1、物理與機電工程學院（20152016 學年第 二 學期）綜合設計報告開關電源的設計專 業：電子信息科學與技術學 號： 2014216010 姓 名： 侯 濤 指導教師： 石玉軍 開關電源的設計摘要隨著開關電源在計算機、通信、航空航天、儀器儀表及家用電器等方面的廣泛應用, 人們對其需求量日益增長, 并且對電源的效率、體積、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。開關電源以其效率高、體積小，重量輕等優勢在很多方面逐步取代了效率低、又笨重的線性電源。電力電子技術的發展，特別是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速發展，將開關電源的工作頻率提高到相當高的水平，使其具有高穩定性和高性價比

2、等特性。開關電源技術的主要用途之一是為信息產業服務。信息技術的發展對電源技術又提出了更高的要求，從而促進了開關電源技術的發展。開關電源的高頻變換電路形式很多，常用的變換電路有推挽、全橋、半橋、單端正激和單端反激等形式。本文章是基于芯片UC3842的小功率高頻開關電源系統設計。關鍵詞 開關電源 半橋 全橋 高頻變壓器1、引言1.1研究的背景隨著大規模和超大規模集成電路的快速發展，特別是微處理器和半導體存儲器的開發利用，孕育了電子系統的新一代產品。顯然，那種體積大而笨重的使用工頻變壓器的線性調節穩壓電源已經過時。取而代之的是小型化、重量輕、效率高的隔離式開關電源。開關電源技術發展趨勢可以歸納以下幾

3、點：小型化、薄型化、輕量化、高頻化是開關電源的主要發展方向。提高可靠性，提高集成度，增加保護功能，拓寬輸入電壓范圍，提高平均無故障時間。隨著頻率提高，開關電源的噪聲隨之增大，降低噪聲也是高頻開關電源的研究方向。   提高電源裝置和系統的電磁兼容性(EMC)。用計算機軟件進行輔助設計與控制，具有高效、高精度、高經濟性和高可靠性的優點，可以使開關電源具有最佳電路結構與最佳工作狀況。開關電源高頻化的實現，與磁性元件和半導體功率器件的發展狀況有著密切的關系。隔離式開關電源的核心是一種高頻電源變換電路。它使交流電源高效率地產生一路或多路經調整的穩定直流電壓。早在70年代，隨

4、著電子技術的不斷發展，集成化的開關電源就已被廣泛地應用于電子計算機、彩色電視機、衛星通信設備、程控交換機、精密儀表等電子設備。這是由于開關電源能夠滿足現代電子設備對多種電壓和電流的需求。隨著半導體技術的高度發展，高反壓快速開關晶體管使   無工頻變壓器的開關電源迅速實用化。而半導體集成電路技術的迅速發展又為開關電源控制電路的集成化奠定了基礎，適應各類開關電源控制要求的集成開關穩壓器應運而生，其功能不斷完善，集成化水平也不斷提高，外接組件越來越少，使得開關電源的設計、生產和調整工作日益簡化，成本也不斷下降。目前己形成了各類功能完善的集成開關穩壓器系列。近年來高反壓MOS大功率管的迅速發

5、展，又將開關電源的工作頻率從20kHz提高到150200kHz，其結果是使整個開關電源的體積更小，重量更輕，效率更高。開關電源的性能價格比達到了前所未有的水平，使它在與線性電源的競爭中具有先導之勢。當然開關電源能被工業所接受，首先是它在體積、重量和效率上的優勢。在70年代后期，功率在100W以上開關電源是有競爭力的。到1980年，功率在50W以上就具有競爭力了。隨著開關電源性能的改善，到80年代后期，電子設備的消耗功率在20W以上，就要考慮使用開關電源了。過去，開關電源在小功率范圍內成本較高，但進入90年代后，其成本下降非常顯著，當然這包括了功率組件，控制組件和磁性組件成本的大幅度下降。此外，

6、能源成本的提高也是促進開關電源發展的因素之一。1.2  研究的目的及意義1.2.1研究的目的隨著社會經濟的發展，人類已經進入工業時代，并正在轉入高新技術產業迅猛發展的時期，電源是向負載提供優質電能的供電設備，是工業的基礎。本論文的目的就是查閱相關資料，掌握開關電源的內部結構，學習怎樣設計小功率開關電源的方法，這以后從事相關事業打下基礎，開闊視野，從而提高自身的能力。1.2.2研究的意義課題研究的意義在于：當代許多高新技術均與電源的電壓、電流、頻率、相位和波形等基本技術參數的變換和控制相關，電源技術能夠實現對這些參數的精 確控制和高效率的處理，因此，電源技術不但本身是一種高新

7、技術，而且還是其評它多項高新技術的發展基礎。電源技術及其產業的進一步發展必將為大幅度節約電能、降低材料消耗以及提高生產效率提供重要的手段，并為現代生產和現代生活帶來為深遠的影響。1.3  高頻開關電源的發展情況  1.3.1開關電源的發展情況目前我國通信、信息、家電和國防等領域的電源普遍采用高頻開關電源，相控電源將逐漸被淘汰。國內開關電源技術的發展，基本上起源于20世紀70年代末和80年代初。當時引進的開關電源技術，在高等院校和一些科研院所停留在實驗開發和教學階段。20世紀80年代中期開關電源產品開始推廣和應用。20世紀80年代開關電源的特點是采用20kHz脈寬調

8、制（PWM）技術，效率可達65%70%。經過20多年的不斷發展，開關電源技術有了重大進步和突破。新型功率器件的開發促進了開關電源的高頻化，功率MOSFET和IGBT可使小型開關電源的工作頻率達到400kHz(AC/DC)或1MHz(DC/DC);軟開關技術使高頻開關電源的實現有了可能，它不僅可以減少電源的體積和重量，而且提高了電源的效率（國產6kW通信開關電源采用軟開關技術，效率可達93%）；控制技術的發展以及專用控制芯片的生產，不僅使電源電路大幅度簡化，而且使開關電源的動態性能和可靠性大大提高；有源功率因數校正技術（APFC）的開發，提高了AC/DC開關電源的功率因數，既治理了電網的諧波污染

9、，又提高了開關電源的整體效率。 1.3.2高頻開關電源的主要新技術標志新型磁性材料和新型變壓器的開發、新型電容器和EMI濾波器技術的進步以及專用集成控制芯片的研制成功，使開關電源實現了小型化，并提高了EMC性能。微處理器監控技術的應用，提高了電源的可靠性，也適應了市場對其智能化的要求。新型半導體器件的發展是開關電源技術進步的龍頭。目前正在研究高性能的碳化硅半導體器件，一旦開發成功，對電源技術的影響將是革命性的。此外，平面變壓器、壓電變壓器及新型電容器等元器件的發展，也將對電源技術的發展起到重要作用。另外，集成化是開關電源的一個重要發展方向。通過控制電路的集成、驅動電路的集成以及保護電路的集成，

10、最后達到整機的集成化生產。集成化和模塊化減少了外部連線和焊接，提高了設備的可靠性，縮小了電源的體積，減輕了重量。目前。總之，回顧開關電源技術的發展過程，可以看到，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大勢所趨，也是今后的發展方向，因此高頻開關電源的發展很具研究意義！在開關電源領域，我國的民族產業在國內一直占有舉足輕重的地位。在開關電源應用的起步階段，很多生產廠家采取的都是小作坊的生產模式。經過20余年的不懈努力，逐步向大規模生產轉化，產品也從單一品種走向系列化。現在，我國已形成一批上億元甚至10億元以上產值的電源企業，有些產品已進入國際市場。這是我國開關電源技術不斷成熟的表現。 

11、;從技術上看，幾十年來推動開關電源性能和技術水平不斷提高的主要標志如下所述： （1）新型高頻功率半導體器件的開發使實現開關電源高頻化有了可能功率MOSFET和IGBT已完全可以取代功率晶體管和晶閘管，從而使中小型開關電源工作頻率可以達到400KHz(AC-DC)和1MHz(DC-DC)的水平。超快恢復功率極管，MOSFET同步整流技術的開發也使高效低電壓輸出(例如3V)開關電源的研制有了可能。現在正在探索研制耐高溫的高性能炭化硅功率半導體器件。（2）軟開關技術使高頻率開關變換器的實現有了可能PWM開關電源按硬開關模式工作(開/關過程中電壓下降/上升和電流上升/下降波形有交疊)，因而開關損耗大。

12、開關電源高頻化可以縮減體積重量，但開關損耗卻更大了(功率與頻率成正比)。為此必須研究開關電壓/電流波形不交疊的技術，即所謂零電壓開關(ZVS)/零電流開關(ZCS)技術，或稱軟開關技術。小功率軟開關電源效率可以提高到80-85%。70年代諧振開關電源奠定了軟開關技術的基礎，以后新的軟開關技術不斷涌現，如準諧振(80年代中)，全橋ZVS-PWM 、恒頻ZVS-PWM/ZCS-PWM(80年代末)、ZVS-PWM有源鉗位；ZVT-PWM/ZVCT-PWM(90年代初)；全橋移相ZV-ZCS-PWM(90年代中)等，我國己將最新軟開關技術應用于6KW通信電源中，效率達93%。 

13、（3）控制技術研究的進展，例如電流型控制及多環控制，電荷控制，一周期控制，功率因數控制，DSP控制及相應專用集成控制芯片的研制成功等，使開關電源動態性能有很大提高，電路也大幅度簡化。（4）有源功率因數校正技術(APFC)開發，提高了AC-DC開關電源功率因數，由于輸入端有整流電容組件，AC-DC開關電源及一大類整流電源供電的電子設備(如逆變器，UPS)等的電網側功率因數僅為0.65。80年代用APFC技術后可以提高到0.95-0.99。既治理了電網的諧波“污染”，又提高了開關電源的整體效率。  （5）磁性組件新型材料和新型變壓器的開發，例如集成磁路，平面型磁心，超薄型(Low

14、0;profile)變壓器。新型變壓器如壓電式，無磁心印制電路(PCB)變壓器等，使開關電源的尺寸重量都可減少許多。  （6）新型電容器和EMI濾波器技木的進步，使開關電源小型化并提高了EMC性能。（7）微處理器監控和開關電源系統內部通信技術的應用，提高了電源系統的可靠性。90年代末又提出了新型開關電源的研制開發，這也是新世紀開關電源的遠景。如用一級AC-DC開關變換器實現穩壓或穩流，并具有功率因數校正功能，稱為單管單級(Single Switch Single Stage)或4S高功率因數AC-DC開關變換器；輸出1V, 50A的低電壓大電流

15、DC-DC變換器，又稱電壓調節模塊VRM，以適應下一代超快速微處理器供電的需求。2、設計內容和要求2.1初始條件：輸入交流電源：單相220V，頻率50Hz。 2.2主要任務:1、輸出兩路直流電壓：12V，5V。2、直流最大輸出電流1A。3、完成總電路設計和參數設計。3、 方案的論證和選擇3.1 方案一：電源輸入，即單相交流電壓。輸出為：12V、5V直流電壓，最大電流1A。交流電220V經過一個整流濾波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控制MOSFET管的關斷，調節直流電壓的占空比，最后經過LC濾波電路得到所需電壓。通過對輸出電壓的取樣，比較和放大，調

16、節控脈沖的寬度，以達到穩壓輸出的目的。開關電源原理框圖如圖1所示。220V DC12V、5V DC整流濾波降壓斬波電路濾波脈沖寬度調制（PWM）保護電路圖1 整體設計方框圖 整流部分是利用具有單向導通性的二極管構成橋式電路來實現的；濾波部分是利用電容電感器件的儲能效應，構成LC電路來實現的；降壓部分是利用降壓斬波電路來實現， 控制方式為脈寬調制控制（PWM），即在控制時對半導體開關器件的導通和關斷進行控制,使輸出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。本次設計的開關電源控制時首先保持主電路開關元件的恒定工作周期（T=Ton+Toff

17、），再由輸出信號與基準信號的差值來控制閉環反饋，以調節導通時間Ton，最終控制輸出電壓（或電流）的穩定。  3.2 方案二：首先對輸入的220V,50Hz的交流電源進行整流濾波，得到直流電壓，再經過高頻逆變得到高頻交流電壓，然后在經過高頻變壓器降壓，再經過高頻整流得到脈動直流，最后經過濾波器得到要求的直流電。整體設計方框圖如圖2所示：12V、5V DC脈動濾波器高頻高頻變壓器高頻逆變直流220V高頻整流整流濾波 交流交流交流圖2 整體設計方框圖 整流部分是利用具有單向導電性質的二極管構成的橋式電路來實現；濾波部分則是利用電容電感器件的儲能效應，構成LC電路來實現的；高頻逆變

18、電路則是通過開關電力電子器件的開通關斷性質實現的；高頻變壓器降壓則是通過互感變壓器實現降壓的；高頻整流則是通過整流器件實現交流變脈動直流的；而濾波器則是通過電容的濾波效應實現脈動直流向直流的轉化的。由于方案一，方案二均設計難度大，不易操作，故采用方案三（見系統框圖）。 4、系統框圖開關電源通常由六大部分組成，如圖3所示。圖3 系統框圖第一部分是輸入電路，它包含有低通濾波和一次整流環節。220V交流電直接經低通濾波和橋式整流后得到未穩壓的直流電壓Vi，此電壓送到第二部分進行功率因數校正，其目的是提高功率因數，它的形式是保持輸入電流與輸入電壓同相。功率因數校正的方法有無源功率因數校正和有

19、源功率因數校正兩種。所謂有源功率因數校正，是指電源在校正過程中常采用三極管和集成電路。開關電源電路常采用有源功率因數校正。第三部分是功率轉換，它是由電子開關和高頻方波脈沖電壓。第四部分是輸出電路，用于將高頻方波脈沖電壓經整流濾波后變成直流電壓輸出。第五部分是控制電路，輸出電壓經過分壓、采樣后于電路的基準電壓進行比較、放大。第六部分是頻率振蕩發生器，它產生一種高頻波段信號，該信號與控制信號疊加進行脈寬調制，達到脈沖寬度可調。有了高頻振蕩才有電源變換，所以說開關電源的實質是電源變換。5、 硬件系統的設計 5.1 啟動電路 5.2 PWM脈沖控制驅動電路 5.3 電路輸出部分的設計根據設計要求，輸出

20、電路部分采用升壓式斬波電路。這一部分電路由電感、續流二級管、電容及負載電阻組成。升壓斬波電路的基本原理： 開關管以UC3842設定的頻率周期開閉，使電感L儲存能量并釋放能量。當開關管導通時，電感以ViL的速度充電，把能量儲存在L中。當開關截止時，L產生反向感應電壓，通過二極管D把儲存的電能以(V0-Vi)L的速度釋放到輸出電容器C2中。輸出電壓由傳遞的能量多少來控制，而傳遞能量的多少通過電感電流的峰值來控制。5.4 電路圖由三部分組成：（1）啟動電路，即降壓整流濾波電路，這部分主要是得到DC-DC的輸入電壓和為UC3842提供驅動電壓。（2）PWM脈沖控制驅動電路，它的主體是一個UC3842芯

21、片，以及它的外圍電路組成。用它的腳的輸出脈沖控制MOS管的工作，并且它自帶保護腳，簡單方便。（3）輸出部分，它是由一個升壓直流斬波電路構成，結構原路簡單。6、軟件系統的設計6.1 開關電源的基本原理開關穩壓電源（簡稱開關電源）是利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩定輸出電壓的一種電源。開關電源一般多采用脈沖寬度調制（PWM）控制方式。隨著電力電子技術的發展和創新，開關電源逐步向高頻化方向發展。高頻化使開關電源具有體積小、重量輕、效率高等優點，因此，研究、開發高質量的開關電源就變得十分必要，尤其在節約能源、節約資源及保護環境方面都具有重要的意義。開關穩壓電源具有， 效率高

22、， 輸出功率大， 輸入電壓變化范圍寬， 節約能耗等優點， 而被廣泛使用在各個行業和領域中。開關電源的工作原理就是通過改變開關器件的開通時間和工作周期的比值即占空比來改變輸出電壓，通常有6.2 三種調制方式: 脈沖寬度調制( P W M ) 、脈沖頻率調制( P F M )和混合調制。P W M調制是指開關周期恒定， 通過改變脈沖寬度來改變占空比的方式， 因為周期恒定， 濾波電路的設計容易，是應用最普遍的調制方式。開關穩壓電源的主回路框圖如圖 所示， 由隔離變壓器產生一個1 8 V的交流， 經過整流濾波成一個直流， 然后再進行D C - D C 變換， 有P W M 的驅動電路， 去控制開關電源

23、管的導通和截止， 而產生出一個穩定的電壓源，如圖所示：7、測試結果濾波整流電路波形圖仿真結果，經過整流濾波后的輸出電壓是18.7V8、 結論在這個實驗中，我知道了開關電源的概念、分類以及如何設計一個簡易的開關電源；當然通過這個實驗我知道了成功是建立在失敗的基礎之上的，沒有不經歷失敗就可以直接把實驗做成功的；只有通過自己的努力，才會獲得相對應的收獲。這個實驗更加讓我對Multisim、Altium Desiger軟件的學習與應用；我大概也知道了制PCB板時板尺寸大小以及合理的放置元件，相信我在以后的實驗中會做的更好。此次開關電源，其工作原理是PWM，即脈寬調制法。在這種工作方式下，開關器件按照外加的脈沖信號，周期的進行開通和關斷。當開關管承受電壓或者流過電流時，開關管仍需按照固定的周期進行開通或關斷，這種PWM稱為硬開關