.172.2.1 开关二极管 .172.2.2 稳压二极管 .172.2.3 快速恢复二极管及超快速恢复二极管 .182.3 光电耦合器.192.4 器件 TL431.222.5 自动恢复开关.232.6 热敏电阻.24第 3 章 自激式开关电源的设计 .263.1 总体设计.263.2 电路模块设计.273.2.1 启动与滤波电路 .273.2.2 DC/AC 变换
7、电路 .28洛阳理工学院毕业设计（论文）IV3.2.3 反馈与保护电路 .293.2.4 输出转换电路 .303.3 开关电源设计相关参数计算.31结 论 .32谢 辞 .33参考文献 .34附录 .35外文资料翻译 .36洛阳理工学院毕业设计（论文）1前 言电源power supply; power source 向电子设备提供功率的装置。把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能.发电机.电池本身并不带电,它的两极分别有正负电荷,由正负电荷产生电压( 电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的 ),电荷导体里本来就有,要产生电流只需要加上电
8、压即可,当电池两极接上导体时为了产生电流而把正负电荷释放出去,当电荷散尽时,也就荷尽流(压)消了.干电池等叫做电源。通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。能提供信号的电子设备叫做信号源。晶体三极管能把前面送来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去。晶体三极管对后面的电路来说，也可以看做是信号源。整流电源、信号源有时也叫做电源。开关电源技术是一门运用半导体功率器件实现电能的高频率变换，将粗电变换成精电，以满足供电质量要求的技术。由于在开关电源中半导体功率器件工作在高频开关方式，因此它具有高效率，高功率密度，高可靠性。由于开关电源的突出优点，开关电源更替线性电源是
9、发展的必然趋势。近年来，由于微型计算机的普及，通信行业的迅猛发展，推动了开关电源技术的进步和产业的迅速发展。开关电源具有功耗小、功率高、稳压范围宽、体积小(重量轻)等突出优点，在通讯设备、数控设备、仪器仪表、影音设备、家用电器等电子电路中得到广泛应用。由于价格低廉，电路简单，目前仍有较多的电子设备采用自激式开关电源完成多种电压输出，包括升/降电压、改变极性等功能。自激式开关电源触发开关管的信号由自激振荡产生，在一定程度上简化了电路。基本的自激式开关电源是不隔离式的，输入电压经开关管控制后构成输出电压，输入与输出共有负极为公共端。采用不隔离的开关电源的用电设备当由市电整流输出时，用电设备可能接有
10、交流高压的输入，因此其应用条件和范围有所限制。洛阳理工学院毕业设计（论文）2第 1 章 开关电源基础技术1.1 开关电源概述1.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理可以用图 1-1 进行说明。图中输入的直流不稳定电压 Ui经开关 S 加至输出端， S 为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关 S 按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压 Ui 变成矩形脉冲电压。这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压 Uo。U iSU i0T O N U 0t0t0( b )V( a )U 0(a) 电路图；(b) 波形图图 1-1 开关电源的工作原理为方便分
11、析开关电源电路，定义脉冲占空比如下：D= (1-1)ONT式中，T 表示开关 S 的开关重复周期；T ON 表示开关 S 在一个开关周期中的导通时间。开关电源直流输出电压 Uo 与输入电压 Ui 之间有如下关系：Uo=UiD (1-2)由式(1-1)和式（1-2）可以看出，若开关周期 T 一定，改变开关 S 的导通时间 TON，即可改变脉冲占空比 D，从而达到调节输出电压的目的。 T 不变，只改变 TON 来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调制（ PWM） 。由于 PWM 式洛阳理工学院毕业设计（论文）3的开关频率固定的，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此 PWM 式开关电源用得
12、比较多。若保持 TON 不变，利用改变开关频率 =1/T 实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压 Uo 稳压的方法，称做脉冲频率调节（ PFM） 。由于该方式的开关频率不固定，因此输出滤波电路的设计不易实现最优化。即改变TON,又改变 T，实现脉冲占空比调节的稳压方式叫做脉冲调频调宽方式。在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节的稳压方式均有应用。1.1.2 开关电源的组成开关电源的组成如图 1-2 所示。其中 DC/DC 变换器用以进行功率交换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由他激
13、或自激电路产生，可以是 PWM 信号、PFM 信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。图 1-2 开关电源的基本组成DC/DC 变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的 PWM 变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普通。开关电源与线性电源相比，其输入的瞬态变换比较多的表现在输出端，在提高开关频率的同时，由于比较放大器的频率特性得到改善，开关电源的瞬态响应指标也能得到改善。开
14、关电源的负载变换瞬态响应主要由输出端 LC 滤波器的特性决定，所以可以通过提高开关频率、降低输出滤波器 LC 的方法来改善瞬态响洛阳理工学院毕业设计（论文）4应特性。1.1.3 开关电源的特点开关电源具有如下特点：（1）效率高。开关电源的功率开关调整管工作在开关状态，所以调整管的功耗小，效率高，一般在 80%90%,高的可达 90%以上。（2）重量轻。由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，从而使重量只有同容量线性电源的 1/5,体积也大大缩小了。（3）稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在 90270V 内变化时，输出电压的变化在2% 以下。合理设计开关电源电路，还可使
15、稳压范围更宽，并保证开关电源的高效率。（4）安全可靠。在开关电源中，由于可以方便的设置各种形式的保护电路，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠。（5）功耗小。由于开关电源的工作频率高，一般在 20kHz 以上，因此滤波元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。1.1.4 开关电源的主要技术指标开关电源有以下主要技术指标。（1）输入电压变化范围：当稳压电源的输入电压发生变化时，使输出电压保持不变的输入电压的变化范围
16、。这个范围越宽，表示电源适应外界电压变化的能力越强，电源使用范围越宽。它和电源的误差放大、反馈调节电路的增益以及占空比调节范围有关。目前开关电源的输入电压变化范围已达到 90270V ，可以省去许多电器中的 110V/220V 转换开关。（2）输出内阻 Ro:输出电压的变化量 Uo 与输出电流的变化量 Io 的比值。这个比值越小，表示电源输出电压随负载电流的变化越小，稳定性越好。（3）效率 ：电源输出功率 Po 与输入功率 Pi 的比值。这个比值越高，开关电源的体积越小，同时可靠性也越高。目前开关电源的效率可达到 90%以上。（4）输出纹波电压：由于开关电源的稳压过程是一个不断反馈调节的过程，
17、洛阳理工学院毕业设计（论文）5因此在输出的直流电压 Uo 上会出现一个叠加的波动的纹波电压，即输出纹波电压。这个电压值越小，表示电源的输出性能越好。这个参数的表示有两种方法：一是输出纹波电压有效值；二是输出纹波电压的峰峰值 Upp。（5）输出电压调节范围：由于电源的输出电压只和基准电压与输出取样电路的元器件参数有关，因此，输出电压调节范围反应在线性电源上时稳压调整管集电极电流的变化范围。（6）输出电压稳定性：输出电压随负载变化而变化的特性，这个变化量越小越好。它主要和反馈调节回路的增益及频响特性有关。反馈调节回路增益越高，基准电压 UE 越稳定，输出电压 Uo 的稳定性越好。（7）输出功率 P
18、o：电源能输出给负载的最大功率，它和负载功率有关。为了保证电源安全，要求输出功率有 20%50%的裕量。1.2 开关电源的分类现在，电子技术和应用迅速的发展，对电子仪器和设备的要求是：在性能上，更加安全可靠；在功能上，不断地增加；在使用上，自动化程度要越来越高；在体积上，要日趋小型化。这使采用具有更多优点的开关稳压电源就显的更加重要了。所以，开关稳压电源在计算机、通信、航天、彩色电视机等方面都得到了越来越广泛的应用，发挥了巨大的作用，这大大促进了开关稳压电源的发展，从事这方面的研究和生产人员也越来越多。图 1-3 给出了各种类型的开关稳压电源的原理图。常见的开关稳压电源分类方法有已下几种：1按
19、激励方式划分（1）它激式它激式开关电源必须有一个振荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。电路中专设激励信号产生的振荡器，电路形式如图 1-3（c）所示。（2）自激式自激式开关电源利用电源电路中的开关晶体管和高频脉冲变压器构成正反馈电路，来完成自激振荡，使开关电源输出直流电压。在显示设备的 PWM 式开关电源中，自激振荡频率同步于行频脉冲，即使在行扫描电路发生故障时，电源电洛阳理工学院毕业设计（论文）6路仍能维持自激振荡而有直流输出电压。开关管兼作振荡器中的振荡管，电路形式如图 1-3（d）所示2按调制方式划分（1）脉冲调制型振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和
20、调节输出电压的大小，有时通过取样电路，耦合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。（2）频率调整型频率调整型占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。（3）混合型 通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。3按开关管电流的工作方式划分（1）开关型用开关晶体管把直流变成高频标准方式，电路形式类似于他激式。（2）谐振型开关晶体管与 LC 谐振回路将直流变成标准的正弦波，电路形式类似于自激式。4按开关晶体管的类型划分（1）晶体管型采用晶体管作为开关管，电路形式如图 1-3（b）所示。（2）可控硅型采用可控硅作为开关管，这种电路的特点是直接输交流电，不需要一次整流部分，其电路形式如图 1-3（g）所示。5按储能电感与负载的连接方式划分（1）串联型储能电感串联在输入与输出电压之间，电路形式如图 1-3（a）所示。（2）并联型 储能电感并联在输入与输出电压之间，电路形式如图 1-3（b）所示。6按晶体管的连接方式划分（1）单端式
