1. 研究目的与意义
一． 开关电源电源是各种电子设备不可或缺的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。目前常用的直流稳压电源和开关电源两大类。由于开关电源本身消耗的能量低，电源效率比普通线性稳压电源提高一倍，被广泛用于电子计算机、通讯、家电等各个行业。对于开关电源的广泛应用，有必要对其原理进行了解、对其发展趋势有所掌握，对现实工作将有极大帮助。开关电源(Switch Mode Power Supply，即SMPS)被誉为高效节能型电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成稳压电源的主流产品。半个世纪以来，开关电源大致经历了四个发展阶段。早期的开关电源全部由分离元件构成，不仅开关频率低、效率不高，而且电路复杂，不易调试。在20世纪70年代研制出的脉宽调制器集成电路，仅对开关电源中的控制电路实现了集成化。20世纪80年代问世的单片开关稳压器，从本质上讲仍属于DC/DC电源变换器。随着各种类型单片开关电源集成电路的问世， AC/DC电源变换器的集成化变为现实。随着全球对能源问题的重视，电子产品的耗能问题将愈来愈突出，如何降低其待机功耗，提高供电效率成为一个急待解决的问题。传统的线性稳压电源虽然电路结构简单、工作可靠，但它存在着效率低（只有40%－50%）、体积大、铜铁消耗量大，工作温度高及调整范围小等缺点。为了提高效率，人们研制出了开关式稳压电源，它的效率可达85%以上，稳压范围宽，除此之外，还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，是一种较理想的稳压电源。正因为如此，开关式稳压电源已广泛应用于各种电子设备中，开关电源就是用通过电路控制开关管进行高速的导通与截止，将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压[1]。IC技术的普及使电子设备明显地小型化了。原材料水平的提高元器件的小型化使电子电路的结构也得到了改善。集成化和组件化使电子设备的元件数大幅度地减少，从而可靠性有显著地提高。近年来尽管物价上涨， 但由于生产量大， 电子设备的价格反而持续下降。然而给电子设备提供能源的电源部分却难以实现集成化。所以，在整个电子设备中，在体积和价格两个方面所占的比重越来越大。 电源中的损耗会引起电子设备的发热，不利于确保电子设备的高可靠性。 另外，随着电子设备容量的增大， 使用台数的增加也会增加能量的消耗。 在能源价格上涨的情况下对电源来说，节能是一个重要的课题。为了解决这些问题，用开关式电源替代传统的降压式电源。现今除一部分实验室用的电源外，差不多所有的电子设备中都用开关稳压电源。电子工业的发展 对开关稳压电源的需求量必然会更大。并且随着开关电源的小型、轻量、 高可靠、 高性能、低价格化，使用也会更加广泛。然而尽管引入了开关方式，可是电源的小型化、 轻量化还总是赶不上高密度集成化的电子设备的小型化，所以要继续从电源的电路技术、所用的元器件和材料等方面探索电源的小型 、 轻量、高性能、低价格等技术问题。此外,开关电源中,由功李开关过程引起噪声的环境问题,也是今后需要研究的课题[1]。由于科学技术的不断发展, 现代电源技术将在实际需要的推动下快速发展。开关电源的技术发展趋势可以概括为以下几个方面 :(1)高频化技术随着开关频率的提高, 开关变换器的体积也随之减少,功率密度也得到大幅提升 , 动态响应得到改善。小功率 DC/DC变换器的开关频率将上升到 MHz。但随着开关频率的不断提高, 开关元件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以及高频 EMI等新的问题也将随之产生。(2)数字化技术在传统功率电子技术中, 控制部分是按模拟信号来设计和工作。目前 ,在整个的电子模拟电路系统中,电视、音响设备、照片处理、通讯、网络等都逐步实现了数字化 ,而最后一个没有数字化的堡垒就是电源领域了。近年来 ,数字电源的研究势头不减,成果也越来越多。在电源数字化方面走在前面的公司主要有 TI和Microchip。 TI公司既有 DSP方面的优势, 又兼并了PWMIC专业制造商 UNITRODE公司 , 该公司已经用TMS320C28F10制成了通讯用的 48 V输出大功率电源模块, 其中 PFC和 PWM部分完全为数字式控制。现在, TI公司已经研发出了多款数字式 PWM控制芯片。目前主要是 UCD7000 系列、 UCD8000 系列和UCD9000系列 , 它们将成为下一代数字电源的探路者。它们总体上既包括硬件部分 , 还要做软件编程。硬件部分包括 PWM的逻辑部分、时钟、放大器环路的模数转换、数模转换以及数字处理、驱动 ,同步整流的检测和处理等[2]。(3)非隔离 DC/DC技术近年来 ,非隔离 DC/DC技术发展迅速。目前一套电子设备或电子系统由于负载不同 , 会要求电源系统提供多个电压挡级。例如台式 PC机就要求有 12V、 5 V、 3.3 V、 -12 V四种电压以及待机的 5 V电压, 主机板上则需要 2.5 V、1.8 V、1.5 V甚至 1 V 等。一套 AC/DC中不可能给出这样多的电压输出 ,而大多数低压供电电流都很大, 因此研究人员开发了很多非隔离的 DC/DC, 它们基本上可以分成两大类。一类在内部含有功率开关元件,称 DC/DC转换器。另一类不含功率开关, 需要外接功率 MOSFET, 称 DC/DC 控制器。按照电路功能划分, 有降压的 STEP-DOWN、升压的 BOOST, 还有能升降压的 BUCK-BOOST或SEPIC等, 以及正压转成负压的 INVERTOR等。其中品种最多 , 发展最快的还是降压的 STEP-DOWN。根据输出电流的大小,分为单相、两相及多相。控制方式上以 PWM为主, 少部分为 PFM。在非隔离的 DC/DC转换技术中, TI公司的预检测栅驱动技术采用数字技术控制同步 BUCK, 采用这种技术的 DC/DC转换效率最高可达 97%, 其中TPS40071等是其代表产品。 BOOST升压方式也出现了采用 MOSFET代替二极管的同步 BOOST的产品。在低压领域 ,增加效率的幅度很大,而且正在设法进一步消除 MOSFET体二极管的导通及反向恢复问题。(4)软开关技术为提高变换器的变换效率, 各种软开关技术应用而生, 具有代表性的是无源软开关技术和有源软开关技术, 主要包括零电压开关 /零电流开关 (ZVS/ZCS) 谐振、准谐振、零电压 /零电流脉宽调制技术 (ZVS/ ZCS-PWM)以及零电压过渡 /零电流过渡脉宽调制(ZVT/ZCT-PWM)技术等。采用软开关技术可以有效地降低开关损耗和开关应力, 有助于变换器变换效率的提高[3]。(5)功率因数校正技术 (PFC)由于 AC/DC变换电路的输入端有整流元件和滤波电容 ,在正弦电压输入时 ,单相整流电源供电的电子设备,电网侧 (交流输入端)功率因数仅为 0.6 ～ 0.65。采用 PFC(功率因数校正 )变换器 ,网侧功率因数可提高到0.95 ～0.99,输入电流 THD小于 10%。既治理了电网的谐波污染 ,又提高了电源的整体效率。这一技术称为有源功率因数校正 APFC单相, APFC国内外开发较早 ,技术已较成熟。目前 PFC技术主要分为有源PFC技术和无源 PFC技术两大类 ,采用 PFC技术可以提高 AC/DC变化器输入端功率因数 ,减少对电网的谐波污染 ,但还有待继续研究发展。(6)低输出电压技术随着半导体制造技术的不断发展 , 微处理器和便携式电子设备的工作越来越低, 这就要求未来的 DC/DC变换器能够提供低输出电压以适应微处理器和便携式电子设备的供电要求[2]。(7)模块化技术模块化有两方面的含义, 其一是指功率器件的模块化,其二是指电源单元的模块化。我们常见的器件模块, 含有一单元、两单元、六单元直至七单元, 包括开关器件和与之反并联的续流二极管, 实质上都属于“标准” 功率模块(SPM)。近年, 有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去, 构成了 “ 智能化”功率模块(IPM), 不但缩小了整机的体积, 更方便了整机的设计制造。实际上, 由于频率的不断提高 , 致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重, 对器件造成更大的电应力 (表现为过电压、过电流、毛刺 )。为了提高系统的可靠性 , 有些制造商开发了 “ 用户专用”功率模块(ASPM),它把一台整机的所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中 , 这样的模块经过严格合理的热、电、机械方面的设计 , 达到优化完美的境地。由此可见,模块化的目的不仅在于使用方便,缩小整机体积,更重要的是取消传统连线 ,把寄生参数降到最小,从而把器件承受的电应力降至最低 ,提高系统的可靠性[4]。(8)设计和测试技术建模、仿真和 CAD是一种新的设计工具。为仿真电源系统,首先要建立仿真模型 , 包括电力电子器件、变换器电路、数字和模拟控制电路以及磁元件和磁场分布模型等 ,还要考虑开关管的热模型、可靠性模型和EMC模型 。各种模型差别很大, 建模的发展方向是:数字-模拟混合建模、混合层次建模以及将各种模型组成一个统一的多层次模型等。电源系统的 CAD, 包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数最优化、磁设计、热设计、EMI设计和印制电路板设计、可靠性预估、计算机辅助综合和优化设计等。用基于仿真的专家系统进行电源系统的 CAD, 可使所设计的系统性能最优,减少设计制造费用,并能做可制造性分析 ,是 21世纪仿真和 CAD技术的发展方向之一。此外 ,电源系统的热测试、EMI测试、可靠性测试等技术也应大力发展。开关电源向集成化方向发展是未来的主要趋势，功率密度将越来越大，对工艺的要求也会越来越高。在半导体器件和磁性材料没有新的突破之前，重大的技术进步可能很难实现，技术创新的重点将集中在如何提高开关电源的效率和减小重量。因此，工艺水平将会在电源制造中占的地位越来越高[3]。21世纪，市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用MOSFET的开关电源转化频率可达几百千赫。为提高开关频率，必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式，目前这种谐振开关方式已经实用化。目前空间技术、计算机、通信。雷达、电视及家用电器中的电源逐渐被开关电源取代。现在一般应用的串联调整稳压电源，是连续控制的线性稳压电源。这种传统的串联稳压器，调整管总是工作于放大区，流过的电流是连续的。这种稳压器的缺点是承受过载和短路的能力差。效率低，一般只有35 ∽ 60%。由于调整管上损耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器[3]。开关电源的调整管工作在开关状态，功率损耗小，效率可高达70 ∽ 95％，稳压器体积小、重量轻，调整管功率损耗较小，散热器也随之减小。此外，开关频率工作在几十KHZ，滤波电感、电容可用较小数值的元件，允许的环境温度也可以大大提高。但是，由于调整元件的控制电路比较复杂，输出的纹波电压较高，瞬间响应较差。所以开关电源的应用也受到一定限制。电子装置地小型轻量化关键是供电电源的小型轻量化，因此，需要尽可能地降低电源电路中的损耗。开关电源基本上是半导体器件的开关工作，从原理上讲是低损耗的，但是半导体开关工作也必然存在着开关损耗，而且损耗随着开关频率成比例地增加。另一方面，开关电源中必须采用变压器、电抗器等磁性元件以及平滑滤波用地电容元件，开关频率高，可使这些元件小型化，然而，开关频率提高时，这些元件地损耗也随之增加[5]。目前市售的开关电源中采用双极型晶体管时，开关频率高达100KHZ；采用MOSFET时，开关频率达500KHZ。为提高开关频率必须减小开关损耗，随之需要采用高速开关元件。然而，电源高速开关时，电路存在的分布电感于电容，会由于二极管蓄积电荷的影响产生浪涌电压于噪声，不但影响周围电子设备的工作，而且也使电源本身的可靠性显著地降低。为防止开关工作产生地噪声，需要用RC或LC吸收电路，对于二极管蓄积电荷产生地浪涌电压要采用非晶体磁性、矩形磁芯地磁吸收电路。然而，对于MHZ以上地开关工作频率可利用谐振电路，加在开关两端地电压或通过开关地电流为正弦波，这样，减少开关损耗地同时可抑制浪涌电压。这种工作方式称为谐振开关方式，目前正在研制中。谐振开关方式可以极大地提高开关速度，原理上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率地一种最有效方式。采用谐振开关方式地几MHZ变换器已实用化，美国已研制成功20MHZ以上工作频率地变换器。利用谐振现象使开关损耗接近于零，消除电压或电流浪涌，零电压或零电流开关谐振变换器也研制成功[4]。有效利用磁性元件对于提高开关电源技术是极其重要的。作为高可靠性控制元件是采用磁放大器，而非晶磁芯在次起着关键作用。然而，开关频率达到MHZ以上，期待着开发几 厚膜非晶磁材料。开关电源的高频化也需要采用非晶磁芯的吸收电路。另外，采用高频铁氧体磁芯与准晶质超急冷磁芯作为主变压器的磁芯也需要研制。开关电源的集成化与小型化正在变为现实，目前正在研制开发主开关与控制电路集成于同一芯片的集成模块。然而，把功率开关与控制电路包括反馈电路都集成于同一芯片上，必须解决电气隔离与热绝缘的问题，这是今后一大课题。目前，世界各国正在大力研制新型开关电源，因这是节约能源的重大举措。为了赶上和超过世界先进技术水平，国内很多单位正在研制和应用，不断地向高频化、线路简单化和控制电路集成化方向发展。开关稳压电源的优越性表现在：① 功耗小 由于开关管功率损耗小，因而不需要采用大散热器。功耗小使得电子设备内温升也低，周围元件不会因长时间工作在高温环境下而损坏，这有利于提高整个电子设备的可靠性和稳定性。②稳压范围宽 当开关稳压电源输入的交流电压在150 ～ 250 V范围内变化时，都能达到很好的稳压效果，输出电压的变化在2％以下。而且在输入电压发生变化时，始终能保持稳压电路的高效率，因此，开关稳压电源能适用于电网电压波动比较大的地区。③体积小、重量轻 开关稳压电源可将电网输入的交流电压直接整流，再通过高频变压器获得各种不同交流电压，这样就可免去笨重的工频变压器，从而节省了大量的漆包线和硅钢片，使电源体积缩小、重量减轻。④安全可靠 开关稳压电路一般都具有自动保护电路。当稳压电路、高压电路、负载等出现故障或短路使，能自动切断电源，其保护功能灵敏、可靠。开关稳压电源的主要问题是电路比较复杂，输纹波电压较高，瞬态响应差等。因此，开关稳压电源的应用受到一定的限制。目前，世界各国正在大力研制开发新型开关电源，包括新的理论、新型电路方案于新型功率器件等，以适应各种电子设备的小型化。高效率等的需要[6]。二．Boost变换器：Boost变换器：也称升压式变换器，是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器。
图1.boost变换器基本结构开关管Q也为PWM控制方式，但最大占空比Dy必须限制，不允许在Dy=1的状态下工作。电感Lf在输入侧，称为升压电感。CCM时的基本关系：Q导通时为电感Lf储能阶段，此时电源不向负载提供能量，负载靠储于电容Cf的能量维持工作；Q关断时，电源和电感共同向负载供电，此时还给电容Cf充电。变换器必须接负载，不然会因能量不断送到负载端而使Vo不断升高而损坏。三．芯片BT2747：BT2747是贝克瓦特的一款升压型、反激式开 关稳压器芯片。内置一枚2A 70V功率开关管， 集成逻辑管理电路。BT2747的输入电压范围为4V至55V，具有模 式选择功能，可切换到反激式工作模式。BT2747是一款升压式与反激式相互切换的开关电源。BT2747工作在电流模式，内置开关的占空比主要受内置检流电阻上的电流控制。 在每个周期开始时，BT2747会打开内置开关管，这时电感上的电流增大，当检流电阻上的电压达到一定值时，比较器会输出高电平，使得逻辑模块拉低开关管的基极，即关掉了内置开关管。反馈电压用于调节检流电阻上的最大电流。这样设计的优点如下：1、加快电路对输入电压变化的响应；2、简化各种输入输出条件下的环路补偿电路；3、在负载过载或短路的情况下可以限制输出，4、保护电路。四．目的和意义：通信业的迅速发展极大地推动了通信电源的发展，开关电源在通信系统中处于核心地位，并已成为现代通信供电系统的主流。在通信领域中，通常将高频整流器称为一次电源，而将直流/直流（DC/DC）变换器称为二次电源。随着大规模集成电路的发展，要求电源模块实现小型化，因而需要不断提高开关频率和采用新的电路拓扑结构，这就对高频开关电源技术提出了更高的要求。本课题设计的开关电源体积小，重量轻；工作频率高；功率因数高；效率高，节省能源；纹波小；噪音低；便于采用公道而又灵活的配置[3]。
2. 研究内容和预期目标
一．开关稳压电源分类开关稳压电源地电路结构有多种，分类方法也很多，作如下说明：1． 按驱动方式分有自激式与它激式。
2． 按dc/dc变换器地工作方式分1） 隔离型有通/通方式、通/断方式、中心抽头方式、半桥方式和全桥方式、谐振方式。
2） 非隔离型有降压型、升压型、极性反转型、开关电容型以及谐振型。
3. 研究的方法与步骤
一．方案选择1．主拓扑方案选择方案一：采用反激式变换器。反激式变换器适合小功率的输出，输入电压大范围波动时，仍可以有较稳定的输出，并且可以实现带隔离的DC/DC变换，但其中的反激式变压器设计比较复杂，且整体效率较低。方案二：采用boost变换器，boost是一种斩波升压变换器，该拓扑效率高，电路结构简单，参数设计也比较容易。方案三：采用SPICE变换器，开关环路的对称性使其可以达到较高效率，电感的适当耦合也可以尽量减小纹波。但该方案成本较高，对电容电感值要求较高，检测和控制电路较为复杂。为节约成本，并从简单考虑，本作品选用方案二。2.控制反馈方案的选择方案一：系统由Boost模块实现升压任务，各模块所需PWM信号的由单片机提供，单片机AD采集实时输出量，经运算后通过改变占空比调整模块工作状态。该方案电路最简单，各种控制灵活，缺点有单片机运算量过大，开关信号占空比受单片机限制，浮点运算的时延影响电路跟随，另外单片机容易受到功率管开关干扰而失灵。方案二：使用振荡器、比较器产生PWM波，由负反馈电路实现输出控制，单片机负责状态切换和测量显示，该方案原理易于理解，但自己装调的PWM电路在开关时容易出现振铃毛刺，直接影响了系统效率，并且要完善反馈控制对回馈信号要求较高。方案三：借用现有成熟BT2747芯片，该类集成电路输出波形好，工作稳定，都具备至少一个反馈控制引脚，按照厂商提供的典型电路就可装调出应用电路。但这类电路一般针对专用场合设计，借用时需要较多设计计算，特别是该类芯片的反馈有极高的控制灵敏度。本作品采用方案三。二．理论分析和计算（1） 提高效率的方法在电路的设计过程中，找到了影响系统效率的主要因素有三点：功率变换器开关器件的开关损耗；感性元件的铁损和铜损；控制电路的损耗。.所以提高系统效率，我们可以从这三方面出发。①．开关器件的损耗不可避免，但是可以采用低功耗的开关管和二极管。采用MOS管做为开关管，BT2747中MOS管开关损耗小，其只在导通期间由开关损耗，适合频率比较高的工作场合。采用肖特基二极管SR560做为续流二极管，耐压高，损耗小。如此选择器件可以降低开关器件的损耗，提高系统效率。②．通过理论和实践验证，电感越大，纹波电流越小，电感损耗越大。所以在满足要求的条件下减小电感，并且严格按照要求绕制电感，减小磁隙，线圈紧凑等。③．在焊接时合理安排布局，减少开关信号走线的连接，可以在布局布线上减小损耗。（2）.参数计算第一步：计算平均输入电流通过能量守恒输入功率等于输出功率可以得到以下等式：VIN*IIN*η=VOUT*VIN, η为开关电源的转换效率，考虑最差的情况取值0.8，则可以得出IIN 。第二步：电感的选取占空比：为了使电感内部的电流不出现为零的情况，必须满足如下条件：可以求得最小电感量L第三步：计算输出电容电感上的电流（IL）以及续流二极管上的电流（ID）如图所示：图5.电感上的电流随时间的变化图6.二极管上的电流随时间的变化电感中的电流仅在开关管关断期间给负载进行电流传输，又因为输出电容上的平均电流为零，所以电感电流在开关管关断期间的平均电流等于整个周期中的输出电流。由(1)(2)得到电容的最小值。三．效率的提高开关电源效率降低的主要原因如下：1）开关晶体管驱动方法不佳，如过激励，激励不足以及反偏置 电流不足等。2）变压器设计不佳，如变压器饱和，变压器漏感大，绕组与铁芯的选用不适宜等。3）电压吸收电路参数不适当。4）整流器特性不佳，如整流器压降大，反向恢复时间长等。5）扼流线圈的电感不合适，线圈与铁芯损耗大等。6）辅助电路的功耗大，假负载电流过大，控制电路产生异常振荡等。诸多原因中最主要的是开关晶体管的损耗与整流二极管的损耗。整流二极管的损耗是由使用的二极管特性决定，要采用正向压降低，反向恢复时间短的二极管。为了降低二极管正向压降，尽可能地留有电流余裕量，降额使用。反向恢复时间短的一般采用肖特基二极管，开关频率可到几百KHZ，但肖特基二极管的反向耐压较低，一般只有40 ∽ 60 V。需要耐压高的二极管时，可采用PN结速复二极管，但这种二极管 的恢复时间为100ns以上，如果工作频率超过50KHZ以上时，损耗大不能采用这种二极管。目前已有反向恢复时间为60ns以下的高耐压恢复二极管，以及反向耐压为200V的肖特基二极管，可在几百KHZ工作频率电路中使用。开关晶体管的损耗与其基极驱动条件有很大关系，基极理想驱动波形如图7所示。脉冲上升时的峰值电流 是为了缩短晶体管的开通时间。开关晶体管导通瞬间晶体管上加有较高电压，如图8所示，其电压下降到正常饱和电压VCE(SAT)时需要时间，则晶体管功耗增加，因此，要防止开通瞬间的高电压产生。在开关晶体管特性表中一般不给出，必须实际测量而获得这种特性。晶体管到完全导通时的延迟时间随晶体管而有较大不同，即使上升时间 短的晶体管，其中也有很多有较长的延迟时间，为 的5 ∽ 10倍。对于图7. 基极理想驱动波形图8. 晶体管的开通特性这样的晶体管的大多数，即使在基极电压上升时提高瞬态电压，基极电流上升仍有延迟，如图7所示。图7中 是为了使晶体管继续导通的电流，这电流大时，发射极集电极饱和电压要下降。然而， 过大，晶体管的截止特性就变坏。 的最佳值一般为 的1/5，其值随晶体管不同而异。图7所示时集电极电流在晶体管导通后不变化的情况，集电极电流随时间变坏时，理想情况是基极电流也随集电极电流也随集电极电流成正比例变化。四．电路设计图9.整体电路图五．制作PCB电路板并测试六．制作达到尺寸要求的电路板并测试
4. 参考文献
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5. 计划与进度安排
①1周~4周：进行课题相关外文的翻译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④10周~11周：制作电路板，焊接实物⑤12周：测试结果与分析调试⑥13周~16周：完成毕业论文
