直流开关电源的设计(附件)【字数：10171】
摘 要本文设计的是一种直流开关稳压电源，并让其具有稳压和保护电路的功能。本文采用的是一种新型的单片机开关电源UCC3802芯片，它能和通用脉宽调制(PWM)控制功能相结合。本文介绍了开关电源的工作原理和设计方法，并且设计了一种用于低功率开关电源的单端反激开关电源。利用该技术生产的高频开关电源具有成本低、电路简单、效率高的优点。同时本文也论述了开关电源的发展、特点及分类，并利用当前开关电源发展的新技术和新趋势，设计和生产了一种安全、高效、节能的通用开关电源。其主要由输入整流器、滤波电路、电源转换电路、高频变压器、输出整流滤波电路和控制电路组成。控制电路包括采样器、比较器、振荡器、脉宽调制和参考电压电路。采用UCC3802智能控制集成芯片和PC817 A、TL431等元件的专用芯片相结合，设计具有整流、反馈、滤波、稳定功能的单端开关电源。
目 录
第一章 绪论
1.1 开关电源的发展1
1.2 国内外的研发状况2
第二章 开关电源的原理及结构
2.1 开关电源电路的原理3
2.2 非隔离型DC/DC变换电路4
2.3 双闭环电流控制器的特点5
2.4 UCC3802开关电源集成控制器 5
第三章 开关电源的设计
3.1 开关电源的原理8
3.2 变压器的设计8
3.3 输出滤波器的设计9
3.4 复位电路计算9
第四章 功率开关管选择
4.1 电源噪声滤波器13
4.2 开关电源整流二极管的选择13
4.3 功率开关管的选择13
4.4 开关电源中使用的电容器14
第五章 开关电源的EDA仿真
5.1 设计原理及过程17
5.2 原理分析17
5.3 系统仿真18
结论 21
致谢 22
参考文献 23附录一 直流开关的设计的原理图 24
附录二 开关电源实物图 25 第一章 绪论
1.1 开 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
关电源的发展
随着集成电路的逐渐兴盛，特别是半导体存储器和微处理器的开发和使用，新一代电子系统应时而生。显然，具有大功率变频变压器的线性稳压电源已经过时，取而代之的将是一种既方便又高效的隔离开关电源。
早在70年代，随着电子技术的发展，卫星通信设备、程控开关等设备已经开始使用开关电源。这是由于开关电源能够满足当代电子设施对各种电压和电流的须要。
随着半导体技术的渐渐起色，高压快速开关晶体管使非工作频率互感器的开关电源能够快速投入实用。开关电源控制电路集成是半导体集成电路技术的迅速发展的重要前提。集成开关稳压器符合各种开关电源的要求。其功能不断提高，其技术不断完善，使用的外部元件越来越少，使得开关电源的设计和生产成为可能，生产和调整变得越来越容易，也越来越便宜。目前，已经形成了各种类型的集成开关稳压器。近年来，高压MOS大功率管发展迅速，开关电源的工作频率从20kHz直接增加到150~ 200khz。研究结果表明，整个开关电源不仅体积小、重量轻，而且效率极高。开关电源的性能比已经达到了前所未有的水平，因此它更具有与线性电源竞争的潜力。当然，开关电源也可以被工业所接受，开关电源在体积、重量和效率方面都有极大的优势。到70年代末，功率超过100W的开关电源是最具有社会竞争力的。到1980年，功率将超过50W。到80年代末期，随着开关电源的改进，电子设备的功耗已经在20W以上，因此更需要考虑开关电源的改进。在过去，在小功率范围内的开关功率的成本较高，但90年代以后，成本大大降低，电力设备、控制元件和磁性元件的成本已经降至冰点。此外，能源成本的增加也是影响开关电源发展的因素之一[1]。
在过去，控制电路和功率晶体管的拓扑结构通常用于开关电源的设计，但在此方案中存在一些问题。不过由美国电力集成公司开发的新型智能高频开关电源集成电路的顶部开关系列已经解决了这些问题。本系列芯片将采用集成自启动电路、PWM控制电路和保护电路，提高供电效率，简化和开发新产品。显然，开关电源已经发展成为了一个新的时代。现在有许多设计方法可以使用TOP Switch的第三代产品TOP249Y来开发具有多个输出开关电源的变平器。
1.2国内外的研发状况
1.2.1国外研究现状?
早在1955年，一位来自于美国科学家罗野，他率先发明了一种利用磁芯进行自激振荡的晶体管直流变换器。在那个时候，这项技术震惊了整个科学界。在20世纪60年代末，微电子技术快速发展，高反向电压和高电流功率开关晶体管由此诞生。从那时起，直流变频器就可以在整流和滤波后直接输入电源电压电网电压，从而最终放弃了体积大、重量大、效率低的功率变频器。与此同时也改善了晶体管直流变压器的应用范围，并在此基础上，提出了一种无电源变频器的开关电源。然而，在面对困难的时候，科学家出现了新的突破。科学家在一系列的实验下，终于制作出了谐振开关电源。谐振开关电源解决了功率管的大功耗问题，解决了低切换效绿的问题，但由于电缘开关的大电流和大电压，开关电源的可靠性和稳定性比较低，并且在GTR传导后的管压下降具有非常小的输出特兴。这两个问题的解决使得开关电缘可以扩展到大功率和超高功率场合[2]。?
1.2.2国内研究现状
国内的晶体管直流电源变频器和开关稳压电源的研究与发展始于20世纪60年代初，并且在20世纪60年代中进入了试用阶段。20世纪70年代初，我们开始涉计、开发和生产开关稳压电源和无电源频率降压变换器。在1974年，中国成功研制了第一台10KHz、5V直流无电压降压变换器。上世纪80年代初，试制的工作频率为100200KHz，在1980年代初期没有电源频率降亚变压器。该装置的高频开关稳亚电源在90年代初被成功制灶出来，目前正被大众逐渐使用，并进一步改善工作频率，但是技术上与一些先进的国家相比仍有巨大的差距。所以我国的半导体技术还不能够跟上时代的发展,这直接导致了开关稳压电源电路中的关键部件如电源开关晶体管、高频开关变压器磁性材料和快速恢复二极管, 还需要从国外进口。不过，经过国家多年来的培养，已经培养出了很多高科技技术人才。因此，我国开关电源的发展需要赶上世界先近水平，还需要改进我们的半导体技术和制作工艺水平。
第二章 开关电源的原理及结构
2.1开关电源电路的原理
我们知道开关电源有两种开关控制模式，即宽度调制和频率调制。在实际应用中用的比较多的是宽度调制。在目前的开发和应用中，开关电源集成电路大多数的宽度调制类型。所以下面主要介绍调宽式开关稳压电源。
?????? 宽度调制开关稳压电源的基本原理可看下图21。
图21 开关电源基本原理柱状图
目 录
第一章 绪论
1.1 开关电源的发展1
1.2 国内外的研发状况2
第二章 开关电源的原理及结构
2.1 开关电源电路的原理3
2.2 非隔离型DC/DC变换电路4
2.3 双闭环电流控制器的特点5
2.4 UCC3802开关电源集成控制器 5
第三章 开关电源的设计
3.1 开关电源的原理8
3.2 变压器的设计8
3.3 输出滤波器的设计9
3.4 复位电路计算9
第四章 功率开关管选择
4.1 电源噪声滤波器13
4.2 开关电源整流二极管的选择13
4.3 功率开关管的选择13
4.4 开关电源中使用的电容器14
第五章 开关电源的EDA仿真
5.1 设计原理及过程17
5.2 原理分析17
5.3 系统仿真18
结论 21
致谢 22
参考文献 23附录一 直流开关的设计的原理图 24
附录二 开关电源实物图 25 第一章 绪论
1.1 开 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
关电源的发展
随着集成电路的逐渐兴盛，特别是半导体存储器和微处理器的开发和使用，新一代电子系统应时而生。显然，具有大功率变频变压器的线性稳压电源已经过时，取而代之的将是一种既方便又高效的隔离开关电源。
早在70年代，随着电子技术的发展，卫星通信设备、程控开关等设备已经开始使用开关电源。这是由于开关电源能够满足当代电子设施对各种电压和电流的须要。
随着半导体技术的渐渐起色，高压快速开关晶体管使非工作频率互感器的开关电源能够快速投入实用。开关电源控制电路集成是半导体集成电路技术的迅速发展的重要前提。集成开关稳压器符合各种开关电源的要求。其功能不断提高，其技术不断完善，使用的外部元件越来越少，使得开关电源的设计和生产成为可能，生产和调整变得越来越容易，也越来越便宜。目前，已经形成了各种类型的集成开关稳压器。近年来，高压MOS大功率管发展迅速，开关电源的工作频率从20kHz直接增加到150~ 200khz。研究结果表明，整个开关电源不仅体积小、重量轻，而且效率极高。开关电源的性能比已经达到了前所未有的水平，因此它更具有与线性电源竞争的潜力。当然，开关电源也可以被工业所接受，开关电源在体积、重量和效率方面都有极大的优势。到70年代末，功率超过100W的开关电源是最具有社会竞争力的。到1980年，功率将超过50W。到80年代末期，随着开关电源的改进，电子设备的功耗已经在20W以上，因此更需要考虑开关电源的改进。在过去，在小功率范围内的开关功率的成本较高，但90年代以后，成本大大降低，电力设备、控制元件和磁性元件的成本已经降至冰点。此外，能源成本的增加也是影响开关电源发展的因素之一[1]。
在过去，控制电路和功率晶体管的拓扑结构通常用于开关电源的设计，但在此方案中存在一些问题。不过由美国电力集成公司开发的新型智能高频开关电源集成电路的顶部开关系列已经解决了这些问题。本系列芯片将采用集成自启动电路、PWM控制电路和保护电路，提高供电效率，简化和开发新产品。显然，开关电源已经发展成为了一个新的时代。现在有许多设计方法可以使用TOP Switch的第三代产品TOP249Y来开发具有多个输出开关电源的变平器。
1.2国内外的研发状况
1.2.1国外研究现状?
早在1955年，一位来自于美国科学家罗野，他率先发明了一种利用磁芯进行自激振荡的晶体管直流变换器。在那个时候，这项技术震惊了整个科学界。在20世纪60年代末，微电子技术快速发展，高反向电压和高电流功率开关晶体管由此诞生。从那时起，直流变频器就可以在整流和滤波后直接输入电源电压电网电压，从而最终放弃了体积大、重量大、效率低的功率变频器。与此同时也改善了晶体管直流变压器的应用范围，并在此基础上，提出了一种无电源变频器的开关电源。然而，在面对困难的时候，科学家出现了新的突破。科学家在一系列的实验下，终于制作出了谐振开关电源。谐振开关电源解决了功率管的大功耗问题，解决了低切换效绿的问题，但由于电缘开关的大电流和大电压，开关电源的可靠性和稳定性比较低，并且在GTR传导后的管压下降具有非常小的输出特兴。这两个问题的解决使得开关电缘可以扩展到大功率和超高功率场合[2]。?
1.2.2国内研究现状
国内的晶体管直流电源变频器和开关稳压电源的研究与发展始于20世纪60年代初，并且在20世纪60年代中进入了试用阶段。20世纪70年代初，我们开始涉计、开发和生产开关稳压电源和无电源频率降压变换器。在1974年，中国成功研制了第一台10KHz、5V直流无电压降压变换器。上世纪80年代初，试制的工作频率为100200KHz，在1980年代初期没有电源频率降亚变压器。该装置的高频开关稳亚电源在90年代初被成功制灶出来，目前正被大众逐渐使用，并进一步改善工作频率，但是技术上与一些先进的国家相比仍有巨大的差距。所以我国的半导体技术还不能够跟上时代的发展,这直接导致了开关稳压电源电路中的关键部件如电源开关晶体管、高频开关变压器磁性材料和快速恢复二极管, 还需要从国外进口。不过，经过国家多年来的培养，已经培养出了很多高科技技术人才。因此，我国开关电源的发展需要赶上世界先近水平，还需要改进我们的半导体技术和制作工艺水平。
第二章 开关电源的原理及结构
2.1开关电源电路的原理
我们知道开关电源有两种开关控制模式，即宽度调制和频率调制。在实际应用中用的比较多的是宽度调制。在目前的开发和应用中，开关电源集成电路大多数的宽度调制类型。所以下面主要介绍调宽式开关稳压电源。
?????? 宽度调制开关稳压电源的基本原理可看下图21。
图21 开关电源基本原理柱状图
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