降壓型PWMACDC開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、 網(wǎng)絡(luò)教育學(xué)院電 源 技 術(shù)課 程 設(shè) 計(jì) 題 目： 降壓型PWM AC-DC開關(guān)電源的設(shè)計(jì)學(xué)習(xí)中心： 層 次： 專 業(yè)： 年 級(jí)： 年 春/秋 季 學(xué) 號(hào)： 學(xué) 生： 代 軍 輔導(dǎo)教師： 完成日期： 2011年 08 月 15 日 摘 要 電源半導(dǎo)體產(chǎn)品近期呈現(xiàn)快速增長趨勢(shì)，甚至超過了數(shù)字處理器和存儲(chǔ)器等半導(dǎo)體的增長速度。大部分增長來源于高容量電池供電的電子產(chǎn)品，如手機(jī)和數(shù)字音樂播放器。由于所有電子產(chǎn)品都需要有電源供電，所以電源管理技術(shù)變得至關(guān)重要。在這樣的前提下，設(shè)計(jì)開發(fā)高效率、高頻、小體積的DC-DC開關(guān)電源芯片，無論是從經(jīng)濟(jì)角度，還是從科學(xué)研究上來講都是很有價(jià)值的。本文對(duì)開關(guān)電源的發(fā)展

2、歷史、當(dāng)下發(fā)展?fàn)顩r以及將來的發(fā)展趨勢(shì)作了簡(jiǎn)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?fù)浣Y(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）。在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)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(jì)的內(nèi)容包括主電路的設(shè)計(jì)、控制及驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)、保護(hù)電路的設(shè)計(jì)以及各個(gè)部分的電路設(shè)計(jì)圖，并給出設(shè)計(jì)參數(shù)。關(guān)鍵詞：DC-DC降壓斬波電路 脈寬調(diào)制控制（PWM） 目 錄1.引 言11.1開關(guān)電源的概念11.1.1 PWM技術(shù)簡(jiǎn)介11.1.2 降壓型DC-DC開關(guān)電源原理簡(jiǎn)介21.2 開關(guān)電源的發(fā)展簡(jiǎn)介31.2.1 開關(guān)電

3、源的發(fā)展史41.3 開關(guān)電源的發(fā)展展望42. 降壓型PWM AC-DC開關(guān)電源設(shè)計(jì)的基本要求53. 電路總體方案的設(shè)計(jì)及相關(guān)原理54.主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算64.1 主電路的設(shè)計(jì)64.2 主電路的參數(shù)確定85.控制電路、驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)105.1 控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì)105.2 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)116.課程設(shè)計(jì)總結(jié)12參考文獻(xiàn)12附錄131.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(shí)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

4、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(diǎn)上，反而高于開關(guān)電源，這一點(diǎn)稱為成本反轉(zhuǎn)點(diǎn)。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(jìn)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(dòng)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(hù)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(jiǎn)介 脈

5、沖寬度調(diào)制（PWM），是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡(jiǎn)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(shí)現(xiàn)開關(guān)穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導(dǎo)通時(shí)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(shí)保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對(duì)模擬電路進(jìn)行控制的一種非常有效的技術(shù)。廣泛應(yīng)用在從測(cè)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(gè)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(shí)，其效果基本相同。在控制時(shí)對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制,使輸出端得到一系列幅值相等

6、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(duì)各脈沖的寬度進(jìn)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(yùn)用于開關(guān)電源控制時(shí)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(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值來控制閉環(huán)反饋，以調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間ton，最終控制輸出電壓（或電流）的穩(wěn)定。 PWM的一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是從處理器到被控系統(tǒng)信號(hào)都是數(shù)字形式的，無需進(jìn)行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號(hào)保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強(qiáng)到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時(shí)，也才能對(duì)數(shù)字信號(hào)產(chǎn)生影響。對(duì)噪聲抵抗能力的增強(qiáng)是PWM相對(duì)于模擬控制的另外一個(gè)優(yōu)點(diǎn)

7、，而且這也是在某些時(shí)候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號(hào)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(hào)還原為模擬形式。1.1.2 降壓型DC-DC開關(guān)電源原理簡(jiǎn)介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。 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(dòng)VT導(dǎo)通時(shí)，負(fù)載電壓Uo=Uin，負(fù)載

8、電流Io按指數(shù)上升；控制VT關(guān)斷時(shí)，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(fù)載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負(fù)載電壓Uo近似為零，負(fù)載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負(fù)載電流連續(xù)且脈動(dòng)小，通常串聯(lián)L值較大的電感。至一個(gè)周期T結(jié)束，在驅(qū)動(dòng)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(shí)，負(fù)載電流在一個(gè)周期的初值和終值相等。負(fù)載電壓的平均值為式中，ton為VT處于導(dǎo)通的時(shí)間，toff為VT處于關(guān)斷的時(shí)間；T為開關(guān)管控制信號(hào)的周期，即ton+toff；為開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間與控制信號(hào)周期之比，通常稱為控制信號(hào)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

9、為降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。負(fù)載電流的平均值為若負(fù)載中電感值較小，則在VT管斷后，負(fù)載電流會(huì)在一個(gè)周期內(nèi)衰減為零，出現(xiàn)負(fù)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：1.2 開關(guān)電源的發(fā)展簡(jiǎn)介 能源在每個(gè)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(gè)重要的課題。特別對(duì)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(gè)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(jī)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

10、半導(dǎo)體器件對(duì)電網(wǎng)功率、電流、電壓、頻率、相位進(jìn)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(yùn)用功率變換器進(jìn)行電能變換，經(jīng)過變換電能，可以滿足各種對(duì)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(shí)用自動(dòng)控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護(hù)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

11、經(jīng)濟(jì)效益，因而引起社會(huì)各方面的重視而得到迅速推廣。電源管理芯片實(shí)際上也是指具有自動(dòng)控制環(huán)路和保護(hù)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(shí)降低了成本，因而顯示出強(qiáng)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(shí)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(dá)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(dá)到400

12、kHz(AC/DC)和1MHz(DC/DC)。軟開關(guān)技術(shù)的出現(xiàn)，真正實(shí)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(dá)到93%。但是，目前我國的開關(guān)電源技術(shù)與世界上先進(jìn)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(gè)時(shí)期： 1.電子管穩(wěn)壓電源時(shí)期(1950年代)。此時(shí)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(shí)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)

13、壓電源逐漸被淘汰。 3.低性能穩(wěn)壓電源時(shí)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(jìn)了電源技術(shù)的極大發(fā)展，它可使兆瓦級(jí)的逆變電源設(shè)計(jì) 簡(jiǎn)化，可取代需要強(qiáng)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(dá)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(shí)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?fù)潆娐返膹V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

14、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(biāo)準(zhǔn)化是開關(guān)電源主要發(fā)展趨勢(shì)：1）低電壓化半導(dǎo)體工藝等級(jí)在未來十年將從0.18微米向50納米工藝邁進(jìn)，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(zhǔn)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(shí)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(shí)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

15、的功率密度并改善其動(dòng)態(tài)響應(yīng)，小功率DCDC變換器的開關(guān)頻率已將現(xiàn)在的200500kHz提高到1MHz以上，但高頻化又會(huì)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(jì)的基本要求設(shè)計(jì)一款降壓型PWM AC-DC開關(guān)電源，設(shè)計(jì)參數(shù)如下：輸入?yún)?shù)：1.輸入交流電壓：220V2.輸入電壓變動(dòng)范圍：20%3.輸入頻率：50Hz2Hz輸出參數(shù)：1.輸出直流電壓：100V2.輸出功率：約100W3.輸出電壓紋波：5% 3. 電路總體方案的設(shè)計(jì)及相關(guān)原理 電源有一種輸入，即單相220V交

16、流電壓，設(shè)計(jì)輸入電壓變動(dòng)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(gè)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(hào)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(duì)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(dá)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(shí)現(xiàn)的；濾波部分是利用電容電感器件的儲(chǔ)能效應(yīng)，構(gòu)成LC電路來實(shí)現(xiàn)的；降壓部分是利用降壓斬波電路來實(shí)現(xiàn)，控制方式為脈寬調(diào)制控制（PWM），即在控制時(shí)對(duì)半導(dǎo)體開關(guān)器件的導(dǎo)通和關(guān)斷進(jìn)行控制,使輸出

17、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(jì)的開關(guān)電源控制時(shí)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(hào)與基準(zhǔn)信號(hào)的差值來控制閉環(huán)反饋，以調(diào)節(jié)導(dǎo)通時(shí)間ton，最終控制輸出電壓（或電流）的穩(wěn)定。4.主電路設(shè)計(jì)及參數(shù)計(jì)算4.1 主電路的設(shè)計(jì)主電路主要完成對(duì)交流的整流濾波，對(duì)直流電壓降壓和濾波三個(gè)工作。整流電路圖設(shè)計(jì)如下：工作時(shí)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。脈寬調(diào)制控制型號(hào)有IGBT驅(qū)動(dòng)電路發(fā)出；RCD保護(hù)電路用以緩沖IGBT在高頻工

18、作環(huán)境下關(guān)斷時(shí)因?yàn)檎螂娏餮杆俳档投删€路電感在器件兩端感應(yīng)出的過電壓。工作時(shí)的波形圖如下：4.2 主電路的參數(shù)確定設(shè)計(jì)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(jì)輸出電壓為直流24V穩(wěn)壓，電流為8A直流。占空比通常取0.40.45，該電路取=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(jì)輸出功率為200W，所以可以確定：又由于Uin2=Uo1，確定電阻R1=100，一次側(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

19、為：對(duì)于整流濾波電路中的四個(gè)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。對(duì)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(duì)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

20、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0.2V1. 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：?jiǎn)蜗?20V交流 輸出電壓Uo1：59.52V直流 回路電流平均值Io1：0.5952A 電阻R0：81.8 電阻R1：100 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Urrm156V2.

21、 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R2：2.88 占空比：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Urrm169V IGBT參數(shù)： 最大集射極間電壓Uces85V，最大集電極電流Ic8.5A 最大集電極功耗Pcm723W5.控制電路、驅(qū)動(dòng)電路及保護(hù)電路的設(shè)計(jì)5.1 控制及驅(qū)動(dòng)電路設(shè)計(jì) 本文設(shè)計(jì)的開關(guān)電源的控制及驅(qū)動(dòng)電路的核心為三菱公司的M579系列驅(qū)動(dòng)器。電路圖如下所示：該集成驅(qū)動(dòng)器的內(nèi)部包含有檢測(cè)電路、定時(shí)及復(fù)位電路和電氣隔離環(huán)節(jié)，可在發(fā)生過電流時(shí)能快速響應(yīng)但慢速關(guān)斷IGBT。輸出的正驅(qū)動(dòng)電壓為+15V，負(fù)驅(qū)動(dòng)電壓為-10V。5.2 保護(hù)電路的設(shè)計(jì)本文設(shè)計(jì)的電源電路主要需要對(duì)IGBT在開通時(shí)采取di/dt保護(hù)和在關(guān)斷時(shí)采取過電壓保護(hù)，可選擇復(fù)合緩沖電路作為IGBT的保護(hù)電路，電路圖如下：6.課程設(shè)計(jì)總結(jié)通過本次課程設(shè)計(jì)，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(jì)過程和