1、<p>　　武漢理工大學畢業(yè)設計（論文）</p><p><b>　　開關電源建模與設計</b></p><p>　　學院（系）： 自動化學院 </p><p>　　專業(yè)班級： 電氣0906班 </p><p>　　學生姓名： 王文娜 &l

2、t;/p><p>　　指導教師： 黃亮 </p><p>　　學位論文原創(chuàng)性聲明 </p><p>　　本人鄭重聲明：所呈交的論文是本人在導師的指導下獨立進行研究所取得的研究成果。除了文中特別加以標注引用的內容外，本論文不包括任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫的成果作品。本人完全意識到本聲明的法律后果由本人承擔。</p>&

3、lt;p>　　作者簽名： </p><p><b>　　年 月 日</b></p><p>　　學位論文版權使用授權書</p><p>　　本學位論文作者完全了解學校有關保障、使用學位論文的規(guī)定，同意學校保留并向有關學位論文管理部門或機構送交論文的復印件和電子版，允許論文被查閱和借閱。本人授權省級優(yōu)秀學士

4、論文評選機構將本學位論文的全部或部分內容編入有關數據進行檢索，可以采用影印、縮印或掃描等復制手段保存和匯編本學位論文。</p><p>　　本學位論文屬于1、保密囗，在 年解密后適用本授權書</p><p><b>　　2、不保密囗 。</b></p><p>　?。ㄕ堅谝陨舷鄳娇騼却颉啊獭保?lt;/p><p>

5、　　作者簽名： 年 月 日</p><p>　　導師簽名： 年 月 日</p><p>　　武漢理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）任務書</p><p>　　學院： 自動化 專業(yè)班級： 電氣0906班 </p><p&g

6、t;　　姓名： 王文娜 學號： 0120911350633 </p><p>　　畢業(yè)設計（論文）題目： 開關電源建模與設計 </p><p>　　任務書含以下方面的內容：</p><p>　

7、?。ㄒ唬?設計（論文）主要內容：</p><p>　　主要設計一個中小功率的開關電源，主要技術指標為：輸入為220V交流市電，輸出電壓為24V/12V兩檔，輸出電壓精度<=±1%，轉換效率>=85%(典型值)，輸出功率350W。具體研究內容為：①單端正激變換器建模與控制研究；②MOS管建模與特性分析；③電路設計及試驗。</p><p>　?。ǘ?要求完成的主要任務：

8、</p><p>　　1、完成不少于2萬印刷符，且與選題相關的英文文獻翻譯工作；</p><p>　　2、查閱相關文獻資料（論文參考文獻不低于中文13篇，英文2篇）；</p><p><b>　　3、撰寫開題報告；</b></p><p>　　4、掌握正激變換技術；</p><p>　　5、根據系

9、統(tǒng)要求，完成正激變換主電路和控制電路的硬件設計，主要器件的參數選型； </p><p>　　6、完成的控制器的控制策略設計；</p><p>　　7、MATLAB建模并完成系統(tǒng)仿真。</p><p><b>　?。ㄈ?進度安排</b></p><p>　　第1周指導教師與學生見面，指導學生選題，初步查找，收集相關資料。

10、</p><p>　　第2周由指導教師下達畢業(yè)論文（設計）任務書，制定畢業(yè)論文（設計）相關計劃。</p><p>　　第3-4周,學生應完成開題報告,并交給指導教師審閱。</p><p>　　第5-8周,學生自行設計畢業(yè)設計的實現思路，查找相關資料，做出PPT。</p><p>　　第9周，組織畢業(yè)論文(設計)中間檢查,檢查內容主要是讓學生展

11、示PPT，指導老師從旁糾正其中的思路缺陷，指引學生進行下一步工作。</p><p>　　第10-14周完成論文(設計)初稿,并交給指導教師審閱。</p><p>　　第15周學生根據指導教師提出的修改意見對論文(設計)進行修改，并完成論文的最終定稿，并準備畢業(yè)論文答辯。</p><p>　　第16周進行畢業(yè)論文(設計)答辯。</p><p>

12、　?。ㄋ模┍刈x參考資料及主要參考文獻</p><p>　　[1]孫余凱,吳鳴山,項綺明,等.穩(wěn)壓電源設計與技能實訓教程.北京:電子工業(yè)出版社,2007</p><p>　　[2]林渭勛.現代電力電子電路.杭州:浙江大學出版社,2002</p><p>　　[3]周志敏.開關電源實用技術.北京:人民郵電出版社,2005</p><p>　　[4

13、]王兆安,劉進軍.電力電子技.北京:機械工業(yè)出版社,2009</p><p>　　[5]劉勝利.開關電源設計與制作實踐.北京:電子工業(yè)出版社,2011</p><p>　　指導教師簽名： 年 月 日</p><p>　　系主任簽名：

14、 年 月 日</p><p>　　院長簽名（章）： 年 月 日</p><p>　　武漢理工大學本科生畢業(yè)設計（論文）開題報告</p><p><b>　　目 錄</b></p><p>　　摘

15、 要…………………………………………………………………………………………I</p><p>　　Abstract………………………………………………………………………………………II</p><p>　　第1章 緒論…………………………………………………………………………………...…1</p><p>　　1.1 課題研究背景…………………………………………………

16、……………………..…1</p><p>　　1.2 課題研究目的與意義………………………………………………………………..…1</p><p>　　1.3 開關電源的基本原理...............……………………………………………………...…1</p><p>　　1.4 開關電源發(fā)展概況…………………………………………………………………..…2<

17、/p><p>　　1.4.1 國外開關電源發(fā)展概況…………………………………………………………2</p><p>　　1.4.2 國內開關電源發(fā)展概況…………………………………………………………3</p><p>　　1.5 本文主要研究內容………………………………………………………………..……4</p><p>　　第2章 主電路拓撲結構選型

18、………………………………………………………………...…5</p><p>　　2.1 開關電源基本結構…………………………………………………………………..…5</p><p>　　2.2 幾種基本的DC-DC變換器………………………………………………………..…..6</p><p>　　2.2.1 降壓（Buck）型變換器…………...………………………………

19、………………6</p><p>　　2.2.2 單端反激（Flyback）式變換器……….…………………………………………..7</p><p>　　2.2.3 推挽（Push-Pull）式直流變換器…………………………………………………8</p><p>　　2.2.4 單端正激（Forward）式直流變換器……………………………………………9</p>

20、<p>　　2.3 主電路結構選擇……………………………………………………………..………..12</p><p>　　2.4 本章小結………………………………………………………………………………12</p><p>　　第3章 輸入、輸出整流濾波電路的設計………………………………………………….…13</p><p>　　3.1 EMI濾波器....

21、....…………………………………………………………………..…...13</p><p>　　3.1.1 EMI濾波器的基本結構………………………………………………….......…13</p><p>　　3.1.2 EMI濾波器的設計…………………………………………………...…………14</p><p>　　3.2 整流電路的選擇……………………………………

22、…………………………………16</p><p>　　3.2.1 單相半波整流電路…………………………………………………………..…16</p><p>　　3.2.2 單相橋式整流電路…………………………………………………………..…17</p><p>　　3.2.3 二極管的選擇………….…………………………………………………….…18</p>&

23、lt;p>　　3.2.4 電源濾波電容的計算……………………………………………………..……19</p><p>　　3.3 輸出級設計……………………………………………………………………………20</p><p>　　3.3.1 正激式濾波扼流圈的設計…………………………………………………..…20</p><p>　　3.3.2 濾波電容的設計………………

24、…………………………………………..……21</p><p>　　3.3.3 死電阻的設計………………………………………………………….….……21</p><p>　　3.3.4 輸出整流和續(xù)流二極管的選擇…………………………………………..……22</p><p>　　3.4 本章小結………………………………………………………………………………23</p&

25、gt;<p>　　第4章 變壓器的設計…………………………………………………………………………24</p><p>　　4.1 變壓器的工作原理……………………………………………………………………24</p><p>　　4.2 高頻變壓器的設計方法………………………………………………………………25</p><p>　　4.3 高頻變壓器的選擇………

26、……………………………………………………………27</p><p>　　4.4 本章小結………………………………………………………………………………31</p><p>　　第5章 控制電路、反饋電路和開關管設計…………………………………………………32</p><p>　　5.1 電壓型和電流型控制分析比較………………………………………………………32</p

27、><p>　　5.2 UC3844工作原理……………………………………………………………...……33</p><p>　　5.2.1 引腳說明…………………………………………………………………..……34</p><p>　　5.2.2 工作原理…………………………………………………………………..……34</p><p>　　5.3 外圍電

28、路的設計………………………………………………………………………38</p><p>　　5.3.1 啟動電路的設計……………………………………………………………..…39</p><p>　　5.3.2 振蕩器頻率的設置…………………………………………………………..…40</p><p>　　5.3.3 電流檢測電阻和濾波網絡的設計…………………………………………

29、..…40</p><p>　　5.4 MOSFET開關管的選擇…………………………………………………………....…41</p><p>　　5.4.1 功率MOSFET的工作原理……………………………………………………41</p><p>　　5.4.2 功率MOSFET的選擇…………………………………………………………42</p><p&g

30、t;　　5.4.3 開關管的緩沖電路……………………………………………………..………42</p><p>　　5.5 反饋電路的設計………………………………………………………………………44</p><p>　　5.5.1 器件TL431…………………………………………………………………..…44</p><p>　　5.5.2 器件PC817…………………………

31、……………………………………..……45</p><p>　　5.5.3 電壓反饋電路……………………………………………………..……………46</p><p>　　5.6 本章小結………………………………………………………………………………47</p><p>　　第6章 系統(tǒng)的建模與仿真…………………………………………………………………….48</p>

32、;<p>　　6.1 MATLAB簡介…………………………………………………………………………48</p><p>　　6.2 系統(tǒng)電路原理圖………………………………………………………………………49</p><p>　　6.3 系統(tǒng)的建?！?9</p><p>　　6.4 仿真結果…………………

33、……………………………………………………………50</p><p>　　6.5 結果分析………………………………………………………………………………57</p><p>　　6.6 本章小結………………………………………………………………………………57</p><p>　　結論………………………………………………………………………………………..……58致謝………

34、……………………………………………………………………………….…….59</p><p>　　參考文獻……………………………………………………………………………………..…60</p><p><b>　　摘 要</b></p><p>　　電源設備用以實現電能變換和功率傳遞，是各種電子設備正常工作的基礎，而高頻高效的小型開關電源又是開關電源

35、的必然趨勢，在通信、軍事裝備、交通設施、儀表儀器、工業(yè)設備、家用電器等領域得到了越來越多的廣泛應用。</p><p>　　本文首先分析了開關電源的工作原理，并闡述了針對設計題目想出的基本思路，繪制出清晰易懂的設計框圖。隨后，對每個組成部分電路分別進行了介紹，說明了為什么選擇這一電路，詳細講解電路設計的理論依據和電路工作原理以及性能要求。接著給出了整個設計的總圖，在整個電路的設計上，主要介紹了輸入整流濾波電路、高頻

36、變壓器、功率開關管、PWM控制器、反饋控制電路、輸出整流濾波電路、復位電路、緩沖電路等。</p><p>　　最后，論文在整體電路原理分析和子電路的設計基礎上，應用matlab仿真軟件對子電路模塊和整體電路進行功能仿真驗證，仿真結果滿足要求。進一步驗證理論分析和設計的正確性，也是設計理論與實踐仿真相結合的一次有意義的嘗試。</p><p>　　關鍵詞：單端正激式 開關電源 仿真 高頻變壓器

37、</p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Power supply equipment for electrical energy conversion and power transmission, is the foundation of all kinds of electronic equipment to work norm

38、ally, and high frequency efficiency. Besides, there is a trend for switch power supply to be small in size. And switch power supply has been widely used in communication, military facilities, transport, apparatus, indust

39、rial facilities, household appliances, etc.</p><p>　　This paper first analyzes the working principle of switching power supply, explains the basic idea and draws a clear and easy to understand design diagram

40、. Subsequently, each component part of the circuit is explained in detail and describes the theoretical basis of circuit design, circuit works and performance requirements .Then given a general diagram of the entire desi

41、gn, like the input rectifier filter circuit, high-frequency transformers, power switch, the PWM controller, feedback control c</p><p>　　Finally, by using the software named matlab, we can find that simulatio

42、n results meet the requirements. The whole progress not only further validates the correctness of the theoretical analysis and design, but also be a meaningful attempt to combination of theory and practice.</p>&l

43、t;p>　　Key words: single-ended forward; power supply; simulation; high frequency transformer</p><p><b>　　第1章 緒論</b></p><p><b>　　課題研究背景</b></p><p>　　開關電源是利用

44、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(wěn)定輸出電壓的一種電源，一般由脈沖寬度調制（PWM）控制IC和MOSFET構成。隨著電力電子技術的發(fā)展和創(chuàng)新，開關電源技術也在不斷地創(chuàng)新。目前，開關電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應用幾乎所有的電子設備，是當今電子信息產業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。</p><p>　　開關電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關電源輕、小

45、、薄的關鍵技術是高頻化，因此國外各大開關電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體材料上加大科技創(chuàng)新，以便在高頻率和較大磁通密度下獲得高的磁性能。同時電容器的小型化也是一項關鍵技術。對于高可靠性指標，美國的開關電源生產商通過降低運行電流、降低結溫等措施以減少器件的應力，使得產品的可靠性大大提高。 </p><p>　　模塊化是開關電源發(fā)展的總體趨勢，可以采用模塊化

46、電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設計成N+1冗余電源系統(tǒng)，實現并聯(lián)方式的容量擴展。針對開關電源運行噪聲大這一缺點，若單獨追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉換電路技術，在理論上即可實現高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉換技術的實際應用仍存在著技術問題，故仍需在這一領域開展大量的工作，使得該項技術得以實用化[1]。</p><p><b>　　課題研究目的與意義</b></p>

47、;<p>　　一般的電源，如直接從市電或電池吸取的原生態(tài)電能，在某種意義上來說是一種質量較差的“粗電”，這些“粗電”必須要經過轉換才能成為滿足于設備要求的“精電”。開關電源就是把市電的“粗電”轉換成直流電壓穩(wěn)定的“精電”的一種電源設備。</p><p>　　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，學習怎樣設計單端開關電源的方法，提高自身能力。</p><p>　

48、　1.3 開關電源的基本原理</p><p>　　開關電源就是采用功率半導體器件作為開關元件，通過周期性通斷開關，控制開關元件的占空比調整輸出電壓，開關電源的工作原理可以用圖1.1進行說明。</p><p>　　圖中輸入的直流不穩(wěn)定電壓Ui經開關S加至輸出端，S為受控開關，VD是一個受開關脈沖控制的開關調整管，若使開關S按要求改變導通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓Ui變成矩形脈沖電壓。這

49、個脈沖電壓經濾波電路進行平滑濾波后就可得到穩(wěn)定的直流輸出電壓Uo。</p><p>　　圖1.1 開關電源的工作原理</p><p>　　為了方便分析開關電源電路，定義脈沖占空比如下:</p><p><b>　　(1.1)</b></p><p>　　式中，T表示開關S的開關重復周期；Ton表示開關S在一個開關周期中的

50、導通時間。</p><p>　　開關電源直流輸出電壓Uo與輸入電壓Ui之間有如下關系：</p><p><b>　　(1.2)</b></p><p>　　由式(1.1)和式(1.2)可以看出，若開關周期T一定，改變開關S的導通時間Ton，即可改變脈沖占空比D，從而達到調節(jié)輸出電壓的目的。T不變，只改變Ton來實現占空比調節(jié)的穩(wěn)壓方式叫做脈沖寬

51、度調制(PWM)。由于PWM式的開關頻率固定，輸出濾波電路比較容易設計，因此PWM式開關電源用得較多。若保持Ton不變，利用改變開關頻率實現脈沖占空比調節(jié)，從而實現輸出直流電壓Uo穩(wěn)壓的方法，叫做脈沖頻率調制(PFM)。由于該方式的開關頻率不固定，因此輸出濾波電路的設計不易實現最優(yōu)化。既改變Ton，又改變T，實現脈沖占空比調節(jié)的穩(wěn)壓方式叫做脈沖調頻調寬方式。</p><p>　　在各種開關電源中，以上三種脈沖占空

52、比調節(jié)的穩(wěn)壓方式均有應用。</p><p>　　1.4 開關電源發(fā)展概況</p><p>　　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技術，而且還是其它多項高新技術的發(fā)展基礎。電源技術及其產業(yè)的進一步發(fā)展必將為大幅度節(jié)約電能、降低材料消耗以及提高生產效率提供重要

53、的手段，并為現代生產和現代生活帶來為深遠的影響。</p><p>　　1.4.1 國外開關電源發(fā)展概況</p><p>　　自1957年第一只可控硅(SCR)問世后，可控硅取代了效率低下的硒或氧化亞銅整流器件。在隨后的20年內，由于半導體工藝的進步，可控硅的電壓、電流額定值及其它特性參數得到了不斷提高和改進，滿足了通信設備不斷發(fā)展的需要。因此，直到70年代，發(fā)達國家還一直將可控硅整流器作為

54、大多數通信設備的一次電源使用。雖然可控硅整流器工作穩(wěn)定，能滿足通信設備的要求，但它是相控電源，工作于工頻，有龐大笨重的電源變壓器、電感線圈、濾波電容，噪聲大，效率低，功率因數低，穩(wěn)壓精度也較低。因此，自1947年肖克萊發(fā)明晶體管，并在隨后的幾年內對晶體管的質量和性能不斷完善提高后，人們就著力研究利用晶體管進行高頻變換的方案。1955年美國羅耶(GH·Roger)發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實現高頻轉換電路的開

55、始。1957年美國科學家又發(fā)明了自激式推挽雙變壓器變換器電路。在此基礎上，1964年美國科學家提出了取消工頻變壓器的串聯(lián)開關電源的設想，并在NEC雜志上發(fā)表了“脈寬調制應用于電源小型化”等文章，為使電源實現體積和重量的大幅下降提供了一條根本途徑[2]。</p><p>　　隨著大功率硅晶體管的耐壓提高和二極管反向恢復時間的縮短等元器件性能的改善，1969年終于做成了25KHz的開關電源。電源界把開關電源的頻率提高

56、到20KHz以上稱為電源技術的“20KHz革命”。經過幾年的努力，從開關電源的電路拓撲形式，到與之相配套的元器件等研究都取得了相當大的進展。隨后大功率晶體管(GTR)和功率場效應管(MOSFET)相繼被研制出來，其電壓、電流額定值大為提高，工作頻率也提高較多，可靠性也顯著增加。到80年代中后期，絕緣柵型雙極性晶體管(IGBT)已研制出來并投入了市場，各種通信設備所需的一次電源大多采取PWM集成控制芯片、雙極型晶體管、場效應管、絕緣柵雙極

57、晶體管。隨著微電子學的發(fā)展和元器件生產技術的提高，相繼又開發(fā)出了耐壓高的功率場效應管(VMOS管)和高電壓、大電流的絕緣柵型雙極性晶體管(IGBT)，具有軟恢復特性的大功率高頻整流管，各種用途的集成脈寬調制控制器和高性能的鐵氧體磁芯，高頻用的電解電容器，低功耗的聚丙烯電容等。</p><p>　　隨著通信用開關電源技術的廣泛應用和不斷深入，實際工作中人們對開關電源提出了更高的要求，提出了應用技術的高頻化、硬件結構

58、的模塊化、軟件控制的數字化、產品性能的綠色化，新一代電源的技術含量大大提高，使之更加可靠、穩(wěn)定、高效、小型、安全。在高頻化方面，為了提高開關頻率并克服一般的PWM和準諧振、多諧振變換器的缺點，又開發(fā)了相移脈寬調制零電壓開關諧振變換器。這種電路克服了PWM方式硬開關造成的較大的開關損耗的缺點，克服了準諧振和多諧振變換器工作頻率變化及電壓、電流幅度大的缺點，采用這種工作原理，大大減小了開關管的損耗，不但提高了工作頻率，更降低了變換電路對分布

59、參數的敏感性，拓寬了開關器件的安全工作區(qū)，在一定程度上降低了對器件的要求，從而顯著提高了開關電源的可靠性[3]。</p><p>　　1.4.2 國內開關電源發(fā)展概況</p><p>　　在我國，建國初期，郵電部門的科研技術人員開發(fā)了以國產大功率電動發(fā)電機組為主的成套設備作為通信電源。在引進原民主德國FGD系列和前蘇聯(lián)BCC51系列自動化硒整流器基礎上，借鑒國外先進技術，與工廠共同研制成功

60、國產XZL系列自動化硒整流器，并在武漢通信電源廠批量生產，開始用硒整流器裝備通信站，替換原有的電動發(fā)電機組。</p><p>　　但后來，我國的通信電源發(fā)展相當緩慢。1963年開始研制和采用可控硅(SCR)整流器,1965年著手研制逆變器和晶體管DC/DC變換器。除了可控硅整流器于1967年在武漢通信電源廠開始形成系列化生產，供通信設備作一次電源使用，并不斷得到改進，性能和質量逐步提高外，其它方面進展十分緩慢。一

61、直到80年代才開始生產20KHzDC/DC變換器，但由于受元器件性能的影響，質量很不穩(wěn)定，無法作為通信設備的一次電源使用，只是作為通信設備的二次電源使用[4]。</p><p>　　由于通信事業(yè)發(fā)展的需要，八十年代后期第一批引進了澳大利亞生產的48V/50A(開關頻率為40KHz)和48V/100A(開關頻率為20KHz)的高頻開關電源，在吸收國外先進技術的基礎上，投入較大的力量，開始研制自己的開關電源。郵電部武

62、漢電源廠、通信儀表廠等廠家開發(fā)出了自己的以PWM方式工作的開關電源，并推向電信行業(yè)應用，取得了較好的效果。隨后郵電部對電源提出了更新?lián)Q代和實現監(jiān)控(包括遠程監(jiān)控)的要求，眾多廠家都投入力量研制開發(fā)，推出了采用PWM技術的高頻開關電源，有些廠家還推出了實現遠程監(jiān)控的解決方案。短短幾年后，電信部門所用的一次通信電源幾乎都更換成了采用PWM集成控制芯片、大功率晶體管、功率場效應管、絕緣柵型雙極晶體管的半橋或全橋電路，其開關頻率為幾十至100K

63、HZ、效率高于90%、功率因數接近1。穩(wěn)壓精度優(yōu)于0.5%,模塊化組合的高頻開關電源，電信行業(yè)成套電源技術提高到了一個嶄新的水平。</p><p>　　目前，開關電源的發(fā)展趨勢繼續(xù)向高頻、高效、高可靠、高密度化、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化發(fā)展[5]。</p><p>　　1.5 本文主要研究內容</p><p>　　設計一個中小功率的開關電源，主要設計要求和技術指

64、標為：</p><p>　?、佥斎霝?20V交流市電，輸出電壓為24V/12V兩檔，輸出功率350W；</p><p>　?、谳敵鲭妷壕?lt;=±1%；</p><p>　?、坜D換效率>=85%(典型值) </p><p>　　研究內容主要是：分析、掌握該課題總體方案，廣泛閱讀相關技術資料，掌握開關電源的工作原理。研究主電

65、路變換器的控制方式，分析MOS管特性。最后，對電路進行設計并仿真，使系統(tǒng)達到設計要求。</p><p>　　第2章 主電路拓撲結構選型</p><p>　　本章主要介紹了幾種常用的開關電源拓撲結構和各自的工作原理，指出各種拓撲結構的優(yōu)缺點，并根據各電路的特征和課題的要求選出了最合適的主電路拓撲結構。</p><p>　　2.1 開關電源基本結構</p>

66、<p>　　從大的方面講，開關電源可分成：機箱(或機殼)、電源主電路、電源控制電路三部分。機箱既可起到固定的作用，也可起到屏蔽的作用。電源的主電路是負責進行功率轉換的部分，通過適當的控制電路可以將市電轉換為所需的直流輸出電壓。而控制電路則根據實際的需要產生主電路所需的控制脈沖和提供各種保護功能。</p><p>　　開關電源的基本結構框圖如圖2.1。</p><p>　　圖2.

67、1 開關電源基本結構框圖</p><p>　　從圖中可以看出，開關電源的主電路可以分為輸入整流濾波電路、高頻變壓器、輸出整流濾波、吸收和復位電路、開關控制電路、隔離反饋電路等六個部分。 </p><p>　　前級整流濾波電路用來消除電網的干擾，它將交流電通過整流模塊變換成含有脈動成分的直流電，然后通過輸入濾波使得脈動直流電變?yōu)檩^平滑的直流電，它還能防止開關電源產生的高頻噪聲向電網擴散。吸收

68、和輸入濾波可以對浪涌電流和尖峰電壓進行抑制和吸收，保證電路的正常工作，降低紋波的影響。變壓器是電路的核心部分，它把經過濾波整流的低頻電壓轉換成高頻電壓，同時隔離輸入與輸出。輸出整流濾波電路能實現要求得到的直流電壓，同時防止高頻噪聲對負載的干擾。反饋電路通過檢測輸出電壓，并與基準電壓進行比較，將結果傳遞給PWM控制器，從而調節(jié)開關管的占空比，達到穩(wěn)壓的目的。</p><p>　　2.2 幾種基本的DC-DC變換器&

69、lt;/p><p>　　2.2.1 降壓（Buck）型變換器</p><p>　　降壓（Buck）型變換器的電路圖如圖2.2所示。</p><p>　　圖2.2 降壓型變換器電路圖</p><p>　　它由功率開關管VT（圖中為N溝道增強型VMOS功率場效應晶體管）、儲能電感L、續(xù)流二極管VD、輸出濾波電容C以及控制電路組成，RL為負載電阻。輸入

70、直流電源電壓為Ui，輸出直流電壓（即瞬時輸出電壓的平均值）用Uo表示，輸出直流電流為：</p><p><b>　　(2.1)</b></p><p>　　功率開關管VT的導通與截止受控制電路輸出的驅動脈沖控制。當控制電路有脈沖輸出時，VT導通，續(xù)流二極管VD反偏截止，VT的漏極電流通過儲能電感L向負載供電，此時L中的電流逐漸上升，在L兩端產生左端正右端負的自感電勢抗

71、拒電流上升，L將電感轉化為磁能儲存起來。經過ton時間后，控制電路無脈沖輸出，使VT截止，但L中的電流不能突變，這時L兩端產生右端正左端負的自感電勢抗拒電流下降，使VD正向偏置而導通，于是L中的電流經VD構成回路，其電流值逐漸下降，L中儲存的磁能轉化為電能釋放出來供給負載，于是L中的電流經VD構成回路，其電流值逐漸下降，L中儲存的磁能轉化成電能釋放出來供給負載。經過toff時間后，控制電路輸出脈沖又使VT導通，重復上述過程。濾波電容C是

72、為了降低輸出電壓的脈動而加入的。續(xù)流二極管VD是必不可少的元件，倘若無此二極管，電路不僅不能正常工作，而且在VT由導通變?yōu)榻刂箷r，L兩端將產生很高的自感電勢而使功率開關管擊穿損壞。</p><p>　　降壓變換器的優(yōu)點是輸出電壓脈動較小，并且?guī)ж撦d能力強；對功率開關管和續(xù)流二極管的耐壓要求較低，它們承受的最大電壓為輸入最高電源電壓。缺點是非隔離，且輸入電流不連續(xù)，是脈沖電流，這對輸入電源不利，加重了輸入濾波的任務

73、；功率開關管和負載是串聯(lián)的，如果功率開關管擊穿短路，負載兩端電壓便升高到輸入電壓，可能使負載因承受過電壓而損壞。</p><p>　　2.2.2 單端反激（Flyback）式變換器</p><p>　　單端反擊式變換器由功率開關管VT、高頻變壓器T、整流二極管VD和濾波電容C、負載電阻RL以及控制電路組成。當VT導通時，VD截止，故稱為反激式變換器。在這種電路上，變壓器既起變壓作用，又起儲

74、能電感的作用。所以人們把這種電路稱為電感儲能式變換器。</p><p>　　功率開關管VT的導通與截止由加于柵-源極間的驅動脈沖電壓控制。ton期間，VT受控導通，忽略VT壓降，可以近似認為輸入直流電壓全部加在變壓器一次繞組兩端，變壓器一次電壓等于輸入電壓。此時變壓器一次繞組電壓極性為上端正下端負，二次繞組的電壓極性由同名端決定，為下端正上端負，故VD反向偏置而截止，二次繞組中無電流通過。此時能量儲存在變壓器的激

75、磁電感中，即儲存在磁芯和氣隙的磁場中。toff期間，VT受控截止，變壓器一次電感產生感應電勢反抗電流減小，使變壓器一、二次電壓方向（一次繞組電壓極性變?yōu)橄露苏隙素?，而二次繞組電壓極性變?yōu)樯隙苏露素摚谑荲D正向偏置而導通，儲存在磁場中的能量釋放出來，對濾波電容C充當，并對負載供電，輸出電壓等于濾波電容兩端電壓。由于這種直流變換器當功率開關期間VT導通時，整流二極管VD截止，電源不直接向負載傳送能量，而由變壓器儲能；當VT變?yōu)榻刂箷r

76、，VD導通，儲存在變壓器磁場中的能量釋放出來供給負載和輸出濾波電容，因此稱為反激式變換器。</p><p>　　單端反激（Flyback）式變換器的簡化電路圖如圖2.3所示。</p><p>　　圖2.3 單端反激式變換器簡化電路圖</p><p>　　它的性能特點是利用高頻變壓器一、二次繞組間電氣絕緣的特點，當輸入直流電壓是由交流電網電壓直接整流濾波獲得時，可以方

77、便地實現輸出端和電網之間的電氣隔離；能方便地實現多路輸出，只需在變壓器上多繞幾組二次繞組，相應地多用幾只整流二極管和濾波電容，就能獲得不同極性、不同電壓值的多路直流輸出電壓；保持占空比D在最佳范圍內的情況下，可適當選擇變壓器的變比，使直流變換器滿足對輸入電壓變化范圍的要求。</p><p>　　2.2.3 推挽（Push-Pull）式直流變換器</p><p>　　推挽式直流變換器電路圖如

78、圖2.4所示。VT1和VT2為特性一致、受驅動脈沖控制而輪換工作的功率開關管，每管每次導通時間小于0.5周期；高頻變壓器一次繞組 NP1=NP2=NP，二次繞組NS1=NS2=NS；VD1和VD2為整流二極管，L為儲能電感，C為輸出濾波電容，電路是對稱的。</p><p>　　在雙端直流變換器中，為了防止“共同導通”，要求功率開關管的存儲時間盡可能??；同時，必須限制驅動脈沖的最大寬度，以保證一對晶體管在開關工作中

79、有共同的截止時間。驅動脈沖寬度在半個周期中達不到的區(qū)域稱為“死區(qū)”。在提供驅動脈沖的控制電路中，必須設置適當寬度的“死區(qū)”，即驅動脈沖的死區(qū)時間要大于功率管的“關斷時間”。</p><p>　　圖2.4 推挽式變換器電路圖</p><p>　　推挽變換器的優(yōu)點是變壓器磁芯利用率高，輸出功率較大，輸出紋波電壓較?。粌芍还β书_關管的源極是連在一起的，兩組柵極驅動電路有公共端而無需絕緣，因此驅動

80、電路簡單。缺點是高頻變壓器繞組利用率低；功率開關管截止時承受2倍電源電壓，因此對功率開關管的耐壓要求高。 </p><p>　　盡管選用功率管時兩管是配對的，但在整個工作溫度范圍內，兩管的導通壓降、存儲時間等不可能完成一樣，這將造成變壓器一次電壓正負半周波形不對稱。只要變壓器的正負半周電壓波形稍有不對稱，磁芯中便產生“單向偏磁”，形成直流磁通。雖然開始時直流磁通不大，但經過若干周期后，就可能使磁芯進入飽和狀態(tài)。一

81、旦磁芯飽和，則變壓器激磁電感減至很小，從而使功率開關管承受很大的電流電壓，耗散功率增大，管溫升高，最終導致功率開關管損壞。解決單向勵磁的措施可以是采用電流型PWM集成控制器使兩管電流峰值自動均衡，或是在變壓器磁芯的磁路中加適當氣隙，用以防止磁芯飽和。</p><p>　　推挽式直流變換器用一對功率開關管就能獲得較大的輸出功率，適宜在輸入電源電壓較低的情況下應用。</p><p>　　2.2

82、.4 單端正激（Forward）式直流變換器</p><p>　　單端正激式直流變換器，簡稱單端正激變換器。它既可采用單個功率晶體管電路，也可采用雙功率晶體管電路。功率開關管VT1和VT2受控同時導通或截止，但兩個柵極驅動電路必須彼此絕緣。當功率開關VT1和VT2受控導通時，整流二極管VD1也同時導通，電源向負載傳送能量，電感L儲能。當VT1和VT2受控截止時，VD1承受反壓也截止，續(xù)流二極管VD2導通，L中的儲

83、能通過續(xù)流二極管VD2向負載釋放。輸出濾波電容C用于降低輸出電壓的脈動。</p><p>　　圖2.5 雙晶體管單端正激變換器電路圖</p><p>　　單端正激（Forward）式直流變換器電路圖如圖2.5所示。在ton期間，VT1和VT2導通，變壓器一、二次繞組電壓極性均為上端正下端負，整流二極管VD1正向偏置而導通，電源向負載傳送能量，儲能電感L儲能，同時高頻變壓器中的激磁電感儲能。

84、在toff期間，VT1和VT2截止，VD1承受反壓而截止，續(xù)流二極管VD2導通，L中儲能釋放出來供給負載。</p><p>　　VD3和VD4用于實現磁通復位，有鉗位作用。在ton期間他們承受反壓（其值為Ui）而截止；當VT1和VT2受控由導通變?yōu)榻刂箷r，變壓器一、二次繞組電壓極性均變?yōu)橄露苏隙素?，VD3和VD4正向偏置而導通，變壓器激磁電感中的儲能經VD3和VD4回送給電源。</p><p

85、>　　為了保證磁通復位，必須滿足toff≥tVD3=ton 也就是說，必須占空比D≤0.5。在tVD3結束至toff期末這段時間，變壓器激磁電感的儲能已經釋放完畢而VT1和VT2尚未受控導通，變壓器一、二次繞組的電壓均為零。</p><p>　　在單端反激變換器中，ton期間的變壓器一次電流就是磁化電流，由于通過電流在激磁電感中儲能來供給負載，因此磁化電流的最大值較大，為了防止變壓器磁芯飽和，磁芯中的氣隙應

86、較大。而在單端正激變換器中，變壓器激磁電感的儲能不用于供給負載，故磁化電流應相應小，變壓器磁芯中的氣隙也就較小。</p><p>　　雙功率晶體管單端正激變換器電感電流連續(xù)模式的輸出電流電壓為：</p><p><b>　　(2.2)</b></p><p><b>　　(2.3)</b></p><p

87、>　　式中，占空比D ≤0.5。</p><p>　　如前所述，單端正激變換器中的整流二極管VD1，在功率開關管導通時導通，功率開關管截止時截止。若把整流二極管VD1看成輸出回路中的功率開關，把高頻變壓器二次繞組電壓看成輸出回路的輸入電壓，則單端正激變換器的輸出回路不僅在電路形式上和降壓變換器的主回路一樣，而且工作原理也相同。</p><p>　　圖2.6 單晶體管單端正激變換器電路

88、圖</p><p>　　單端正激式直流變換器具有類似降壓變換器輸出電壓脈動小、帶負載能力強等特點。但高頻變壓器磁芯僅工作在磁滯回線的第一象限，其利用率較低。</p><p>　　采用單個晶體管的單端正激變換器電路圖如圖2.6所示。圖中N3是變壓器中的去磁繞組，通常這個繞組和一次繞組的匝數相等，并且保持緊耦合，它和儲能反饋二極管VD3用以實現磁通復位（VD3在VT由導通變截止后導通）。當電路

89、不設去磁繞組N3時，VT截止期間，在T中存儲的能量將導致VT承受很高的電壓幅值；并且在瞬態(tài)過程中高頻變壓器的漏感也引起關斷電壓尖峰疊加在VT上，易擊穿主功率開關管。所以必須采用帶有去磁繞組的二極管鉗位電路，以便把原邊高壓限制在允許范圍內。</p><p>　　當VT導通時，輸入電壓加在原邊繞組上，而副邊繞組的感應電動勢幅值為ENS/NP（E=Ui），其電流增長規(guī)律為：</p><p>&l

90、t;b>　　(2.4)</b></p><p>　　設原邊繞組的電感量為LP，在VT導通期間去磁繞組中的勵磁電流Iµ將按Et/LP規(guī)律增大，導通結束后的幅值為Eton/LP，開關管電流即是Iµ與折算負載電流和折算副邊電感電流增量之和。當VT截止后，原邊繞組上的電壓極性反向，其幅值被二極管VD3鉗位在輸入電壓值E，勵磁電流Iµ經去磁繞組和二極管VD3繼續(xù)流動，并且按照

91、如下規(guī)律減?。?lt;/p><p><b>　　(2.5)</b></p><p>　　顯然，當VT截止時間與導通時間相等時，勵磁電流下降到零，磁芯磁通復位結束，原邊繞組上的感應電動勢消失，VT施加的電壓為E?？梢妼}寬不能超出周期的一半，以便滿足磁通復位的條件。</p><p>　　這種電路的Uo仍用（2.2）和（2.3）計算，同樣必須滿足D

92、≤0.5。</p><p>　　為了表征各種電壓或電流波形的好壞，一般都是拿電壓或電流的幅值、平均值、有效值、一次諧波等參量互相進行比較。在開關電源之中，電壓或電流的幅值和平均值最直觀，因此，我們用電壓或電流的幅值與其平均值之比，稱為脈動系數S；也有人用電壓或電流的有效值與其平均值之比，稱為波形系數K。</p><p>　　因此，電壓和電流的脈動系數Sv、Si以及波形系數Kv、Ki分別表示

93、為：</p><p><b>　　(2.6)</b></p><p><b>　　(2.7)</b></p><p><b>　　(2.8)</b></p><p><b>　　(2.9)</b></p><p>　　脈動系數S和波

94、形系數K都是表征電壓或者電流好壞的指標，S和K的值，顯然是越小越好。S和K的值越小，表示輸出電壓和電流越穩(wěn)定，電壓和電流的紋波也越小。</p><p>　　正激式開關電源正好是在變壓器的初級線圈被直流電壓激勵時，變壓器的次級線圈向負載提供功率輸出，并且輸出電壓的幅度是基本穩(wěn)定的，此時盡管輸出功率不停地變化，但輸出電壓的幅度基本還是不變，說明正激式開關電源輸出電壓的瞬態(tài)控制特性相對來說比較好。只有在控制開關處于關斷

95、期間，功率輸出才全部由儲能電感和儲能電容兩者同時提供，此時輸出電壓雖然受負載電流的影響，但如果儲能電容的容量取得比較大，負載電流對輸出電壓的影響也很小。如果要求正激式開關電源輸出電壓有較大的調整率，在正常負載的情況下，控制開關的占空比最好選取在0.5左右，或稍大于0.5，此時流過儲能濾波電感的電流才是連續(xù)電流。當流過儲能濾波電感的電流為連續(xù)電流時，負載能力相對來說比較強[6]。</p><p>　　2.3 主電路

96、結構選擇</p><p>　　由于，直流電源變換器按其輸入與輸出是否進行電氣上隔離，可分非隔離式變換器電路和隔離式變換器電路。兩者除了均有變壓功能外，后者還有輸入電量與輸出電量在電氣上的隔離，以滿足某些場合的需要。所以應該選擇隔離式變換器電路。</p><p>　　反激式開關電源雖然電路簡單、元件數較少，成本相對較低，但是它比較適用于200W以下的小功率供電。而且，當控制開關的占空比為0.

97、5時，正激式開關電源輸出電壓的幅值正好等于電壓平均值的兩倍，流過濾波儲能電感電流的最大值也正好是平均電流（輸出電流）的兩倍。因此，正激式開關電源的電壓和電流的脈動系數S都約等于2，而與反激式變壓器開關電源的電壓和電流的脈動系數S相比差不多小一倍，說明正激式變壓器開關電源的電壓和電流輸出特性要比反激式變壓器開關電源好很多。</p><p>　　推挽式開關電源的缺點是兩個開關器件需要很高的耐壓，其耐壓必須大于工作電壓

98、的兩倍。因此，推挽式開關電源在220V交流供電設備中很少使用。因此，本次設計選用的是單端正激電路。正激電路又通常有單晶體管單端正激電路和雙晶體管單端正激電路兩種形式。雙管電路相當于把兩個單管串聯(lián)起來使用，由于用兩個二極管鉗位，使兩個開關管的耐壓可以降低一倍，但是效率也會大大降低。單晶體管單端正激電路更符合設計的需要。 </p><p><b>　　2.4 本章小結</b></p>

99、<p>　　本章主要介紹了幾種基本的變換器結構，它們的工作方式和優(yōu)缺點。根據設計要求和它們各自的優(yōu)缺點，最終選擇出了適合本次設計的主電路拓撲結構。</p><p>　　第3章 輸入、輸出整流濾波電路的設計</p><p>　　本章將主要分析輸入整流濾波電路和輸出整流濾波電路的組成部分和各自的工作原理，同時依據原理進行了選型和計算。</p><p>　　

100、在設計之前，需要對兩個輸出端的功率分配問題進行規(guī)定，設24V輸出端功率為288W，輸出電流為12A；12V輸出端功率為60W，輸出電流為5A。這樣兩個輸出端加起來輸出功率就是348W，與設計要求350W相差不大。</p><p>　　3.1 EMI濾波器</p><p>　　電磁干擾（Electromagnetic Interference，簡寫為EMI）是指任何能中斷、阻礙、降低或限制電

101、氣、電子設備有效性能的電磁能量。電磁干擾信號是復雜多變,包括各種電磁噪聲、有意電磁發(fā)射信號、連續(xù)波騷擾以及射頻脈沖騷擾等。即使同樣的干擾源,考慮到不同的應用環(huán)境,其測試需求也不同。電磁干擾分為傳導干擾和輻射干擾。按頻帶分，可分為寬帶干擾與窄帶干擾。傳到干擾又可分為共模干擾和差模干擾。輻射干擾也可分為共模干擾和差模干擾[7]。EMI形成的三個因素，如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1 電磁干擾三要素<

102、;/p><p>　　電磁干擾源，指產生EMI的組件、器件、設備、分系統(tǒng)、系統(tǒng)或自然現象。電磁干擾源有：自然干擾源和人為干擾源。雷電放電，沙漠地區(qū)的沙暴和塵暴產生的局部EMI等。天電干擾源以及電阻等電子元器件產生的熱噪聲等屬于自然干擾源。常見的人為干擾源包括電力線干擾源、旋轉機械干擾源、點火系統(tǒng)干擾源和功能干擾源。敏感設備，指對電磁干擾發(fā)生回應的設備。耦合路徑或稱為耦合通道，指把能量從干擾源耦合或傳輸到敏感設備上，并使

103、該設備產生相應的媒介。傳導干擾和輻射干擾就是按照耦合路徑來進行劃分的。傳導干擾是通過導線進行傳播的，輻射干擾是通過“場”進行傳播的。因此，分析傳導干擾使用“電路”理論，而分析輻射干擾就必須采用電磁場理論。由此可見，要消除電磁干擾，可以采用去掉干擾源、切斷干擾路徑以及降低敏感設備的敏感度這三種辦法中的一種即可[8]。</p><p>　　3.1.1 EMI濾波器的基本結構</p><p>　

104、　濾波是抑制EMI的措施之一。濾波器可以分為低通。高通。帶通、帶阻等類型。按照濾波器的結構可以分為T、 型等。如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2（a）與圖3.2（b）中的電容器C能濾除串模干擾，區(qū)別僅是圖（a）將C接在輸入端，圖（b）則接到輸出端。圖3.2（c）、圖3.2（d）所示電路較復雜，抑制干擾的效果更佳。圖3.2（c）中的L、C1和C2用來濾除共模干擾，C3和C4濾除差模干擾。C1和C2采用薄

105、膜電容器，容量范圍大致是0.01μF~0.47μF。C3和C4選用陶瓷電容，容量范圍是2200pF~0.1μF。</p><p>　　R為泄放電阻，可將C3上的累計電荷泄放掉，避免因電荷積累而影響濾波特性；斷電后還能使電源的進線端L、N不帶電，保證使用的安全性。圖3.2（d）則是把共模干擾濾波電容C3和C4接在輸出端。 </p><p>　?。╝）

106、 （b）</p><p><b>　?。╟）</b></p><p><b>　?。╠）</b></p><p>　　圖3.2 EMI濾波器典型電路</p><p>　　3.1.2 EMI濾波器的設計</p><p>　　本文選用圖3.2（d）的電路結構

107、，具體如圖3.3所示。該五端器件有兩個輸入端、兩個輸出端和一個接地端，使用時外殼應接通大地。電路中包括共模扼流圈（亦稱共模電感）L、濾波電容C1-C4。共模濾波器L主要濾除在兩條功率線路與大地之間產生的噪聲。共模濾波器中的“變壓器”繞組是同相的，但是流經繞組的交流電流是反相的。結果是兩股相反方向的電流在磁心內產生的交流磁通量相互抵消。L對串模干擾不起作用，但當出現共模干擾時，由于兩個線圈的磁通方向相同，經過耦合后總電感量迅速增大，因此對

108、共模信號呈現很大的感抗，使之不易通過，故稱作共模扼流圈。它的兩個線圈分別繞在低損耗、高導磁率的鐵氧體磁環(huán)上，當有電流通過時，兩個線圈上的磁場就會互相加強，L的電感量與EMI濾波器的額定電流I有關。需要指出的是，當額定電流較大時，共模扼流圈的線徑也要相應增大，以便能承受較大的電流。此外，適當增加電感量，可改善低頻衰減特性。</p><p>　　圖3.3 EMI濾波電路</p><p>　　在