毕业设计开关电源电路设计毕业论文.doc

柳州铁道职业技术学院 毕业设计（论文）论文题目 开关电源电路设计 系 别 电子工程系 专业班级 电气自动化技术七班 成 员 罗福 学 号 8302007311 指导教师 展星 时 间2010年11月25日至2010年12月27日目录摘要一、绪论 1（一）课题背景及意义 1（二）国内外研究现状 1（三）论文主要任务 5二、开关电源设计 5（一）工作原理 51.降压变换电路 52.绝缘栅双极型晶体管IGBT 93.开关稳压电源的控制原理 10(二)开关电源电路 101.主电路降压变换电路 102.PWM信号发生器 113.开关稳压电源的IGBT驱动电路及其保护电路 12三．开关电源的PCB 161.电路PCB综述 162. Protel DXP 2004中的系统工具箱和元件简介 163.PCB原理图及PCB板 16总结 17参考文献 18致谢 19附录 20 开关电源设计摘要：随着经济和科学的发展，世界能源逐渐紧缺，为拉更好的发展；追求更简易，经济的的电源是必不可少的，因此，作为能耗小，效率高的开关电源在各行各业都起到重要的地位。

本文主要通过论述开关电压的研究状况及其的工作原理体现出开关电源的优越及其的重要性，并绘出PCB图及PCB板关键词:开关电源；DC/DC；直流变换电路；降压；PWM；IGBT一、绪论（一）课题背景及意义 电源技术是一种应用功率半导体器件，综合电力变换技术、现代电子技术、自动控制技术的多科学边缘交叉技术随着科学的发展，电源技术又与现代控制理论、材料科学、电机工程、微电子技术等领域密切相关，目前电源技术已发展成为一门多科学互相渗透的综合性技术学科他对现代通讯、电子仪器、计算机、工业自动化、电力工程、国防及某些高新技术提供高技术、高效率、高可靠性的电源起着关键性的作用当代许多高新技术均与市电的电压、电流、频率、相位、和波形等相关参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效处理，特别能够实现大功率电能的频率变换，从而为多项高新技术的发展提供有力支持因此，电源技术不但本身是一项高新技术，而且还是其他多项高新技术的发展基础电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗及提高生产效率提供重要手段，并为现代生产和现代生活带来深远的影响电源，如今已经是非常重要的基础科学和产业，从日常生活到高端的科技，都离不开电源技术的参与和支持，电源技术也是在这种环境中不断的发展起来的。

电源重要性不可否认，但传统的电源存在不足的地方，例如，传统电源效率不高，线性电源由于功率管是在工作性放大状态，功率管的电流和输出电流是成比例的，因此当输出电流越大时，功耗越大通常，线性电源效率只有45%到50%左右，因此提高电源效率是未来电源设计，应着重解绝的问题，而开关电源能够很好的解决这个问题，开关电源的功率开关管是工作在开关状态，也就是，只是在开关管导通时，管子才会产生损耗，因此开关电源的效率比线性电源要高得多，通常达到80%以上本设计是以直流电源变换作为设计对象，利用输出电压与输入电压之间的占空比的关系，用变压器降升电压达到设计的要求.在用二极管做成一个整流桥把电流进行A/D之间的转换，调节PWM的相关参数实现可调开关电源的其中条件二）国内外研究现状       从八十年代末起，工程师们为了缩小DC/DC变换器的体积，提高功率密度，首先从大幅度提高开关电源的工作频率做起，但这种努力结果是大幅度缩小了体积，却降低了效率发热增多，体积缩小，难过高温关因为当时MOSFET的开关速度还不够快，大幅提高频率使MOSFET的开关损耗驱动损耗大幅度增加工程师们开始研究各种避开开关损耗的软开关技术。

虽然技术模式百花齐放，然而从工程实用角度仅有两项是开发成功且一直延续到现在一项是VICOR公司的有源箝位ZVS软开关技术；另一项就是九十年代初诞生的全桥移相ZVS软开关技术     有源箝位技术历经三代，且都申报了专利第一代系美国VICOR公司的有源箝位ZVS技术，其专利已经于2002年2月到期VICOR公司利用该技术，配合磁元件，将DC/DC的工作频率提高到1MHZ，功率密度接近200W/in3，然而其转换效率却始终没有超过90%，主要原因在于MOSFET的损耗不仅有开关损耗，还有导通损耗和驱动损耗特别是驱动损耗随工作频率的上升也大幅度增加，而且因1MHZ频率之下不易采用同步整流技术，其效率是无法再提高的因此，其转换效率始终没有突破90%大关 为了降低第一代有源箝位技术的成本，IPD公司申报了第二代有源箝位技术专利它采用P沟MOSFET在变压器二次侧用于forward电路拓朴的有源箝位这使产品成本减低很多但这种方法形成的MOSFET的零电压开关（ZVS）边界条件较窄，在全工作条件范围内效率的提升不如第一代有源箝位技术，而且PMOS工作频率也不理想      为了让磁能在磁芯复位时不白白消耗掉，一位美籍华人工程师于2001年申请了第三代有源箝位技术专利，并获准。

其特点是在第二代有源箝位的基础上将磁芯复位时释放出的能量转送至负载所以实现了更高的转换效率它共有三个电路方案：其中一个方案可以采用N沟MOSFET因而工作频率较高，采用该技术可以将ZVS软开关、同步整流技术、磁能转换都结合在一起，因而它实现了高达92%的效率及250W/in3以上的功率密度即四分之一砖DC/DC做到250W功率输出及92%以上的转换效率） 我们给出三代产品的等效电路，读者可从其细节品味各自的特色有关有源箝位技术近年论文论述颇多，此处不多赘述     全桥移相ZVS软开关技术，从90年代中期风靡大功率及中功率开关电源领域该电路拓朴及控制技术在MOSFET的开关速度还不太理想时，对DC/DC变换器效率的提升起了很大作用但是工程师们为此付出的代价也不小第一个代价是要增加一个谐振电感它的体积比主变压器小不了多少（约1/2左右），它也存在损耗，此损耗比输出滤波电感损耗也小不了太多第二个代价是丢失了8~10%的占空比，这种占空比的丢失将造成二次侧的整流损耗所以弄得不好，反而有得不偿失的感觉第三，谐振元件的参数需经过调试，能适应工业生产用的准确值的选定是要花费较多的时间，试验成本较高。

此外，因同步整流给DC/DC效率的提高带来实惠颇多，而全桥移相对二次侧同步整流的控制效果并不十分理想例如：第一代PWM ZVS全桥移相控制器，UC3875及UCC3895只控制初级侧若要提供准确的控制同步整流的信号需另加逻辑电路第二代全桥移相PWM控制器如LTC1922-1、LTC3722-1/-2，虽然增加了对二次侧同步整流的控制信号，在做好ZVS软开关的同时做好二次侧的同步整流但仍旧不能十分有效地控制好二次侧的ZVS ZCS同步整流，而这是提高DC/DC变换器效率最有效的措施UCC3722-1/-2的另一个重大改进是减小谐振电感的感量,这不仅缩小了谐振电感的体积,而且降低了损耗,占空比的丢失也减小了许多.这里我们给出LTC3722加上同步整流的控制电路，由业界工程师们自己去分析对照      在DC/DC业界，应该说，软开关技术的开发、试验、直到用于工程实践，费力不小，但收效却不是太大花在这方面的精力和资金还真不如半导体业界对MOSFET技术的改进经过几代MOSFET设计工业技术的进步，从第一代到第八代光刻工艺从5μM进步到0.5μM完美晶格的外延层使我们将材料所选择的电阻率大幅下降。

加上进一步减薄的晶片优秀的芯片粘结焊接技术，使当今的MOSFET （例如80V40A）导通电阻降至5mΩ以下，开关时间已小于20ns，栅电荷仅20nc，而且是在逻辑电平下驱动即可在这样的条件下，同步整流技术获得了极好的效果，几乎使DC/DC的效率提高了将近十个百分点效率指标已经普遍进入了>90%的范围      目前，自偏置同步整流已经普遍用于5V以下的低压小功率输出自偏置同步整流用法简单易行，选择好MOSFET即告成功，此处不多述而对于12V以上至20V左右的同步整流则多采用控制驱动IC，这样可以收到较好的效果ST公司的STSR2和STSR3可以很好地用于反激变换电路及正激变换电路线性技术公司的LTC3900和LTC3901则是2001年才推出的更优秀的同步整流控制IC.采用IC驱动的同步整流电路中，应该说最好的还是业界于2002年才正式使用的ZVS,ZCS同步整流电路，它将DC/DC转换器的效率带上了95%这一历史性台阶      ZVS,ZCS同步整流只适用初级侧为对称型电路拓朴，磁芯可以双向工作的场合即推挽、半桥以及全桥硬开关的电路二次侧输出电压24V以下，输出电流较大的场合，这时可以获得最佳的效果。

我们知道，对于传输同样功率高压小电流硬开关的损耗要比低压大电流硬开关时的损耗低很多我们利用这种性能将PWM的输出信号经过变压器或高速光耦传输至二次侧，适当处理其脉宽后，再去驱动同步整流的MOSFET让同步整流的MOSFET在其源漏之间没有电压，不流过电流时开启及关断只要此时同步整流的MOSFET的导通电阻足够小，栅驱动电荷足够小，就能大幅度地提升转换效率最高的95%的转换效率即是这样获得的，业界将其称为CoolSet,即冷装置，不再需要散热器和风扇了      这种电路拓朴的输出电压在12V、15V输出时效率最高，电压降低或升高，效率随之下降输出电压超过28V时，将与肖特基二极管整流的效果相当输出电压低于5V时采用倍流整流会使变压器利用更充分，转换效率也会更高在ZVS及ZCS同步整流技术应用于工程获得成功后，人们在不对称电路拓朴中也在进行软开关同步整流控制的试验例如已经有了有源箱位正激电路的同步整流驱动（NCP1560），双晶体管正激电路的同步整流驱动（LTC1681及LTC1698）但都未取得如对称型电路拓朴的ZVS,ZCS同步整流的优良效果近来,TI的工程师采用予捡测同步整流MOSFET开关状态,然后用数字技术调整MOSFET开关时间的方法突破性的做出ZVS的同步整流,从而解决了非对称电路的软开关同步整流,详情见专题论述.      近年来，复合电路拓朴也迅速发展起来，这种电路拓朴的集中目标都在于如何让同步整流部分的效率做到最佳状态。

当初级电压变化一倍时，二次侧的占空比会相应缩小一半而MOSFET的源漏电压却升高一倍这意味着我们必须选择更高耐压的同步整流用MOSFET我们知道，从半导体技术来分析MOSFET这种器件，当其耐压高一倍时，其导通电阻会扩大两倍这对于用做同步整流十分不利，于是我们设想可否将二次侧同步整流的MOSFET的工作占空比定在48%~50%这样我们选择比输出电压高2.5倍的MOSFET就可以了例如：3.3V输出电压时同步整流MOSFET的耐压选12V档就可以了而占空比变化大的我们就得选20V甚至30V的MOSFET，大家对比一下，12V的MOSFET会比20V的MOSFET的导通电阻小很多！正是基于这样一种思维，美国业界工程师先后搞出了多个复合电路拓朴 第一家申请专利的是美国SynQor。