48V10A高频开关电源设计.doc

48V10A高频开关电源设计摘要随着大规模集成电路的发展，要求电源模块实现小型化，因而需要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构，这就对高频开关电源技术提出了更高的要求本文设计的是一款具有实时监控、显示的高频开关电源采用软开关技术可以有效的降低开关损耗和开关应力，有助于变换器效率的提高而PFC技术可以提高AC/DC变换器的输入功率因数，减少对电网的谐波污染系统以MOS管作为功率开关器件，构成移相全桥ZVS PWM直流变换器，采用脉宽调制PWM技术，PWM控制信号由集成控制器UC3875产生，从输出实时采样电压反馈信号，以控制输出电压的变化，控制电路和主电路之间用变压器进行隔离，并设计了软启动和保护电路显示、监控用AT89C52、TLC2543和1602模块实现最后利用仿真验证本设计，分析该系统能安全可靠运行，达到了设计要求 关键字：高频开关电源，Boost变换器，相移ZVS-PWM变换器，仿真AbstractWith the development of large scale integrated circuit, power supply module to realize miniaturization, so need to constantly improve the switch frequency and adopts the new circuit topology, it is of high frequency switching power supply technology put forward higher request.Is a design in this paper has real-time monitoring, display of high frequency switch power supply. The soft switch technology can effectively reduce the switching loss and switch stress, help to enhance the efficiency of converter. PFC technology can improve the input power factor of AC/DC converter, reduce the harmonic pollution to power network. System to MOS tube as power switching device, constitute the phase shifting full bridge ZVS PWM dc converter, using pulse width modulation PWM technology, PWM control signal generated by the integrated controller UC3875, and from the output voltage feedback signal real-time sampling and to control the change of the output voltage, the control circuit and main circuit between isolation transformer, and design the soft start and protection circuit. Display, monitoring using AT89C52, TLC2543 and 1602 module implementation. Finally validate this design by simulation analysis of the system can be safe and reliable operation, has reached the design requirements.Keywords: HF Switeh Power SuPPly, Boost-Converter, Phase-shifted ZVS PWM converter, Simulation第1章 绪论 1.1高频开关电源的发展现状在各种电力电子设备中，都需要有电源供给其所需的能量，所以供电电源质量的好坏直接影响到电力电子设备能否安全可靠的运行。

电力电子设备常用的直流稳压电源分为线性电源和开关电源两大类线性稳压电源是一种连续控制型电源，它具有稳定性好、输出电压精度高、输出纹波电压小等优点，但其隔离变换部分必须使用体积重量都很大的工频变压器，而且开关管的损耗比较大，使得线性电源效率降低，实用性不高;开关电源是通过开关管的开通和关断来工作的一种直流稳压电源，它具的效率高、体积小、重量轻、可靠性和稳定性都较好、对输入电压波动不敏感等优点而广泛应用在现代电力电子设备中随着科学技术的进一步发展，现阶段电子设备的精密化和集成化程度越来越高，这就对供电电源的要求越来越高，所以在需要直流供电电源的系统中，开关电源已逐渐取代线性电源而处于最重要的地位，并且取得了快速的发展，代表着今后供电电源的发展方向从开关电源出现以来，其发展大致经历了以下几个阶段：最早出现的开关电源是由分立器件组成的，其开关速度慢、效率低，并且电路复杂、所含器件多、稳定性差、设计和调试都很不容易；20世纪70年代由于大集成电路的出现和不断发展，人们实现了开关电源控制电路的集成化，从而开关电源的体积减小，效率和稳定性得到了很大的提高；20世纪80年代研制成功了单片开关电源，它可以将开关电源的基本功能通过一个集成IC来实现，这种电源属于一种高度集成化的交流一直流变换器；如今，随着各种类型开关电源集成电路的不断发展和控制芯片功能的不断完善，电源的集成化程度越来越高，其效率和稳定性也不断的得到提高。

由于科学技术的不断进步，开关电源取得了快速的发展其发展方向可以概括为以下6个方面[1] ：1、频率越来越高理论分析和实践经验表明提高开关电源功率变换器件的开关速度可以明显地提高效率、减少磁性变压器材料的用量、减小电感和电容的体积重量当把开关频率提高200倍时，开关电源的体积重量相对可减少20～30%，其主要材料可以节约50%以上，还可节约超过25%的电能但是开关电源高频率的实现，必须要有相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件20世纪90年代，伴随着新一代功率铁氧体磁性材料的研制成功，使得开关电源的工作频率上限达到了500KHz，由此促使人们去大力发展新型高速MOSFET、IGBT等器件，开发高频用的损耗少的磁性材料，改进磁性元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数和降低其等效串联电阻等，同时使许多采用传统电子管的高频设备固态化、模块化，对开关电源小型化也产生了巨大的影响和推动作用2、集成度越来越高开关电源中使用了大量的元器件，因此其可靠性必然会降低，尤其是其中的电容器、光电祸合器和散热风扇等属于易损器件，其使用周期决定了开关电源的寿命，所以，在设计的开关电源时，应尽可能使用较少的器件，提高集成度，采用大规模集成电路和模块化设计。

这里所说的集成度的提高包括两方面：一是指功率器件的微观化，更加密集；二是指电源单元的集成化更高常见的器件模块含有多个分立的单元模块，包括开关器件及其并联的续流二极管，都属于一个单元模块，称为标准功率模块近年来，又出现了智能化功率模块和用户专用功率模块，使开关电源的几乎所有硬件都可以以芯片的形式集成到一个模块中，实现了更高程度的集成3、模拟到数字的转化在功率电子技术中，控制部分最初是按模拟信号来设计和工作的，所以二十世纪八十年代以前，电力电子电路完全是通过模拟技术来搭建的随着数字信号处理技术的出现和日趋发展，并且越来越完善和成熟，数字电路显得越来越重要，显示出越来越多的优点：数字信号便于计算机进行处理、不会出现畸变失真、具有较高的抗干扰能力、便于使用软件包进行调试和测量，也便于植入容错、自诊断等技术所以，自九十年代以来，在各类电路和系统的设计中，模拟技术虽然还发挥着作用，比如电磁兼容（EMC）问题和功率因数修正（PFC）等问题的解决、印刷电路版的布图等，但是对于智能化的开关电源，需要由计算机进行控制时，就必须使用数字化技术来实现4、绿色节能电源系统的绿色节能化包括两个方面：其一是指节约电能；其二是指电源不能（或很少）对电网产生污染。

为此，国际电工委员会（IEC）制定了相应的标准和规范事实上，许多功率电子转换设备，都会对电网造成一定的污染，造成电网电压质量的下降20世纪末，功率因数校正技术的不断发展和有源滤波器和有源补偿器的研制成功，为开关电源的绿色化奠定了更加坚实的基础5、使用计算机技术来设计和控制早期的开关电源的设计中，必须将所设计的电路做成面包板，使用测试仪器来实现初步的验证，这样会使整个设计过程耗时费力，成本增加，而且随着开关电源的集成化智能化程度的提高，使用传统的验证方法已经不再适用随着计算机技术的发展，设计者在设计开关电源时可以使用计算机辅助软件对所设计的开关电源进行仿真研究，可以仿真出接近实际电路的结果，便于修改参数，从而可以有效的缩短研发时间和节约研发成本；在控制方面，使用计算机检测和控制，组成多功能的监控系统，可以对开关电源实现实时检测、记录并自动报警和关断等6、输出电压电流的范围越来越宽输出电压电流的范围宽包括两个方面：一是由于开关电源的高性能，使得它代替线性电源用在一些电压电流比较高的工业领域，这就要求开关电源具有较大的输出功率；二是由于半导体技术的发展，微处理器和各种微型、便携式电子设备的工作电压越来越低，这就要求电源系统能够提供低输出电压以适应微处理器和电子设备的供电要求。

通过以上几个方面的不断发展，使开关电源技术的越来越成熟，从而实现了高品质和高效率用电的结合但是开关电源结构复杂，稳定性不高，由于其工作在开关状态，对电路的干扰严重，电源噪声大，所以现阶段开关电源的电磁干扰抑制和稳定性研究己成为新的研究课题并取得了较快的发展，促使大批电源工程师去做深入的研究和开发同时，在计算机技术的发展下，电路的仿真研究己成为当今电力电子设备设计的必要手段，随着电路的集成化和智能化成都不断提高，其建模更加困难，所以在现阶段，优化电路设计，建立合适的模型也成为许多研究者研究的新课题1.2高频开关电源的概念电是工业的动力，是人类生活的源泉电源是产生电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等；在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标我们用的电，一般都需要经过转换才能适合使用的需求，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换为小功率等按照电子理论[2]，所谓AC/DC就是交流转换为直流；AC/AC称为交流转换为交流，即为改变频率；DC/AC称为逆变；DC/DC为直流变交流后再变直流为了达到转换的目的，电源变换的方法是多样的自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。

所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（Switching Power Supply）开关电源在转换过程中，用高频变压器隔离称之为离线式开关变换器（Off-line Switching Cpnwerter），常用的AC/DC变换器就是离线式变换器第一部分是输入电路，它包含有低通滤波和一次整流环节220V交流电直接经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压Vi，此电压送到第二部分进行功率因数校正，。