高稳定度直流电源-24v设计.doc

高稳定度直流电源设计（2011）毕业设计说明书高稳定度直流电源设计专业电气工程及其自动化学生姓名班级学号指导教师完成日期高稳定度直流电源设计摘 要：叙述开关电源的发展与现状，简要介绍开关电源的分类、发展动向及其意义；阐述了直流开关电源的结构和工作原理，对开关电源的主电路和控制回路进行设计：在主电路的输入回路中整流电路采用单相桥式整流，其中还设计了低通滤波电路、整流滤波电路和其他形式的滤波电路。此设计中功率转换电路采用半桥型DC/DC变换器，这是开关电源的核心部分，对此部分进行了重点分析和设计；控制电路采用电压型PWM控制，控制器采用开关电源集成控制器SG3525A，并对其特点、结构和工作原理作了简单介绍，对于系统的结构也进行了重点设计，并对其各个部分进行了元器件的选择和参数计算。其他部分还设计了保护电路和辅助电源电路。最后，用MATLAB仿真软件对主电路进行仿真测试，通过仿真测试结果对该直流电源设计的合理性进行判断，视其稳定性是否符合设计要求。关键词：DC/DC变换器；PWM控制；SG3525A；MATLAB仿真Design of High Stability DC Power SupplyAbstract: Describing the development and current situation of switching power supply, switching power supply briefly introduced the classification, development trend and its significance;DC switching power supply described the structure and working principle of the switching power supply of the main circuit and control circuit design:In the main input loop circuit using single-phase rectifier bridge rectifier circuit, which also designed the low-pass filter circuit, the rectifier filter circuit, and other forms of filter circuit.This design, half-bridge type power conversion circuit using DC / DC converters, switching power supply which is the core of the focus of this part of the analysis and design;PWM control circuit with voltage control, switching power supply controller with integrated controller SG3525A, and its characteristics, structure and working principle is briefly introduced, the structure of the system carried on the key design and the various parts of the element of its Device selection and parameter calculations.Also designed to protect other parts of the circuit and the auxiliary power supply circuits.Finally, the main circuit simulation software MATLAB simulation test, the simulation results of the DC power to judge the rationality of the design, depending on whether it meets the design requirements of its stability.Key Words: DC/DC transformer;PWM control;SG3525A;MATLAB Simulation.目 录1 概述11.1 开关电源的发展与现状11.2开关电源的分类21.3开关电源的发展动向及其意义32 总体设计方案42.1 设计方案的提出42.2 方案的论证53 开关电源输入回路的设计63.1 低通滤波电路的设计63.2 整流滤波电路的设计63.3 其他形式滤波电路83.4 稳压电路93.5 参数计算以及元器件的选择104 DC/DC变换器的设计124.1 控制方式的选择124.2 功率转换电路的选择124.3 参数的计算14 4.3.1 变压器设计14 4.3.2 电感的参数计算15 4.3.3 二极管和电容器的选择15 4.3.4 开关管的选择165 控制电路的设计185.1 控制模式的选择185.2 开关电源集成控制器20 5.2.1 SG3525A的特点20 5.2.2 SG3525A的引脚介绍20 5.2.3 SG3525A芯片的工作原理21 5.2.4 SG3525A的基本功能225.3 保护电路的设计245.4 辅助电源电路286 MATLAB仿真测试297 结束语31参考文献32致 谢33附 录34 附录1 开关电源原理图35 附录2 系统仿真图36高稳定度直流电源设计（2011）高稳定度直流电源设计1 概述 随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源。进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源和线性电源相比，其成本低、效率高、体积小、重量轻、电源输出组数多、极性可变等诸多优点，这些使得开关电源在现在生产和生活中得到广泛应用。1.1 开关电源的发展与现状1955年美国的科学家罗耶（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激震荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的晶体管直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转式和机械振子式换流设备，由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成都的开关稳压电源输出组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而被广泛应用于计算机、通信、航天、家电等领域中。开关稳压电源简称为开关电源（switching power supply），发展已有50余年，经历了三个重要发展阶段：第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件（BPT、SCR、GTO）发展为MOS型器件（功率MOSFET、IGBT、IGCT等），使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。第三个阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子模块（IPEM）技术开始发展，使得开关电源更加小巧、简单。当今，随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断地缩小，重量不断地减轻，所以从事这方面研究和生产的人们对开关电源中开关变压器还感到不是十分理想，他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途径来取代开关变压器，使之能够满足电子仪器和设备微小型化的需要。还有，开关电源的效率是与开关管的变换速度成正比的，并且开关稳压电源中由于采用了开关变压器以后，才能使之由一组输入得到极性、大小各不相同的多组输出。要进一步提高开关电源的效率，就必须提高电源的工作频率。但当频率提高以后，对整个电路中元件又有了新的要求，此外，在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路中的元器件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰。这些干扰会污染市电电网，影响邻近的电子仪器及设备的正常工作。随着开关稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进，开关电源的这一缺点得到了进一步的克服，可以达到不防碍一般的电子仪器、设备和家用电器正常工作的程度。但是，在一些精密的电子仪器中，由于开关电源的这一缺点，却使它不能得到使用。克服这些缺点，是当今从事开关稳压电源科研人员必须解决的问题，不过，随着电力和电子技术的飞跃发展，已经有了很大的突破，相信这些问题以后都会一一得到解决的。1.2开关电源的分类 人们在开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、簿、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为AC/DC和DC/DC两大类，DC/DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC/AC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。 A) DC/DC变换 DC/DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式（PWM）Ts不变，改变ton(通用)，二是频率调制方式（PFM），ton不变，改变Ts(易产生干扰)。其具体的电路由以下几类： a) Buck 电路降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。 b) Boost电路升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。 c) Buck-Boost电路降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输 入电压Ui，极性相反，电感传输。 d) Cuk电路降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电容传输。 当今软开关技术使得DC/DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC/DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为（6、2、10、17）W/cm3,效率为（80-90）%。NemicLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为（200300）khz，功率密度已达到27W/cm3,采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二极管），是整个电路效率提高到90%。 B) AC/DC变换 AC/DC变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。AC/DC变换器输入为50/60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入则必须加EMC滤波及使用符合安全标准的无件，这样就限制AC/DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密码安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC/DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。AC/DC变换按电路的接线方式可分为，半波、全波电路。1.3开关电源的发展动向及其意义 开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、簿的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器作的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Ba）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、簿。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS（零电压型）、ZCS（零电流型）的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得用实用化。 电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景，要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。2 总体设计方案 高稳定度直流电源设计一文就是要设计一个在工频电网电压变化较大时，仍能保证有较稳定的输出电压的开关电源。其系统要求为：输入电压为22020%，即85V（）265V（），输出功率为288W(24V/12A)，开关电源工作频率为100kHz，效率85%，占空比为50%。2.1 设计方案的提出方案一： 本功率直流电源系统由开关电源的主电路和控制电路两部分组成，主电路主要处理电能，控制电路主要处理电信号，采用负反馈构成一个自动控制系统。开关电源采用PWM控制方式，通过给定量和反馈量的比较得到偏差，并通过数字PID 调节器控制PWM输出，从而控制开关电源的输出。其中，PID调节和PWM 输出都由单片机系统采用软件控制。系统硬件部分由输入输出整流滤波电路、功率变换部分、驱动电路、单片机系统和辅助电路等几部分组成。图2-1为单片机控制功率直流电源结构框图。图2-1单片机控制功率电源结构框图从图2-1中可以看到，50Hz、220V的交流电经电网滤波器消除来自电网的干扰，然后进入到输入整流滤波器进行整流滤波，变换成直流电压信号。该直流信号通过功率变换电路转化成高频交流信号，高频交流信号再经输出整流滤波电路转化成直流电压输出。控制电路采用PWM脉宽调制方式，由单片机产生的脉宽可调的PWM控制信号经驱动电路处理后，驱动功率变换电路工作。利用单片机高速ADC转换通道定时采集输出电压，并与期望值比较，根据其误差进行PID调节。电压采集电路实现了直流电压Vo的采集，并使其与A/D转换器的模拟输入电压范围匹配，在开关电源发生过压、过流和短路故障时，保护电路对电源和负载起保护作用。辅助电源为控制电路、驱动电路等提供直流电源。方案二： 基本的隔离式开关电源的原理框图如图2-2所示。a) 交流输入，是经EMI滤波器后由一次整流平滑部分（二极管整流桥与平滑电容器）转换为直流电力后供应至DC/DC变换器部分。b) DC/DC变换器电路，是经由可使直流转换为高频交流的逆变器与再使高频交流二次整流为直流用的快速二极管和扼流圈、电解电容器所构成的二次整流平滑电路，即向负载中供应直流电。控制电路部分，是执行由“误差比较放大器”、“电压电路取样电路”等部分所构成，这里主要是由控制集成器完成逆变器部分的控制，外加保护电路和辅助电源设备。图2-2开关电源基本原理图交流输入到电路滤波器，后用二极管和电容器对输入进行整流平滑，并把这种直流电用开关元件变换成脉冲状交流电。这种电源方式先将部分直流输出电压通过比较电路和基准电压进行比较，其误差电压经占空比控制电路反馈，然后再通过控制开关元件的占空比调整输出电压。另外，作为电源电路结构的一部分，还须有防止外加输入电压时的冲击电流和过流保护等各种功能，这些功能都要跟主电路变换方式协调。2.2 方案的论证本设计要求开关频率为100kHz，如果要采用方案一的话，这就要求单片机的工作频率要很高，要求运算速度很快而且能够输出足够高频率的PWM波，这样的单片机显然价格也高；会使整个开关电源的成本提高，单片机的缺点在于动态响应不够好，会使系统的稳定度不够高；而且除了硬件电路的设计还有软件部分的设计，使整个设计工作变得有点复杂。方案二中只涉及到硬件部分，设计内容稍微简单些，而且采用高频开关元件，可以满足本设计的工作频率要求，并且通过反馈电路来控制开关元件的占空比，使开关电源的动态响应要好，稳定度高。经过以上论证比较，方案二相对要好。所以本设计采用方案二。3 开关电源输入回路的设计开关电源输入回路包括低通滤波和桥式整流滤波两大部分，虽然都是“滤波”，但它们的作用、功能不同，采用的方法也不一样。3.1 低通滤波电路的设计低通滤波回路是开关电源输入的“大门”，电源电力就是经低通滤波进入的。它有两个作用：第一，防止输入电源窜入噪声干扰，同时还要抑制浪涌电压、尖峰电压的进入；第二，阻止、限制开关电源所产生的噪声，高频电磁干扰信号通过输入电线馈进入电网。低通滤波电路一般分单级低通滤波电路和双级串联式低通滤波电路。本设计采用单级型低通滤波电路，如图3-1所示。图3-1单级低通滤波电路该电路有两个输入端、两个输出端和一个接地端，使用时外壳应接通大地。电路包括共模扼流圈L1、滤波电容器C1C4。从理论上说，电路的电抗是阻抗、感抗、容抗的矢量和，要想使电磁干扰不大于8dB/uV，必须选用合适的电感、电容，以最大限度地提高电路抗干扰能力。L1对串模干扰不起作用，但当出现共模干扰时，由于两个线圈的磁通方向相同，经过耦合后总电感量迅速增大，因此对共模信号呈现很大的感抗，使之不易通过，故称作共模扼流圈。这里L1取8mH。C1、C2采用薄膜电容器型号为CL21取值为0.01uF，它们主要用来滤除串模干扰。C3、C4跨接在输出端，经过电容分压后接地，能有效地抑制共模干扰。C3、C4宜选用型号为CC型陶瓷电容器，容量范围是22004700pF。为了减小漏电流，电容量不要超过4700pF，这里取2200pF。C1C4的耐压值均为630V。3.2 整流滤波电路的设计整流滤波电路的功能是将交变电能变换为脉动直流，并对其平滑以满足负载要求。 A) 单相半波可控整流电路单相半波整流4电路如下图3-2所示，图中Tr为电源变压器，用来将市电220V交流电压变换为整流电路所要求的交流低电压，同时保证直流电源与市电电源有良好的隔离。设V为整流二极管，令它为理想二极管，RL为要求直流供电的负载等效电阻。图3-2（a）半波整流电路 （b）输出波形 B) 单相桥式整流电路为了克服半波整流的缺点，常采用桥式整流电路，如下图所示，图3-3中V1、V2、V3、V4四只整流二极管接成电桥形式，故称为桥式整流。 C) 工作原理和输出波形设变压器二次电压u2=U2sint，波形如电压、电流波形图(a)所示。在u2的正半周，即a点为正，b点为负时，V1、V3承受正向电压而导通，此时有电流流过RL，电流路径为aV1RLV3b，此时V2、V4因反偏而截止，负载RL上得到一个半波电压，如电压、电流波形图(b)中的0段所示。若略去二极管的正向压降，则u0u2。电压、电流波形在u2的负半周，即a点为负，b点为正时，V1、V3因反偏而截止，V2、V4正偏而导通，此时有电流流过RL，电流路径为bV2RLV4a。这时RL上得到一个与0段相同的半波电压如电压、电流波形图(b)中的2段所示，若略去二极管的正向压降，uu2。由此可见，在交流电压u2的整个周期始终有同向电流流过负载电阻RL，故RL上得到单向全波脉动的直流电压。可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍，所以桥式整流电路输出电压平均值为U=20.45U2=0.9U2。桥式整流电路中，由于每两只二极管只导通半个周期，故流过每只二极管的平均电流仅为负载电流的一半，在u2的正半周，V1、V3导通时，可将它们看成短路，这样V2、V4就并联在u2上，其承受的反向峰值电压为URM=U2。同理，V2、V4导通时，V1、V3截止，其承受的反向峰值电压也为URM=U2。二极管承受电压的波形如电压、电流波形图(d)所示。图3-3 桥式整流电路及波形由上图可见，在交流电压U2的整个周期始终有同方向的电流流过负载电阻RL，故RL上得到单方向全波脉动的直流电压。可见，桥式整流电路输出电压为半波整流电路输出电压的两倍。桥式整流电路与半波整流电路相比较，其输出电压UO提高，脉动成分减小了。3.3 其他形式滤波电路 A) 电感滤波电路电路如下图所示，电感L起着阻止负载电流变化使之趋于平直的作用。直流分量被电感L短路，交流分量主要降在L上，电感越大，滤波效果越好。一般电感滤波电路只使用于低电压、大电流的场合。 B) 型滤波为了进一步减小负载电压中的纹波可采用p型LC滤波电路。由于C1、C2 对交流容抗小，而电感对交流阻抗很大，因此，负载RL上的纹波电压很小。 图3-4（a）电感滤波电路 （b）p 型LC滤波电路3.4 稳压电路晶体管稳压电路根据晶体管与负载的连接方式分为串联型和并联型，本节主要介绍串联型稳压电路1,20,21。简单的串联型稳压电路如图3-5（a）所示，电路中,R和VDZ构成稳压管稳压电路，为晶体管VT1的基极提供基准电压。电路的稳压过程如下：当负载不变，输入电源Ui增加时，输出电压UO有增大的趋势，由于VT1基极电位被稳压管的Uz固定，故UO的增加将使VT1发射极上正向偏压降低，基极电流减小，从而使VT1的集射极间的等效电阻增大，UCE增加，于是抵消了Ui的增加，使UO基本保持不变。当输入电压Ui不变，而负载电流变化时，其稳压过程可类似分析。该电路存在两个问题：其一，该电路是用输出电压的变化部分直接去调控晶体管的基极，故控制作用小，稳压性能较差；其二，输出电压固定不变。图3-5(b)是具有放大电路的串联型稳压电路。电路中，R1、RP1、R2组成取样电路。当输出电压变化时，取样电路将其变化量的一部分送到比较放大管VT2的基极。基极电压能反映输出电压的变化，成为取样电压。取样电阻不宜过大，也不宜过小；若太大，控制灵敏度下降；若太小，带负载能力减弱。R和VDZ为基准稳压电路，给VT2发射极提供基准电压，确保VDZ的合适的工作电流。VT2为比较放大管，Rc既是VT2的集电极负载电阻，又是VT1的基极偏置电阻，比较放大管VT2的作用是将输出电压的变化量先放大，然后加到调整管VT1的基极，控制VT1工作，提高了控制的灵敏度和输出电压的稳定性。VT1为调整管，它与负载串联，故称此电路为串联型稳压电路，晶体管VT1受比较放大管VT2的控制，集射极间相当于一个可变电阻，用来抵消输出电压的波动。工作原理简介如下：当负载电阻RL不变，输入电压Ui减小时，输出电压UO有下降趋势，通过取样电阻的分压比使比较放大管VT2的基极电位UB2下降，而VT2的发射极电压不变（UE2=UZ），因此，UBE2也下降，于是比较放大管VT2导通能力减弱，UC2升高，晶体管VT1导通能力增强，晶体管VT1集射极间等效电阻RCE1减小，管压降UCE1下降，是输出电压UO上升，保证了UO基本不变。当输入电压Ui不变，负载电阻RL增大时，其稳压过程可类似分析。由此看出，稳压过程实质上是通过负反馈使输出电压维持稳定的过程。(a)简单的串联型稳压电路 （b）具有放大电路的串联型稳压电路图3-5 晶体管稳压电路3.5 参数计算以及元器件的选择 图3-6整流电路等效电路图如图3-6所示，是整流电路的等效电路，其中RS为输入低通滤波等效电阻，RLC为输出电容的负载阻抗。开关电源的输入电压为22020%，即85V（）265V（），输出功率为288W(24V/12A)，设开关电源工作频率为100kHz，效率为85%，占空比=50%输入最低直流电压 (V) (3-1)（由根据和关系曲线查得/=1.18）输入电功率 （W） (3-2) 输入有效电流 （A） (3-3) 输入回路平均电流 （A） (3-4)电容的负载电阻RLC为： (3-5)如图3-6所示RS为输入低通滤波电阻设定其值为3.0，则 (3-6)（V） (3-7)根据交流输入电流有效值与输出平均电流之间的关系曲线和交流输入电流峰值与输出平均电流之间的关系曲线分别求得交流输入电流有效值Iac和交流输入电流峰值Iacp因为它是全波整流，故比例系数K取2， (3-8)由关系表查出，则（A） (3-9)由关系表查出，则交流输入电流峰值：（A） (3-10) A) 整流管参数计算开关电源的整流桥是由4只二极管组成的，每两只二极管串起来完成交流电压半周整流。因此，每只二极管中流过的电流只有整个电流平均值的一半；每个二极管所承担电压是最大反向电压的一半，即。从上面计算得知：输入回路的峰值电流Iacp=5.0A输入回路的最大输入峰值直流电压（V） (3-11)选用二极管型号为IN5407，它的最高反向工作电压为800V，额定整流电流为3.0A，完全能满足本设计的开关电源对整流二极管的要求。 B) 电容参数计算电容C5可根据输出功率与滤波电容的比例系数（2.0）进行计算， （uF） (3-12)所以电容选680uF。若变换器确定的最高温度为60，机内温升为15，电容器工作环境温度为75。环境温度为75时，补偿系数K为1.32，50允许纹波电流为2.0A，则：（A） (3-13)电容所承受的电压是最大输入电压的倍，即（V）。所以电容C5选用容量为680uF，耐压为400V，温度为105的电解电容，在环境温度为75时，承受最高电流为2.64A。4 DC/DC变换器的设计4.1 控制方式的选择按时间比率控制原理，开关电源有三种调制方式，即脉冲宽度调制方式、脉冲频率调制方式和混合调制方式。 A) 脉冲宽度调制方式指开关周期恒定，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。但受最小未通时间的限制，输出端需接假负载。 B) 脉冲频率调制方式是指导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。因为ton/T可以在很宽的范围内变化，输出电压的可调范围也较PWM方式大，同时，只需极小的假负载。当然，滤波电路要能在较宽的频率范围内正常工作，因而，滤波器体积较大是其不足之处。C) 混合调制方式是指导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是上两种方式的混合。ton和T相对地发生变化，在频率变化不大的情况下，可以得到非常大的可调范围的输出电压，因此，用来制作要求能宽范围调节输出电压的实验室用电源非常合适。在开关电源三种调制方式中，脉冲宽度调制方式应用最普遍，因此本设计选用此调制方式。4.2 功率转换电路的选择 A) 推挽式功率转换电路图4-1推挽型DC/DC变换器主电路推挽型DC/DC变换器主电路如图4-1所示，是由两个单端正激开关电源电路叠加而成的，所以它的输出电压是单个单端正激开关电源输出电压的两倍，即 (4-1)试中：输入电源电压； n高频变压器的匝数比；由于变压器的原边两绕组的匝数相等，即，副边两绕组的匝数也相等，即，所以，。q功率管的导通时间Ton和周期T之比，不是输出回路中方波脉冲电压的占空比。因此在此电路中，加于输出回路的方波脉冲的周期为T/2，并不是T。优点：输出功率比较大；驱动电路简单。缺点：会因磁芯饱和出现集电极电流尖峰而导致晶体管损坏；高频变压器的利用率差。由于高频变压器原边每一绕组只有一半时间工作，故其利用率差；对功率管的耐压要求高。 A) 半桥式功率转换电路为了克服推挽型DC/DC变换器的缺点，可用两只容量、耐压都相同的电容器C7、C8和两只特性相同的MOSFET功率管VT1、VT2组成一电桥。输入电源电压Ui加于电桥一对角线的两端点上，而高频变压器的原边绕组则接在电桥另一对角线的两端点上。高频变压器副边的输出回路维持推挽型DC/DC变换器原来的接法不变。经这样改接后的电路称为半桥型DC/DC变换器电路，如图4-2所示。在图中C7和C8上的电压相等，而且等于输入电源电压的一半，即Ui/2。在此电路中，当功率管VT1被驱动导通时，电容C7两端电压便通过功率管VT1加到高频变压器原边绕组N1两端。此时，变压器原边绕组N1两端电压和电容C11两端电压相等，都等于输入电源电压Ui的一半，其极性为下正上负。当功率管VT1截止，VT2被驱动导通时，电容C8两端的电压通过功率管VT2加到变压器原边绕组N1的两端，使绕组N1两端电压极性反向，即上正下负，其值也等于输入电源电压Ui的一半。因此，功率管VT1、VT2轮流导通、截止时，在高频变压器原边绕组N1两端便产生一幅值为Ui/2的正负方波脉冲电压。此脉冲电压通过高频变压器传递到副边，再经整流二极管整流、储能电感L及电容C6滤波后向负载供电。图4-2半桥型DC/DC变换器主电路图4-2所示的半桥型DC/DC变换器电路中，当开关管VT1 (或VT2)导通时，加于变压器原边绕组上的电压是电容器C7（或C8）两端的电压。在电路中，若由于开关管VT1和VT2特性不一致，从而引起开关管VT1的导通时间比开关管VT2的长，则电容C7两端的平均电压就会比电容C8两端的低。故VT1导通时，加于变压器原边绕组两端电压的幅值，就会比VT2导通时的要低，从而就能够使加到变压器原边绕组两端正负方波的伏秒积分始终维持相等。因此，这种电路的抗不平衡能力是比较强的。半桥型DC/DC变换器的优点：a) 高频变压器利用率高。b) 推挽型DC/DC变换器的高频变压器原边每一绕组，在一个周期内仅工作半个周期，而在此电路中，高频变压器原边绕组在方波脉冲的正负半周都工作，故其变压器的利用率比推挽型DC/DC变换器的高。c) 截止开关管极间承受的电压低。当开关管VT1导通、VT2截止时，若忽略不计VT1的管压降，则加于开关管VT2的极间电压就等于输入电源电压Ui。同理，当晶体管VT2导通、VT1截止时，开关管VT1极间承受的电压也是Ui。而在推挽型DC/DC变换器中，截止开关管极间承受的电压为2Ui。缺点：由于变压器原边绕组上施加的方波电压幅值只是输入电源电压的一半，故与推挽型电路相比，在输入电流Io相同情况下，其输出功率要小一半。 因此该电路适用于输出功率小的开关电源，采用该电路作为DC/DC变换器正好符合本设计的要求。4.3 参数的计算4.3.1 变压器设计输出功率为288W(24V/12A)，设开关电源工作频率为100kHz，效率为85%，占空比=50%a) 计算输入功率W (4-2)根据3C8磁性材料的磁芯特性表选定A16铁氧体材料EE55/55/21，磁芯有效截面积Ae=354mm，因使用EE55/55/21的磁芯，生产厂家推荐的磁感应强度峰值在100kHz时为60mT，则感应密度增量mH=0.12T。b) 最低初级直流电压的计算前面已经算出最低初级直流电压为：(V) (4-3)(V) (4-4)当占空比D为0.5时： (us) (4-5)初级匝数为：（匝） (4-6)c) 每伏匝数n的计算（伏/匝） (4-7)设二极管管压降为0.8V，整流滤波线圈压降为1.2V，输出电压为24V则次级绕组匝数为： (4-8)这里取4匝。4.3.2 电感的参数计算扼流圈在开关电源输出电路中的作用，不仅是扼制输出电流的纹波，而且对次级电感反激给初级促使开关翻转的速度起着重要作用。变压器次级输出电压V2按下列计算：（V）(4-9)首先计算输出扼流圈的电感量： (4-10)式中：L为输出扼流圈的电感（uH）。这里为输出电流Io的10%30%。从扼流圈的外形尺寸、成本、过渡响应等方面考虑，以为Io的25%进行计算。（A） (4-11)（uH） (4-12)所以，采用10uH、12A的扼流圈。4.3.3 二极管和电容器的选择a) 换向二极管在图4-2中和开关管VT1、VT2并接的两只二极管VD5、VD6称做换向二极管，它有两个作用：半桥型DC/DC变换器在运行过程中，如负载突然开路，变压器的漏感和分布参数形成的自激振荡，有可能在开关管的两端产生瞬间过压，使其反向击穿损坏。加入换向二极管后，两电极之间的电位最多只能高出0.7V左右，这样就防止了开关管因反向导通而损坏。当开关管截止时，换向二极管VD能将开关管导通时变压器漏感储存的能量回送到输入电源，同时还能消除漏感形成的尖峰电压。换向二极管应选快恢复型的二极管，其反向耐压应高于开关管所承受的最高电压。当电网电压为220V时，无工频变压器半桥型DC/DC变换器中的换向二极管反向耐压一般应等于或高于450V。因此换向二极管VD5、VD6选择型号为BUR160，VRM=600V。b) 整流二极管流过整流二极管VD7、VD8最大电流 (4-13)（A） (4-14)整流二极管最高反向电压（V） (4-