开关电源毕业设计论文(2)

2 课题要求

(1) 在输入电压220V、50HZ、电压变化范围+15%～-20%条件下，输出电压可调范围5V

±10%

(2) 最大输出电流为2A；

(3) 电压调整率≤2%（输入电压220V变化范围+15%～-20%下，满载）； (4) 纹波电压（峰-峰值）≤5mV（最低输入电压下，满载）； (5) 工作效率≥85%（输出电压5V、输入电压220V下，满载）；

3 开关电源基础原理及其类型

3.1 开关电源基础理论

3.1.1 开关电源基本工作原理

开关电源的核心电路就是直流斩波变换电路。顾名思义，DC/DC变换电路就是将直流斩波变换成固定的或者可调的直流电压。DC/DC变化电路除了广泛应用于开关电源外，还应用于无轨电车、地铁列车、蓄电池供电的机车车辆的无级变速以及20世界80年代兴起的电动汽车调速及控制等。最基本的直流斩波电路如图 3-1所示。当开关S闭合时，Uo=Ui，持续时间为Ton；当S断开时，Uo=0V，持续时间为Toff。则T=Ton+Toff为斩波的工作周期，斩波的放大后的理想工作波形就如图 3-1（b）所示。若定义斩波占空比k=Ton/T，则Uo=kUi。

图 3-1 基本斩波电路及其波形

除了上述斩波电路以外，还有其他常用的三种斩波电路，分别为：Buck（降压型）直流斩波变换电路；升压式直流斩波变换电路（Boost电路）；升降压式直流斩波电路。

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3.1.2 开关电源的组成

开关电源的基本组成如图 3-2所示。其中DC-DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是PWM信号、PFM信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。

图 3-2 开关电源的基本组成

开关电源系统一般包括两大模块，第一个模块是功率主回路部分，完成能量的变换和传输，主回路使用的元件只有电子开关、电感和电容，但这三种元件的不同组合和连接形成不同类型的开关电源变换器。第二个模块是控制回路，控制回路比较复杂，早期由分立器件组成，随着大规模集成电路的发展，现在集成电路芯片逐步代替了分立器件，集成电路是电源产品体积小、可靠性高，给应用带来了极大方便。

3.2 开关电源的简介

3.2.1 开关电源的类型

直流开关电源的核心是DC/DC转换器。因此直流开关电源的分类是依赖DC/DC转换器分类的。也就是说，直流开关电源的分类与DC/DC转换器的分类是基本相同的，DC/DC转换器的分类基本上就是直 流开关电源的分类。直流DC/DC转换器按输入与输出之间是否有电气隔离可以分为两类：一类是有隔离的称为隔离式DC/DC转换器；另一类是没有隔离的称为非隔离式DC/DC转换器。

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隔离式DC/DC转换器也可以按有源功率器件的个数来分类。单管的DC/DC转换器有正激式（Forward）和反激式（Flyback）两种。双管DC/DC转换器 有双管正激式（DoubleTransistor Forward Converter），双管反激式（Double Transistr Flyback Converter）、推挽式（Push-Pull Converter） 和半桥式（Half-Bridge Converter）四种。四管DC/DC转换器就是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。

非隔离式DC/DC转换器，按有源功率器件的个数，可以分为单管、双管和四管三类。单管DC/DC转换器共有六种，即降压式（Buck）DC/DC转换器 ，升压式（Boost）DC/DC转换器、升压降压式（Buck Boost）DC/DC转换器、Cuk DC/DC转换器、Zeta DC/DC转换器和SEPIC DC/DC转换器。在这六种 单管DC/DC转换器中，Buck和Boost式DC/DC转换器是基本的，Buck-Boost、Cuk、Zeta、SEPIC式DC/DC转换器是从中派生出来的。双管DC/DC转换 器有双管串接的升压式（Buck-Boost）DC/DC转换器。四管DC/DC转换器常用的是全桥DC/DC转换器（Full-Bridge Converter）。各类型的开关电源特点如下。

（1）反激式：电路拓扑简单，元件数少，因此成本较低。但该电路变换器的磁芯单向磁化，利用率低，而且开关器件承受的电流峰值很大，广泛用于数瓦至数十瓦的小功率开关电源中。由于不需要输出滤波电感，易实现多路输出。

（2）正激式：电路拓扑结构形式和反激式变换器相似，虽然磁芯也是单向磁化，却存在着严格意义上的区别，变压器仅起电气隔离作用，而且电路变压器的工作点仅处于磁化曲线的第一象限，没有得到充分的利用，因此同样的功率，其变换器体积、重量和损耗大于半桥式、全桥式、推挽式变换电路。广泛用于功率为数百瓦至数千瓦的开关电源中。

（3）半桥式：电路结构较为复杂，但磁芯利用率高，没有偏磁的问题，且功率开关管的耐压要求低，不超过线路的最高峰值电压。克服了推挽式的缺点。适合数百瓦至数千瓦的开关电源中，高输入电压的场合。

（4）全桥式：电路结构复杂，但在所有隔离型开关电源中，采用相同电压和电流容量的开关器件时，全桥型电路可以达到最大的功率，目前，全桥型电路多被用于数百瓦至数千瓦的各种工业用开关电源中。

（5）推挽式：电路形式实际上是两只对称正激式变换器的组合，只是工作时相位相反。变压器的磁芯双向磁化，因此相同铁芯尺寸的输出功率是正激式的近一倍，但如果加在两个原边绕组上的VS积稍有偏差就会导致铁芯偏磁现象的生生，应用时需要特别注意。适合中功率输出。

下面就根据本课题，介绍与本课题相似的几款电路。

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3.2.2 单端正激式开关电源工作原理

单端正激式开关电源的典型电路如图 3-3所示。这种电路在形式上与单端反激式电路相似，但工作情形不同。当开关管VT1导通时, VD2也导通，这时电网向负载传送能量，滤波电感L储存能量；当开关管VT1截止时，电感L通过续流二极管VD3继续向负载释放能量。

图 3-3 单端正激式开关电源典型电路

在电路中还设有钳位线圈与二极管VD2，它可以将开关管VT1的最高电压限制在两倍电源电压之间。为满足磁芯复位条件，即磁通建立和复位时间应相等，所以电路中脉冲的占空比不能大于50%。

由于这种电路在开关管VT1 导通时，通过变压器向负载传送能量，所以输出功率范围大，可输出50~200W的功率。电路使用的变压器结构复杂，体积也比较大，正因为这个原因，这种电路的实际应用较少。 3.2.3 单端反激式开关电源工作原理

单端反激式开关电源的典型电路如图 3-4所示。电路中所谓的单端是指高频变压器的磁芯工作在磁滞回线的一侧。所谓的反激，是指当开关管VT1导通时，高频变压器Ｔ初级绕组的感应电压为上正下负，整流二极管VD1处于截止状态，在初级绕组中储存能量。当开关管VT1截止时，变压器Ｔ初级绕组中存储的能量，通过次级绕组及VD1整流和电容C滤波后向负载输出。反激式开关电源以主开关管的周期性导通和关断为主要特征。开关管导通时，变压器一次侧线圈内不断储存能量；而开关管关断时，变压器将一次侧线圈内储存的电感能量通过整流二极管给负载供电，直到下一个脉冲到来，开始新的周期。 开关电源中的高频变压器起着非常重要的作用：一是通过它实现电场-磁场-电场能量的转换，为负载提供稳定的直流电压；二是可以实现变压器功能，通过脉冲变压器的初级绕组和多个次级绕组可以输出多路不同的直流电压值，为不同的电路单元提供直流电量；三是可以

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实现传统电源变压器的电隔离作用，将热地与冷地隔离，避免触电事故，保证用户端的安全。

图 3-4 单端反激式开关电源典型电路

单端反激式开关电源是一种成本最低的电源电路，输出功率为20~100W，可以同时输出不同的电压，且有较好的电压调整率。唯一的缺点是输出的纹波电压较大，外特性差，仅适用于相对固定的负载。单端反激式开关电源使用的开关管T1承受的最大反向电压是电路工作电压的两倍，工作频率在20~200KHZ。本次课题采用的是反激式开关电源的方案。

4 开关电源的电路设计

4.1 主电路设计

开关电源的主电路包括整流电路，输入输出滤波电路，高频变压器，输出整流电路。其主电路的原理图如图 4-1所示。

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