输出可调的宽输入隔离降压微型变压系统设计开题报告

1. 研究目的与意义

1.开关电源的研究背景

随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子技术产品的种类越来越多，电子技术产品更是与让人们的工作、生活和学习息息相关。任何电子设备都离不开可靠的电源，而且他们对电源的要求越来越高。特别是小型电子设备的应用越来越广泛，需要能提供可靠的电源以供小型电子设备的用电需要，基于这个思想，设计成本低微小型化的开关稳压电源成为市场趋势。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。

2.开关电源的简介

2. 研究内容和预期目标

1.主要研究内容

设计基于BT2747微小型化24V输入电压升降压型DCDC电源转换微模块，其输入电压是5-24V，输出电压是3.3-24V，尺寸小于14mm*14mm*3.2mm。对其内部电路结构完成分析，并设计、制备和测试性能。本课题是完成基于BT2747微小型化宽输入电压输出可调隔离型DCDC电源转换微模块设计。微模块的技术指标如下：

2.脉宽调制（PWM）基本原理

脉宽调制（PWM）基本原理：控制方式就是对逆变电路开关器件的通断进行控制，使输出端得到一系列幅值相等的脉冲，用这些脉冲来代替正弦波或所需要的波形。也就是在输出波形的半个周期中产生多个脉冲，使各脉冲的等值电压为正弦波形，所获得的输出平滑且低次谐波少。按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制，即可改变逆变电路输出电压的大小，也可改变输出频率。例如，把正弦半波波形分成N等份，就可把正弦半波看成由N个彼此相连的脉冲所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于∏/n，但幅值不等，且脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲序列用同样数量的等幅而不等宽的矩形脉冲序列代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦等分的中点重合，且使矩形脉冲和相应正弦部分面积（即冲量）相等，就得到一组脉冲序列，这就是PWM波形。可以看出，各脉冲宽度是按正弦规律变化的。

根据冲量相等效果相同的原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦的负半周,也可以用同样的方法得到PWM波形。

在PWM波形中，各脉冲的幅值是相等的，要改变等效输出正弦波的幅值时，只要按同一比例系数改变各脉冲的宽度即可，因此在交－直－交变频器中，PWM逆变电路输出的脉冲电压就是直流侧电压的幅值。

2.1脉冲调制的具体过程

脉冲宽度调制（PWM）是一种对模拟信号电平进行数字编码的方法。通过高分辨率计数器的使用，方波的占空比被调制用来对一个具体模拟信号的电平进行编码。PWM信号仍然是数字的，因为在给定的任何时刻，满幅值的直流供电要么完全有（ON），要么完全无（OFF）。电压或电流源是以一种通（ON）或断（OFF）的重复脉冲序列被加到模拟负载上去的。通的时候即是直流供电被加到负载上的时候，断的时候即是供电被断开的时候。只要带宽足够，任何模拟值都可以使用PWM进行编码。多数负载（无论是电感性负载还是电容性负载）需要的调制频率高于10Hz，通常调制频率为1kHz到200kHz之间。许多微控制器内部都包含有PWM控制器。例如，Microchip公司的PIC16C67内含两个PWM控制器，每一个都可以选择接通时间和周期。占空比是接通时间与周期之比；调制频率为周期的倒数。执行PWM操作之前，这种微处理器要求在软件中完成以下工作：

1、设置提供调制方波的片上定时器/计数器的周期

2、 在PWM控制寄存器中设置接通时间

3、设置PWM输出的方向，这个输出是一个通用I/O管脚

4、启动定时器

5、使能PWM控制器

如今几乎所有市售的单片机都有PWM模块功能，若没有（如早期的8051），也可以利用定时器及GPIO口来实现。更为一般的PWM模块控制流程为（笔者使用过TI的2000系列，AVR的Mega系列，TI的LM系列）：

1、使能相关的模块（PWM模块以及对应管脚的GPIO模块）。

2、配置PWM模块的功能，具体有：

①：设置PWM定时器周期，该参数决定PWM波形的频率。

②：设置PWM定时器比较值，该参数决定PWM波形的占空比。

③：设置死区（deadband），为避免桥臂的直通需要设置死区，一般较高档的单片机都有该功能。

④：设置故障处理情况，一般为故障是封锁输出，防止过流损坏功率管，故障一般有比较器或ADC或GPIO检测。

⑤：设定同步功能，该功能在多桥臂，即多PWM模块协调工作时尤为重要。

3、设置相应的中断，编写ISR，一般用于电压电流采样，计算下一个周期的占空比，更改占空比，这部分也会有PI控制的功能。

4、使能PWM波形发生。

3.降压式开关电源

图（2） 降压型开关电路

降压式开关电源的典型电路如上图所示。

当开关管VT1导通时，二极管D1截止，输人的整流电压经VT1L向L充电，这一电流使电感Ｌ中的储能增加。可以得到 Vi-Vo=Ldi/dt

当开关管VT1截止时，电感Ｌ感应出左负右正的电压，经负载R和续流二极管D1释放电感Ｌ中存储的能量，维持输出直流电压不变。此时可得式子:Vo=Ldi/dt，

电路输出直流电压的高低由加在VT1基极上的脉冲宽度确定。

由此我们可以得出D=Vo/Vi，而Vo恒小于Vi，因为占空比D≤1。

各个器件的作用：

（1）电容器C负责使输出电压平稳

（2）二极管在开关开路时为电感器提供一条电流通路

（3）电感器用于存储即将传送至负载的能量

4单端反激式开关电源

图（3）单端反激式开关电源

所谓反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。

单端反激式开关电源的典型电路如上图所示。电路中所谓的单端是指高频变换器的磁芯仅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。

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，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VT1承受的最大反向电压是电路工作电压值的两倍，工作频率在20－200kHz之间。

5.BT2747简介

5.1主要特色

（1）4V至55V输入电压范围

（2）内置2A 70V功率开关管

（3）238KHz开关频率（140KHz可选）

（4）无第三绕组、光耦器件

（5）静态工作电流5mA

（6）休眠电流20μA

（7）内置功能选择模式

（8）可同步频率范围300KHz—600KHz

5.2引脚配置

图（4）BT2747封装的引脚配置

5.3引脚功能

SW：内置功率开关的集电极，有大电流流过，电感中的电流通过这个开关流入地。

VIN：芯片的供电引脚，使用时要连接旁路电容。

GND：PGND和SGND合并后的引脚，其中PGND是电源地，流入SW引脚的大电流从该引脚流出。SGND是信号地，流入芯片的驱动电流从该引脚流出。

S/S：这个脚具有两个功能：（1）同步外部时钟，在输入电压的下降沿内部功率管打开，同步模式开启。（2）S/S从低变高为1.5V时，芯片正常工作，从高变低为1.06V时，芯片关机；芯片正常工作时一般可以将S/S接到VIN。

FB：对于BOOST模式，FB为外部反馈电阻的输入引脚，通过电阻R_FB连接到V_OUT。由电阻R_FB和R_REF的比较决定输出电压。FB脚的参考电压为1.27V。

RFB：对于fIyback模式，RFB为外部反馈输入引脚，通过RFB的电阻连接到SW脚。由RFB和FB的电阻的比较决定输出电压。流入RFB脚的电流平均为100μA。

VC：用作环路补偿，连接RC串联电路到地。

5.4参数指标

图（5）BT2747的参数指标

6.预期目标

（1）完成电路分析，用LTspice对电路进行仿真和优化，使得电路结构正确，绘制电路

（2）完成器件参数的分析、计算和选择。

（3）设计微小化PCB设计，达到设计指标，绘制电路板。

（4）焊接完成微模块，测试、分析和优化达到设计指标。

3. 研究的方法与步骤

1.研究的方法

开关电源是利用现代电力电子技术（如晶体管、场效应管、可控硅闸流管等），通过控制电路，使电子开关器件不停地“接通”和“关断”，让电子开关器件对输入电压进行脉冲调制，从而实现dc/ac、dc/dc电压变换。以及输出电压可调和自动稳压。

开关电源由隔离变压器、整流滤波、和dc-dc变换器，它包含了开关电源的开关器件、储能器件、脉冲变压器、滤波器、输出整流器等所有功能器件和控制模块，而模块的设计是以dc-dc为核心，一般dc-dc变换的控制模块使用pwm调制的专用芯片，芯片内部集成了振荡器，误差比较器，pwm调制器，有的甚至有保护电路和驱动电路。同时用a/d采样，经过单片机处理显示当前输出的的电压，所以在设计过程中通过对开关电源各系统逐步详细的分析，从而达到设计的目的。

4. 参考文献

[1]孙树朴，郑征等.电子电子技术.徐州：中国矿业大学出版社.2000

[2]周志敏，周纪海.开关电源实用技术－设计与应用.北京：人民邮电出版社.2003

[3]杨 旭，裴云庆，王兆安.开关电源技术.北京：机械工业出版社.2003

5. 计划与进度安排

①1周~4周：进行课题相关外文的翻译和文献的调研

②5周~7周：对方案进行初步分析，并且计算和验证各器件的参数

③8周~9周：绘制课题相关电路图并且仿真，得出结论