ACDC开关电源的设计.doc

大连理工大学网络教育学院
《电 源 技 术》课 程 设 计

题目：PWM控制芯片SG3524的特殊应用研究
学习中心： 扬州奥鹏远程教育中心
层 次： 高起专
专 业： 电气自动化及其运用
年 级：2011 年 秋 季
学 号：
学 生： 韩盛华
辅导教师： 张春卫
完成日期： 2011 年08 月 12 日

1 绪论
开关电源(Switching Mode Power Supply，英文缩写为SMPS)又称为开关稳压电源，问世后在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。随着全球对能源问题的越来越重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电力结构简单、工作可靠，但它存在着效率低(只有40%～50%)、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点。为了提高效率，人们研究出了开关式稳压电源，它的效率可达85%以上，稳压范围宽；除此之外，还具有稳压精度高的特点，是一种较理想的稳压电源。开关电源具有效率高、体积小、重量轻、应用广泛等优点，现已成为稳压电源的主流产品。正因为如此，开关电源被誉为高效、节能型电源，代表着稳压电源的发展方向，并已广泛应用于各种电子设备中[1]。
1.1 开关电源的特点
1.1.1 开关电源的优点
(1) 功耗小，效率高。晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。
(2) 体积小，重量轻。采用高频技术，省掉了体积笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。
(3) 稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿。这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。
(4) 滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍；即使采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500～1/1000。电路形式灵活多样，有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。
1.1.2 开关电源的缺点
电压调整率和负载调整率指标较差，对负载变化的瞬态响应时间较长，输出纹波电压和噪声电压较高，不适合制作精密稳压电源。一种改进方案是把它当做前级稳压器来使用，而把开关式稳压器或低压差稳压器作为后级稳压器，构成两级稳压的高效、精密稳压电源。
1.2 开关电源的基本工作原理
1.2.1 开关电源的组成部分
开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比来调整输出电压。其电路比较复杂，基本构成如图1.1所示。

图1.1 开关电源的基本构成
主要由以下5部分构成：①输入整流滤波器：包括从交流电到输入整流滤波器的电路。②功率功率管(VT)及高频变压器(T)。③控制电路(PWM调制器)，含振荡器、基准电压源(UREF)、误差放大器和PWM比较器，控制电驴能产生脉宽调制信号，其占空比受反馈电路的控制。④输出整流滤波器。⑤反馈电路。除此之外，还需增加偏置电路、保护电路等。其中，PWM调制器为开关电源的核心。
1.2.2 开关电源的工作过程
交流电网电压进入输入电路后，经输入电路中的线路滤波器、浪涌电流控制电路以及整流电路，变换成直流电压。其中线路滤波器及浪涌电流控制电路的主要作用是削弱由电网电源线进入的外来噪声以及抑制浪涌电流，整流电路则完成交流到直流的变换，可分为电容输入型和扼流圈输入型两大类，开关电源中通常采用电容输入型。功率变换电路是整个开关电源的核心器件，它将直流电压变换成高频矩形脉冲电压，其电路主要由开关电路和变压器组成。开关电路的驱动方式分为自激式和他激式两大类；开关变压器因是高频工作，其铁芯通常采用铁氧体磁芯或非晶合金磁芯；开关晶体管通常采用开关速度高，导通和关断时间短的晶体管，最典型的有功率晶体管(GTR)、功率场效应晶体管(MOSFET)和绝缘栅型双极晶体管(IGBT)等三种。输出电路是将高频变压器次级方波电压经过高频整流滤波电路整流成单向脉动直流，并将其平滑成设计要求的低纹波直流电压，供给负载使用。
1.3 开关电源的工作方式
开关电源按控制原理来分类，有以下4种工作方式：
(1) 脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation，简称PWM，即脉宽调制)式：其特点是开关周期为恒定值，通过调节脉冲宽度来改变占空比，实现稳压目的。其核心是脉宽调制器。
(2) 脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation，简称PFM，即脉频调制)式：其特点是脉冲宽度为恒定值，通过调节开关频率来改变占空比，实现稳压目的。其核心是脉频调制器。
(3) 脉冲密度调制(Pulse Density Modulation，简称PDM，即脉密调制)式：其特点是脉冲宽度为恒定值，通过调节脉冲数实现稳压目的。它采用零电压技术，能显著降低功率电压管的损耗。
(4) 混合调制式：它是(1)、(2)两种方式的组合。开关周期和脉冲宽度都不固定，均可调节。它包含了脉宽调制器和脉频调制器。
以上4种统“称时间比率控制”方式，其中以脉宽调制器应用最广。
1.4 脉宽调制器的基本原理
脉宽调制式开关电源的工作原理如图1.2所示。220V交流电u首先经过整流滤波电路变成直流电压UI，再由功率开关管VT斩波、高频变压器T降压，得到高频矩形波电压，最后通过整流滤波后后的所需要的直流输出电压UO。脉宽调制器能产生频率固定而脉冲宽度可调的驱动信号，控制功率开关管的通、断状态，进而调节输出电压的高低，达到稳压目的。锯齿波发生器用于提供始终信号。利用取样电阻。误差放大器和PWM比较器形成闭环调节系统。输出电压UO经R1、R2取样后，送至误差放大器的反相输入端，与加在同相输入端的基准电压UREF进行比较，得到误差电压Ur，再用Ur的幅度去控制PWM比较器输出的脉冲宽度，最后经过功率放大和降压式输出电路使UO保持不变。UJ为锯齿波发生器的输出信号。[2]

图1.2 脉宽调制式开关电源的工作原理
2 开关电源控制的选择
开关电源有两种控制类型，一种是电压控制(Voltage Mode Control)；另一种是电流控制(Current Mode Control)。
2 与电压型控制相比,电流型控制的优势
(1) 对输入电压变化的响应快。电网电压的变化，必然会引起电流的变化，假设电压升高，那么电流增长变快，反之则变慢。当电流脉冲达到预定的幅度，电流控制动作就会开始，控制脉宽发生变化来进行稳压。对于电压型控制，检测电路对输入电压的变化没有直接的反应，要等到电压发生较大的变化后,才会进行处理，所以响应速度慢。
(2) 过流保护。由于采用了直接的电感电流峰值技术，它可以及时，准确的检测输出和开关管电流，自然形成了诸葛电流脉冲检测电路，通过给定一个参考电流，就可以准确的限制流过开关管的最大电流，当输出超载或短路时，自动的保护电路，同时也可防止电网浪涌所产生的尖峰电流损坏电路器件，这样设计电路时就不需要考虑留什么余量，能省一些成本。
(3) 回路稳定性好，负载响应快。
电流控制是一个输出电压控制的电流源，电流源的大小反映了输出电流的大小。因为电感中电流脉冲的幅值与负载电流的平均值是成比例的，这样电感的相位延迟就不存在了[3]。
3 单相桥式整流电路
单相桥式整流电路是最基本的将交流转换为直流的电路。
3.1 工作原理
T为变压器；D1、D2、D3、D4为四个整流二极管，RL为负载电阻。整流电路中的二极管是作为开关运用，具有单向导电性。单相桥式整流电路如图3.1所示。

图3.1 单相桥式整流电路
当u2正半周时，二极管D1、D3正向导通，D2、D4反偏截止，在负载上产生一个极性为上正下负的输出电压。u2正半周时，电流流向图如图3.2所示。

图3.2 u2正半周时
u2负半周时，二极管D1、D3反偏截止，D2、D4正向导通，电流经过负载时，产生的电压极性仍是上正下负。u2负半周时，电流流向图如图3.3所示。

图3.3 u2负半周时
单相桥式整流电路的波形图如3.4所示。

图3.4 单相桥式整流电路波形
3.2 参数计算
输出电压是单相脉动电压，通常它的平均值与直流电压等效。
输出平均电压：

(3.1)
流过负载的平均电流：

(3.2)
流过二极管的平均电流：

(3.3)
二极管所承受的最大反向电压[4]：

(3.4)
3.3 电容滤波电路
整流电路将交流电变成脉动直流电，但其中含有大量的交流成分(称为纹波电压)。应在整流电路的后面加滤波电路，滤去交流成分。
3.3.1 滤波的基本概念
滤波电路利用电抗性元件对交、直流阻抗的不同，实现滤波。电容器C对直流开路，对交流阻抗小，所以C应该并联在负载两端。电感器L对直流阻抗小，对交流阻抗大，因此L应与负载串联。经过滤波电路后，既可保留直流分量、又可滤掉一部分交流分量，改变了交直流成分的比例，减小了电路的脉动系数，改善了直流电压的质量。
3.3.2 电容滤波的组成及工作原理
在负载电阻上并联一个滤波电容C，如图3.5所示。二极管导通时，一方面给负载RL供电，一方面对电容C充电。在忽略二极管正向压降后，充电时，充电时间常数，其中RD为二极管的正向导通电阻，其值非常小，充电电压UC与上升的正弦电压U2一致，，当UC充到U2的最大值时，U2开始下降，且下降速率逐渐加快。当时，四个二级管均截止，电容C经负载RL放电，放电时间常数为,故放电较慢，直到负半周。

图3.5 电容滤波电路
在负半周，当时，另外两个二极管(VD2、VD4)导通，再次给电容C充电，当UC充到U2的最大值时，U2开始下降，且下降速率逐渐加快。当时，四个二极管再次截止，电容C经负载RL放电，重复上述过程。
3.3.3 负载上电压的计算
电容放电时间常数，即输出电压的大小和脉动程度及负载电阻直接相关。若RL开路，即输出电流为零，电容C无放电通路，一直保持最大充电电压；若RL很小，放电时间常数很小，输出电压几乎与没有滤波时一样。
全波直流电压平均值：
UO=0.9U2
(3.5)
U2为变压器次级电压有效值。
流过的平均电流[5]：
IL= u0/RL
(3.6)

4.1降压型PWM AC-DC开关电源设计的基本要求

设计一款降压型PWM AC-DC开关电源，设计参数如下：
输入参数：
1.输入交流电压：单相AC220V
2.输入电压变动范围：5
输出参数：
1.输出直流电压：100V
2.输出功率：约100W
设计基本要求:
1.设计主电路；
2.设计控制电路和保护电路；
3.计算主电路电力电子器件参数；
4.绘制主电路、控制电路和保护电路电路图；
5.绘制完整电路图。

4.2电路总体方案的设计及相关原理

电源有一种输入，即单相220V交流电压，设计输入电压变动范围为%。有一种输出：100V直流电压，输出功率约为100W。交流220V经过一个滤波整流电路后得到直流电压，送入DC-DC降压斩波电路，控制电路提供控制信号控制IGBT的关断，调节直流电压的占空比，最后经过LC滤波电路的到所需电压。通过对输出电压的取样，比较和放大，调节控制脉冲的宽度，以达到稳压输出的目的。开关电源原理框图如下：

100V

整流部分是利用具有单向导通性的二极管构成桥式电路来实现的；滤波部分是利用电容电感器件的储能效应，构成LC电路来实现的；降压部分是利用降压斩波电路来实现，控制方式为脉宽调制控制（PWM），即在控制时对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。本次设计的开关电源控制时首先保持主电路开关元件的恒定工作周期（T=ton+toff），再由输出信号与基准信号的差值来控制闭环反馈，以调节导通时间ton，最终控制输出电压（或电流）的稳定。

4.主电路设计及参数计算
4.1 主电路的设计
主电路主要完成对交流的整流滤波，对直流电压降压和滤波三个工作。
整流电路图设计如下：
工作时的波形图
将整流后的得到的直流电压送入降压斩波电路，通过脉宽调制控制调节输出电压平均值，在经过LC滤波电路是电压稳定。降压斩波电路设计如下图：脉宽调制控制型号有IGBT驱动电路发出；RCD保护电路用以缓冲IGBT在高频工作环境下关断时因为正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

工作时的波形图如下：

4.2 主电路的参数确定
设计输入电流为频率50Hz的单相220V交流电，其脉冲周期为：
经过整流后得到的是只有正半部分的正弦波幅值与输入电压一样，但周期为输入电压一般，即
设计输出电压为直流100V稳压，电流为8A直流。占空比α通常取0.4~0.45，该电路取α=0.42，考虑IGBT和二极管的导通压降取0.8V，电感压降取0.2V。于是可以得到：
设计输出功率为100W，所以可以确定：

0.1
100
101

240v
1000
0.1
100
101V
240.5
又由于Uin2=Uo1，确定电阻R1=100Ω，一次侧与二次侧线圈匝数比N1/N2=2，可以确定整流滤波电路中的回路电流及分压电阻R0为：
2.4

对于整流滤波电路中的四个二极管VD1、VD2、VD3、VD4，它们承受的反向最大峰值电压为输入电压Uin最大值的一半，约为77.8V；流过的最大平均电流约为0.5952A。所以我们可以选择正向平均电流I(AV)大于0.62A，反向重复峰值电压Urrm大于156V的电力二极管用来构成全桥。
对于斩波电路中的电力二极管VD，承受的最大反向重复峰值电压约为84.2V，最大正向平均电流I(AV)约为8.33A，所以我们可以选择正向平均电流I(AV)大于8.5A，反向重复峰值电压Urrm大于169V的电力二极管作为续流二极管。
对于斩波电路中的IGBT VT，集射极承受的最大电压Uce约为84.2V，流过的最大电流值约为8.33A，则最大耗散功率约为701.2W。所以我们可以选择最大集射极间电压大于85V，最大集电极电流大于8.5A，最大集电极功耗大于723W的IGBT。
综上所述，主电路的主要参数如下：
所用电力二极管和IGBT的导通压降约为0.8V，电感压降约为0.2V
1. 整流滤波电路部分：
一次侧与二次侧线圈匝数比N1/N2：2
输入电压Uin：单相220V交流
输出电压Uo1：120V直流
回路电流平均值Io1：0.5952A
电阻R0：81.8Ω
电阻R1：100Ω
电力二极管VD1、VD2、VD3、VD4参数：
正向平均电流I(AV)≥0.62A，反向重复峰值电压Urrm≥156V
2. 降压斩波电路部分：
输入电压Uin2：59.52V直流
输出电压Uo：100V稳压直流
回路电流平均值（输出电流）Io2：2.4A
输出功率：100W
电阻R2：1000Ω
占空比α：0.42
电力二极管：
正向平均电流I(AV)≥8.5A，反向重复峰值电压Urrm≥169V
IGBT参数：
最大集射极间电压Uces≥85V，最大集电极电流Ic≥8.5A
最大集电极功耗Pcm≥723W

5.控制电路、驱动电路及保护电路的设计

5.1 控制及驱动电路设计 5.1节参考了王水平.编写的《PWM控制与驱动器使用指南及应用电路》和童诗白、华成英共同编写的《模拟电子技术第四版》

本文设计的开关电源的控制及驱动电路的核心为三菱公司的M579系列驱动器。电路图如下所示：

该集成驱动器的内部包含有检测电路、定时及复位电路和电气隔离环节，可在发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT。输出的正驱动电压为+15V，负驱动电压为-10V。

5.2 保护电路的设计
本文设计的电源电路主要需要对IGBT在开通时采取di/dt保护和在关断时采取过电压保护，可选择复合缓冲电路作为IGBT的保护电路，电路图如下：

6.课程设计总结

通过本次课程设计，使我更加深刻地理解了直流斩波电路以及开关电源，了解了开关电源的基本结构、设计过程和实现的功能。使我了解到开关电源在电子设备、电力设备和通信系统的直流供电中得到广泛应用，在高频开关电源中，DC-DC变换是其核心。随着半导体技术的发展，高集成度，功能强大的大规模集成电路不断出现，使电子设备不断缩小，重量不断减轻，相应地要求系统供电电源的体积和重量相应减小，如何减小开关电源的体积，提高其效率，是将在在设计开关电源的过程需要着重考虑的一个方面。
本文首先对开关电源的发展历史、当下发展状况以及将来的发展趋势作了简要的介绍，随后阐述了降压型AC-DC开关电源的核心部分——DC-DC转换器（降压斩波电路）的拓扑结构及其工作原理，描述了DC-DC转换器的控制方法——脉宽调制控制（PWM），并详细介绍了该控制方法的基本原理。在此基础上设计了一款基于电压控制模式的PWM降压型AC-DC开关电源，设计的内容包括主电路的设计、控制及驱动电路的设计和保护电路的设计，每个部分均给出设计电路图，重点分析了主电路的工作原理，并给出设计参数。