直流开关稳压电源的设计 2012年5月I直流开关稳压电源的设计The Design of DC Switching Power Supply 摘 要开关电源具有效率高、体积小、重量轻等显著特点。目前世界各国都有广泛的应用，特别是对大容量高频开关电源的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究领域，并派生了很多新的研究方向。稳压电源是实现电能变换和功率传递的主要设备。在信息时代，农业、能 源、交通运输、通信等领域迅猛发展，对电源产业提出个更多、更高的要求，如节能、节材、减重、环保、安全、可靠等。这就迫使电源工作者不断的探索 寻求各种乡关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。开关电源是一种新型的电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高、耗能低、使用方便，并取得了较好的经济效益。本文在介绍了开关电源的各种工作方式、其优劣势、设计方法及未来发展方向等的基础上，对开关稳压电源进行设计。设计分为几个模块进行，包括辅助电源模块、PWM控制模块、升压电路部分，其中PWM控制电路为电源设计的核心。关键词：开关电源 稳压电源 PWM控制 AbstractSwitching power has many remarkable characteristics such as high efficiency, smallness and lightness. Countries all over the world have extensive application in switching power, especially research on large capacity high-frequency switching has already become the main research field of power electronics and many new research directions has derived from it. Power is to achieve power conversion and power transmission major equipment.In the information age, agriculture, energy, transportation, communications and other areas Power of the source industry make a greater and higher requirements,such as energy, materials, weight reduction, environmental protection, safety and reliability. This has forced the power workers have been exploring the technology for a variety of rural customs, the power to make the best products to meet the requirements of all walks of life. Switching power supply is a new type of power supply, compared to traditional linear power supply, high technology, low energy consumption, easy to use, and has achieved good economic results. This paper describes the various switching power supply works, its advantages and disadvantages, design and direction of future development, based on the design of the switching power supply. Design is divided into several modules, namely, auxiliary power module, PWM control module, boost circuit part, which PWM control circuit for the power supply design of the core. Key words: switching power supply constant voltage power supply PWM control目 录摘要 IAbstractII绪论11 直流开关电源主电路的设计31.1 开关电源的基本原理与组成特点分析31.1.1 开关稳压电源的基本工作原理31.2 开关电源的结构与组成特点分析41.2.1 开关电源的基本结构41.2.2 DC-DC变换器类型51.2.3 控制电路61.3 主要电路的设计81.3.1 整流电路设计81.3.2 滤波电路设计81.4 DC-DC变换器设计91.4.1 DC-DC变换器电路设计及工作原理91.4.2 全桥DC-DC变换器的控制方式102 控制电路及保护电路的设计112.1 PWM集成控制器的工作原理112.1.1 两种控制模式的工作原理122.1.2 两种控制模式的比较选择132.2 保护电路的设计142.2.1 过电压保护142.2.2 过电流保护153 关键器件的选型163.1 整流桥晶闸管选型163.2 输入整流电容的选择163.3 DC-DC变换器开关管的选择163.4 输出整流二极管的选型17结论18致谢19参考文献20绪 论电力电子技术与装置的市场需求与日俱增，其中电源是电力电子技术的主要应用领域之一。随着微电子制造技术的进步，计算机、通信设备、家用电器得到飞速发展，这些设备内部往往需要采用直流稳压电源供电。很多关键的设备还需要不间断电源，以确保市电停电时设备仍能工作。近年来，随着电力电子技术的迅猛发展，新的电子元器件、新电磁材料、新变换技术、新控制理论及新的软件不断的出现并应用到开关电源，使开关电源达到了频率高、效率高、功率密度高、功率因数高、可靠性高。因此，许多领域，例如邮电通信、军事装备、交通设施、仪器仪表、工业设备、家用电器等都越来越多的应用开关电源，并取得了显著效益。随着芯片集成度的不断提高，电子设备内功能部件的体积不断减小，因而要求设备内部电源的体积和重量不断减小。提高开关频率是减小开关电源体积和重量的基本措施，因为变压器和电感电容等滤波元件的体积和重量随频率的提高而减小。高频化、小型化、模块化和智能化是直流开关电源的发展方向。高频化是小型化和模块化的基础，目前开关频率为数百kHZ至数MHz的开关电源已有使用。功率重量比或功率体积比是表征电源小型化的重要指标，50w/in的开关电源早已上市，目前己向120W/in发展。模块化与小型化分不开，同时模块化可提高电源的可靠性，简化生产与使用。模块电源的并联串联和级联既便于用户使用，也便于生产。智能化是便于使用和维修的基础，无人值守的电源机房、航空和航天器电源系统等都要求高度智能化，以实现正常、故障应急和危急情况下对电源的自动管理。现代越来越复杂的电子设备对电源提出了各种各样的负载需求。一个特定用途的电源装置，应当具有符合负载要求的性能参数和外特性，这是基本的要求。安全可靠是必须加以保证的。高效率、高功率因数、低噪音是普遍关注的品质。无电网污染、无电磁干扰、省电节能等绿色指标是全球范围的热门话题，并有相关的国际和国家标准规范进行约束。电源技术发展到今，己融汇了电子、功率集成、自动控制、材料、传感、算机、电磁兼容、热工等诸多技术领域的精华，已从多学科交叉的边缘学科成长为独树一帜的功率电子学1。电源电压的变换，要有一种基础的技术，使得变换简单，成本低，体积重量小、容易控制输出电压、变换方式等，由此，产生了一种电源变换技术，叫做开关电源技术，最早开始应用也就是上世纪90年代初，这种技术的核心就是先将电压能量统一变成直流，然后切成间隔脉冲，通过脉冲的占空比实现控制能量输出多少，来调节输出电压的目的，由于这种方法去掉了变压器，所以体积减小重量减轻，控制简单。如今都提倡绿色化、环保节能，而开关电源可以做到相比其他电源更优秀。首先是显著节电, 这意味着发电容量的节约。发电造成环境污染的重, 通过节电就可以减少对环境的污染。并且开关电源能很好的防止高次谐波对电网的污染，提高功率因素。直流开关稳压电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般多采用脉冲宽度调制（PWM）控制方式。随着电力电子技术的发展和创新，开关电源逐步向高频化方向发展。高频化使开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点，因此，研究、开发高质量的开关电源就变得十分必要，尤其在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义2。直流开关稳压电源主电路的设计，主要包括：输入滤波器：其作用是将电网存在的杂波过滤，同时也阻碍本机产生的杂波反馈到公共电网。整流与滤波：将电网交流电源直接整流为较平滑的直流电，以供下一级变换。逆变：将整流后的直流电变为高频交流电，这是高频开关电源的核心部分，频率越高，体积、重量与输出功率之比越小。输出整流与滤波：根据负载需要，提供稳定可靠的直流电源。本文设计的直流开关稳压电源主要应用于仪器仪表的开关电源，确定技术指标如下: (1) 电网输入电压：交流220V； (2) 电网频率：50Hz； (3) 输出电压：直流24V； (4) 输出最大电流：10A。1 直流开关电源主电路的设计1.1 开关电源的基本原理与组成特点分析1.1.1 开关稳压电源的基本工作原理开关式稳压电源的控制方式分为调宽式和调频式两种, 实际应用中, 调宽式使用的较多, 在目前开发和使用的开关电源集成电路中, 绝大多数也为脉宽调制型。调宽式开关稳压电源的基本原理如图1-1所示。图1-1 调宽式开关电源的基本原理对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压U0取决于矩形脉冲的宽度, 脉冲越宽，其直流平均电压值就越。其中有:U0=UmT1/T式中，Um为矩形脉冲的最大电压值；T为矩形脉冲周期，T1为矩形脉冲宽度。由此可知, 当Um与T不变时，直流平均电压U0将与脉冲宽度T1成正比。这样，只要设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄， 就可以达到稳定电压的目的3。开关稳压电源（简称开关电源）是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般多采用脉冲宽度调制（PWM）控制方式。随着电力电子技术的发展和创新，开关电源逐步向高频化方向发展。高频化使开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点，因此，研究、开发高质量的开关电源就变得十分必要，尤其在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关稳压电源具有，效率高，输出功率大，输入电压变化范围宽，节约能耗等优点， 而被广泛使用在各个行业和领域中。开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即占空比来改变输出电压，通常有三种调制方式: 脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调