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DC-DC-开关电源设计报告

DC-DC 开关电源设计

[摘要]:随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用, 人们对其需求量日益增长, 并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。

电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务。

本文介绍了一款基于PWM技术的DC-DC开关稳压电源。输出纹波小，电压稳定可靠.

[关键词]：开关电源，DC-DC，AP1501A，高频变压器

[Abstract]: With the switching power supply in the computer, communications, aerospace, instruments and household appliances such as extensive use of the growing demand of its people, and the efficiency of the power, volume, weight and reliability, raised more high demand. Switching power supply with its high efficiency, small size and light weight advantages of gradually replaced in many ways inefficient, heavy, clunky, linear power supply.

The development of power electronics technology, particularly high-power IGBT and MOSFET devices the rapid development of the switching power supply operating frequency up to very high level where it has a high stability and high cost performance and other characteristics. Switching power supply technology is one of the main uses for the information industry services.

This article describes a technique based on the PWM DC-DC switching power supply. Output ripple voltage is stable and reliable.

[Keywords]: switching power supply, DC-DC, AP1501A, high frequency transformer

1前言 (1)

1.1课题背景 (1)

1.1.1 1 开关电源的三个重要发展阶段 (1)

1.2开关电源技术的亮点 (2)

1.2.1功率半导体器件性能 (2)

1.2.2开关电源功率密度 (2)

1.3DC-DC发展概况 (3)

1.3.1DC/DC转换器对工艺技术提出新要求 (3)

1.3.2DC/DC转换器对电路设计的新要求 (4)

1.3.3DC/DC控制器向数字多相发展 (5)

1.4本论文的容及研究意义 (6)

2开关电源的分类及主要应用 (6)

2.1开关电源的分类 (6)

2.1.1常见的开关电源型式 (6)

2.1.2DC/DC 变换 (7)

2.2开关电源的主要应用技术 (7)

2.2.1高频磁性元件 (7)

2.2.2软开关技术 (7)

2.2.3同步整流技术 (8)

2.2.4功率因数校正(PFC)变换器 (8)

2.2.5电磁兼容性 (8)

2.2.6系统集成技术 (9)

3系统方案设计 (9)

3.1系统框图 (9)

3.2DC-DC芯片选型 (10)

3.2.1DC-DC选型的基本原则 (10)

3.3本系统DC-DC选型 (10)

4系统硬件设计 (11)

4.1电路原理简介 (11)

4.2AP1501A简介 (11)

4.3220V转DC12V电路设计 (12)

4.3.1AC-DC电压变换电路原理图设计 (12)

4.4DC-DC原理图设计 (13)

4.5效率的分析及计算 (13)

5结论与展望 (14)

6鸣 (15)

7参考文献 (15)

8附录：总电路图 (16)

1前言

1.1课题背景

开关稳压电源(以下简称开关电源)问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制(PWM)技术的发展，PWM开关电源问世，它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%~70%，而线性电源的效率只有30％~40％。因此，用工作频率为20 kHz的PWM开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动等)更需要小型化、轻量化的电源。因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。

1.1.11 开关电源的三个重要发展阶段

40多年来，开关电源经历了三个重要发展阶段。

第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GT0)发展为MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。

第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。

第三个阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。

1.2开关电源技术的亮点

1.2.1功率半导体器件性能

1998年，Infineon公司推出冷MOS管，它采用“超级结”(Super-Junction)结构，

故又称超结功率MOSFET。工作电压600~800V，通态电阻几乎降低了一个数量级，仍保持开关速度快的特点，是一种有发展前途的高频功率半导体器件。

IGBT刚出现时，电压、电流额定值只有600V、25A。很长一段时间，耐压水平限于1200~1700V，经过长时间的探索研究和改进，现在IGBT的电压、电流额定值已分别达到3300V／1200A和4500V／1800A，高压IGBT单片耐压已达到6500V，一般IGBT的工作频率上限为20~40kHz，基于穿通(PT)型结构应用新技术制造的IGBT，可工作于150kHz(硬开关)和300kHz(软开关)。

IGBT的技术进展实际上是通态压降，快速开关和高耐压能力三者的折中。随着工艺和结构形式的不同，IGBT在20年的发展进程中，有以下几种类型：穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、软穿通(SPT)型、沟漕型和电场截止(FS)型。

碳化硅(SiC)是功率半导体器件晶片的理想材料，其优点是禁带宽、工作温度高(可达600℃)、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等，有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。

可以预见，碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料。

1.2.2开关电源功率密度

提高开关电源的功率密度，使之小型化、轻量化，是人们不断追求的目标。这对便携式电子设备(如移动，数字相机等)尤为重要。使开关电源小型化的具体办法有以下几种。

一是高频化。为了实现电源高功率密度，必须提高PWM变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。

二是应用压电变压器。应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。压电变压器利用压电瓷材料特有的“电压-振动”变换和“振动-电压”变换的性质传送能量，其等效电路如同一个串并联谐振电路，是功率变换领域的研究热点之一。

三是采用新型电容器。为了减小电力电子设备的体积和重量，须设法改进电容器的性能，提高能量密度，并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器，要求电容量大、等效串联电阻(ESR)小、体积小等。

1.3DC-DC发展概况

近几年由于数据业务的飞速发展和分布式供电系统的不断推广，DC/DC转换器的应用越来越广，其增幅已经超出了一次电源。

随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用，DC/DC转换器功率密度越来越大，转换效率越来越高。据专业电源市场调研公司VDC公司预测，全球DC/DC转换器出货量由2002年的20亿增长到2007年的25亿(见图1)。在全球DC/DC转换器市场迅速增长的同时，以下几个发展趋势值得关注：

低电压大电流的需求推动模块电源的不断发展。比如数据通讯领域中5V输出所占的比例从30%下降到11%。

非隔离式DC/DC转换器比隔离式增长更快。

分布式电源比集中式电源发展快，其中IBA系统会成为主要方式。

DC/DC转换器对工艺技术提供新的要求，并采用一些创新的封装。

混合集成技术、高频化技术的不断发展将导致功率密度进一步提高。

设计日趋标准化，控制电路倾向于采用数字控制方式。

控制器件向多相位发展，目前已有6相产品。

我们将对其中一些趋势展开分析，并对用户选择DC/DC转换器提供建议。

1.3.1DC/DC转换器对工艺技术提出新要求

DC/DC转换器的发展与半导体集成、封装技术以及电路拓扑的发展联系紧密，并对半导体工艺提出了新的要求，包括：

1. 降低热阻，改善散热

虽然功率DC/DC转换器的效率有了很大提高，但由于功率密度较大，如果发热元件的热量不能及时散出，就会严重影响模块的寿命，甚至会因为过热造成失效。为改善散热，目前功率转换器大都采用多块基板叠合封装技术，控制电路采用普通印制板置于顶层，而功率电路采用导热性能优良的板材置于底层。早期的功率转换器先后采用瓷基板、直接键合铜技术(Direct Copper Bond，DCB)和绝缘金属基板(Insutalted Mental Substrate，IMS)来改善散热。现在，前两种已很少采用，而绝缘金属基板方式由于绝缘性能好、机械强度高、导热性能好而得到一致认可，成为转换器结构的主流及提高转换器功率密度的关键。

随着分布式供电方式的大量运用和系统小型化需求越来越多，用户在使用时不希望给转换器添加散热器，而靠系统的强制风冷给转换器进行散热，因此敞开式高效低造型转换器成为发展的主流。这种转换器采用一块多层厚铜箔PCB代替常规的多块PCB层叠结构，通过多层厚铜箔PCB为载体将功率器件、磁性器件和控制电路集成在一起。这种

结构可以减少磁性器件的焊点或消除焊点、减少寄生参数、提高转换器效率；另外通过电路和器件的适当选择，多层厚铜箔线路的适当分布，可以使转换器模块的温度均匀分布，提高模块的可靠性。缺点就是对外界散热条件依赖比较大，使用时要求比较大的功率降额。随着系统散热问题的解决，这种结构的转换电源将会得到越来越广泛的使用。

2. 混合集成技术的采用

为提高功率密度，近年开发的DC/DC转换模块无一例外地采用表面贴装技术。而转换器中的器件主要分为控制器件和功率器件，要提高功率密度就必须从这两方面入手。由于控制电路不能提供输出功率，因此应尽量减小其所占体积；同时随着集成电路工艺的发展，由分立器件组成的控制电路可被集成为一个控制芯片，从而进一步提高转换器的功率密度。但由于功率器件设计时考虑的是几百伏电压、几百安电流、闪电式诱发瞬变以及每微秒几百安的负载瞬变，研制完美性能的功率器件是较困难的，而要大量生产就更加困难。所以为进一步减小体积，混合集成技术发展也很快，它指直接购置裸片，经组装成为功能模块后封装，焊接于印制板上。这一方式功率密度更高，寄生参数更小，因为采用相同材料的基片，不同器件的热匹配更好，提高了转换模块的抗冷热冲击能力。

3. 采用扁平变压器和磁集成技术

在功率转换器中，为满足标准高度的要求，大部分生产厂家自己定做磁芯。扁平磁芯的变压器绕组制作存在一定难度，但采用这种磁芯可以进一步减小体积、缩短引线长度、减小寄生参数。为减小焊点接触电阻，采用多层印制板的磁集成技术近年来也得到了广泛的应用。

1.3.2DC/DC转换器对电路设计的新要求

DC/DC转换器对电路设计也出了新的要求，包括高频化、软开关和低压输出等技术。

1. 高频化技术

为缩小开关转换器的体积、提高功率密度、改善动态响应速度，小功率DC/DC转换器的开关频率将由现在的200-500KHz提高到1MHz以上。但高频化又会产生新的问题，如：开关损耗以及无源元件的损耗增大、高频寄生参数以及高频EMI等问题，这必须通过合理的设计进行抑制。

2. 软开关技术

为提高效率，各种软开关技术得到大量应用，包括无源无损(吸收网络)软开关技术与ZVS/ZCS谐振、准谐振、恒频零开关技术等有源软开关技术。目的是为了减小开关损耗以及开关应力，以实现高效率的高频化。

3. 低压输出技术

目前大量的低压器件应用，如PDA、远程控制器、数码相机以及手机等便携式设备，都是用电池经DC/DC变换进行供电的。其特点是负载变化大，多数情况下工作低于备用模式，长期轻载运行。这就要求DC/DC变换器具有如下特征：a)负载变化的整个围效率高。b)输出电压低，CMOS电路的损耗与电压的平方成正比，供电电压低，则电路损耗小。

c)功率密度高。这种模块采用集成芯片的封装形式。低压输出技术的关键是如何提高转换器的效率，降低转换器的纹波，提高系统的响应速度。

1.3.3DC/DC控制器向数字多相发展

控制器件作为DC/DC转换器中的重要器件之一，向数字多相化发展已成为必然趋势。单芯片多相控制器和类似产品成为组成高电流DC/DC转换器和200A电压调节模块(VRM)的基本元素。因此，控制器供应商也在为推出多相产品而比拼。比如安森美近期推出的NCP5316芯片，该芯片的每相工作频率最高达1MHz，据安森美称它是业第一个4/5/6相控制器。

美信推出的MAX8525是一种隔行扫描的2到4相器件，每相工作频率最高为1.2MHz，也可以在VRM10主/从配置下达到2至8相。该公司表示，MAX8525具有平均电流模式控制器的电流共享精度，以及峰值电流模式控制器的瞬时响应。在4相模式运行时，有效开关频率高达4.8MHz，8相模式下更是高达9.6MHz。

为了解决用传统拓扑架构搭建可升级系统所面临的困难，国际整流器公司(IR)在去年早些时候推出的Xphase架构，在这方面向前迈进了一步。该设计具有面向n相系统的置同步。在具有板外控制/同步MOSFET的典型操作中，一个6相转换器的效率可达84%。

其它产品包括飞兆半导体的FAN53168，它可以工作在4相模式，面向VRM/VRD10应用；Semtech的SC4201，这是一种最多具有4相控制的多相连接控制器，每相的工作频率为2MHz。

在低压便携应用方面，凌特推出了LTC3425 DC/DC控制器，它最多具有4相，输入为0.5～4.5V时，提供3A和5V输出，用于便携式电脑和接口电子器件。

1.4本论文的容及研究意义

开关电源体积小、效率高，被誉为高效节能电源，现己成为稳压电源的主导产品。

当今开关电源正向着集成化、智能化的方向发展。高度集成、功能强大的开关型稳压电

源代表着开关电源发展的主流方向。本论文主要围绕当前流行的集成开关电源芯片进行

了小功率开关型稳压电源特性的研究。

2开关电源的分类及主要应用

2.1开关电源的分类

边开发开关变频技术，人们开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件。两者相互促进推动着开关电源每年以逾越两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为 AC/DC 和 DC/DC 两大类， DC/DC 变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国外均已幼稚和标准化，并已得到用户的认可，但 AC/DC 模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。

2.1.1常见的开关电源型式

·AC-DC：如个人用、家用、办公室用、工业用(电脑、周边、传真机、充电器)

·DC-AC：如车用转换器(12V～115/230V) 、通信交换机振铃信号电源

·AC-AC：如交流电源变压器、变频器、UPS不间断电源

·DC-DC：如可携带式产品(移动、笔计本电脑、摄影机，通信交换机二次电源)

dc-dc是指直流转换开关电源,在移动、笔计本电脑、摄影机等产品中,需将低压直流电

压变成高压直流电压,即进行DC-DC变换。

2.1.2DC/DC 变换

也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种， DC/DC 变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压。一是脉宽调制方式 Ts 不变，改变 ton 通用 ) 二是频率调制方式， ton 不变，

改变 Ts 易产生干扰）其具体的电路由以下几类：

其输出平均电压 1 Buck 电路—降压斩波器。

U0 小于输入电压 Ui 极性相同。

其输出平均电压 2 Boost 电路—升压斩波器。

U0 大于输入电压 Ui 极性相同。

其 3 Buck Boost 电路—降压或升压斩波器。

电感传输。输出平均电压 U0 大于或小于输入电压 Ui 极性相反。

其输出平均电 4 Cuk 电路—降压或升压斩波器。

电容传输。压 U0 大于或小于输入电压 Ui 极性相反。

2.2开关电源的主要应用技术

2.2.1高频磁性元件

电源系统中应用大量磁元件，高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件，有许多问题需要研究。对高频磁元件所用的磁性材料，要求其损耗小、散热性能好、磁性能优越。适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，纳米结晶软磁材料也已开发应用。

2.2.2软开关技术

频化以后，为了提高开关电源的效率，必须开发和应用软开关技术。它是过去几十年国际电源界的一个研究热点。

PWM开关电源按硬开关模式工作(开／关过程中电压下降／上升和电流上升／下降波形有交叠)，因而开关损耗大。高频化虽可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了。为此，必须研究开关电压／电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关(ZVS)／零电流开关(ZCS)技术，或称软开关技术，小功率软开关电源效率可提高到800%~85%。上世纪70年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础。随后新的软开关技术不断涌现，如准谐振(上世纪80年代中)全桥移相ZVS-PWM，恒频ZVS-PWM／ZCS-PWM(上世纪80年代末)ZVS-PWM有源嵌位；ZVT-PWM／ZCT-PWM(上世纪90年代初)全桥移相ZV-ZCS-PWM(上世纪90年代中)等。我国已将最新软开关技术应用于6kW通信电源中，效率达93％。

2.2.3同步整流技术

对于低电压、大电流输出的软开关变换器，进一步提高其效率的措施是设法降低开关的通态损耗。例如同步整流(SR)技术，即以功率MOS管反接作为整流用开关二极管，代替萧特基二极管(SBD)，可降低管压降，从而提高电路效率。

2.2.4功率因数校正(PFC)变换器

由于AC／DC变换电路的输入端有整流器件和滤波电容，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。采用功率因数校正(PFC)变换器，网侧功率因数可提高到0.95~0.99，输入电流THD<10％。既治理了对电网的谐波污染，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国外开发较早，技术已较成熟；三相APFC的拓扑类型和控制策略虽然已经有很多种，但还有待继续研究发展。

一般高功率因数AC／DC开关电源，由两级拓扑组成，对于小功率AC／DC开关电源来说，采用两级拓扑结构总体效率低、成本高。如果对输入端功率因数要求不特别高时，将PFC变换器和后级DC／DC变换器组合成一个拓扑，构成单级高功率因数AC／DC开关电源，只用一个主开关管，可使功率因数校正到0.8以上，并使输出直流电压可调，这种拓扑结构称为单管单级PFC变换器。

2.2.5电磁兼容性

高频开关电源的电磁兼容(EMC)问题有其特殊性。功率半导体器件在开关过程中所产生的di／dt和dv／dt，将引起强大的传导电磁干扰和谐波干扰，以及强电磁场(通常是近场)辐射。不但严重污染周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，还可能危及附近操作人员的安全。同时，电力电子电路(如开关变换器)部的控制电路也必须能承受开关动作产生的EMI及应用现场电磁噪声的干扰。上述特殊性，再加上EMI测量上的具体困难，在电力电子的电磁兼容领域里，存在着许多交叉学科的前沿课题有待人们研究。国外许多大学均开展了电力电子电路的电磁干扰和电磁兼容性问题的研究，并取得了不少可喜成果。

2.2.6系统集成技术

电源设备的制造特点是非标准件多、劳动强度大、设计周期长、成本高、可靠性低等，而用户要求制造厂生产的电源产品更加实用、可靠性更高、更轻小、成本更低。这些情况使电源制造厂家承受巨大压力，迫切需要开展集成电源模块的研究开发，使电源

产品的标准化、模块化、可制造性、规模生产、降低成本等目标得以实现。

实际上，在电源集成技术的发展进程中，已经经历了电力半导体器件模块化，功率

与控制电路的集成化，集成无源元件(包括磁集成技术)等发展阶段。近年来的发展方向

是将小功率电源系统集成在一个芯片上，可以使电源产品更为紧凑，体积更小，也减小

了引线长度，从而减小了寄生参数。在此基础上，可以实现一体化，所有元器件连同控

制保护集成在一个模块中。

上世纪90年代，随着大规模分布电源系统的发展，一体化的设计观念被推广到更

大容量、更高电压的电源系统集成，提高了集成度，出现了集成电力电子模块(IPEM)。IPEM将功率器件与电路、控制以及检测、执行等单元集成封装，得到标准的，可制造的

模块，既可用于标准设计，也可用于专用、特殊设计。优点是可快速高效为用户提供产品，显著降低成本，提高可靠性。

3系统方案设计

3.1系统框图

构思整个系统由哪些功能模块组成，以及各个功能模块之间的互相控制关系，将各功能模块联系起来画出总体功能模块图。

3.2DC-DC芯片选型

目前市场上DC/DC转换模块的品牌和种类繁多，国际大厂商包括Tyco, Vicor, Emerson, Power-one, SynQor和Artesyn等公司，表1列出了北美和欧洲DC/DC转换器的前10名供应商(2003年5月排名)。此外，中国本地较大的DC/DC转换器厂商还包括：艾默生网络能源、新雷能、迪赛和中兴通讯等公司。其中，艾默生网络能源的销售额远远多于其它厂商。

3.2.1DC-DC选型的基本原则

1. 根据需要选择适当的产品

在选择产品之前要明确知道自己的切实需求，否则选用的产品不能充分体现其使用价值，实际上是增加了设计和材料成本。

2. 选型必须符合电源的发展趋势

最好是选用符合电源发展趋势的产品，这种转换器一般更能符合用户的需求，同时为一种模块多个用途打下良好的基础；另外该类转换器技术应比较成熟、可靠性高、价格相对合理、货源比较充足，产品生命周期也比较长。如果选择非主流产品，以后在采购、生产和维护中会出现一系列的问题，会影响系统的可靠性和竞争力。

3. 新系列的选型必须慎重，应兼顾标准封装和可靠性问题

转换器的可靠性总是处于第一位的，在新系列选型时要对转换器的可靠性进行充分论证和测试，可靠性不能保证的产品即使价格再低也是不值得考虑的。另外还应该考虑转换器的封装和功能是否是兼容的，如果该转换器封装和功能很特殊，没有其它品牌的产品与之兼容，使用这种转换器会遭受独家垄断所带来的一切负面影响。

3.3本系统DC-DC选型

AP1501A 大电流DC/DC降压5A PWM 降压DC/DC，TO263/220，输入3.6-45V，转换效率高达９０% .

4系统硬件设计

4.1电路原理简介

开关管开通和关断的时间比率，开关电源是利用现代电力电子技术。维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（ PWM 控制 IC 和 MOSFET 构成。开关电源和线性电源相比，二者的利息都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源本钱在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为利息反转点。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不时地创新，这一利息反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广阔的发展空间。

高频化使开关电源小型化，开关电源高频化是其发展的方向。并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及维护环境方面都具有重要的意义。

开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、 IGBT 和 MOSFET

GP 驱动困难， SCR 开关电源输入整流电路及软启动电路中有少量应用。开关频率低，逐渐被 IGBT 和 MOSFET 取代。

开关电源的三个条件

1 开关：电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态

2 高频：电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频

3 直流：开关电源输出的直流而不是交流

4.2AP1501A简介

本设计利用1501A作为主控芯片,AP1501A是一颗性能优良的DC-DC集成芯片,其输

出电压稳,电流可达3-5A,纹波小，现在已成为很经典的低电压DC-DC应用ICAP1501 是

一颗 150KHz 3A PWM Buck DC/DC Converter ，其电能转换效率 (Conversion Efficiency)

最高可达 90% 以上。 AP1501 建 Switch 来驱动 3A 的负载电流，可省去外挂的电晶

体，其切换频率 (Switching Frequency) 达 150KHz ，可大为降低搭配的电感和电容

的乘积，从而有效节省 PCB 的使用面积。 AP1501 系列提供固定电压与可调电压二种

工作方式，方便于系统设计人员的弹性运用。固定电压方式的 AP1501 接受 4.5V 到

45V 的输入电压，而提供稳定的 3.3V ， 5V 及 12V 的输出电压。可调电压方式的AP1501 则随系统设计需要提供 1.23V 至 42V 的任意输出电压，并保证最大总体误差为±4% 。

AP1501 具备限流 (Current Limit) 与热停机 (Thermal Shutdown) 等保护功能，并额外建置外部控制的开 / 关 (On/Off Logic) ，使得系统设计人员可以容易地启动省电 (Stand-by) 方式，在省电方式下， AP1501 的功耗仅有150μA ，多用于车载电子产品如 Car DVD 、 LCD Monitor(TV) 、 XDSL 等； AP1501 采用标准的 5-Lead TO220 和 5-Lead TO263 封装，完全兼容国半的 LM2596 、 LM2576 。此系列的其它型号AP1506(7) 相对 AP1501 只是最高的输入电压为 24V ，在低压输入的情况下提供成本更好的解决方案，其中 AP1507 采用标准的 TO252 封装，兼容 PQ1CG2032 。

4.3220V转DC12V电路设计

4.3.1AC-DC电压变换电路原理图设计

本电路设计为后续的DC –DC 电路供电。 AC220市电经220V～9V变压器变压，然后经桥式整流电路，再经电容滤波电路，变成直流12.6左右给后面的DC-DC电路作为输入电压。

流程图如下图所示：

在系统中，重点是讲述DC-DC电路的设计,故这一部分电路在实际电路制作中未制作,用AC220V-DC12V的电源适配器代替。

AC220V交流电降压整流滤波

4.4DC-DC原理图设计

开关电源是一种比较新型的电源。它具有效率高，重量轻，可升、降压，输出功率大等优点。但是由于电路工作在开关状态，所以噪声比较大。

如上图所示，D2为防反接的保护二极管,D4为TVS管,防止干扰损坏IC或者破坏整机性能.E1,E2,C2,C3为滤波电容，SS34为续流二极管.

当开关闭合时，电感L1给负载供电，并将部分电能储存在电感L1以及电容E4中。由于电感L1的自感，在开关接通后，电流增大得比较缓慢，即输出不能立刻达到电源电压值。一定时间后，开关断开，由于电感L1的自感作用（可以比较形象的认为电感中的电流有惯性作用），将保持电路中的电流不变，即从左往右继续流。这电流流过负载，从地线返回，流到续流二极管D5的正极，经过二极管D5，返回电感L1的左端，从而形成了一个回路。通过控制开关闭合跟断开的时间（即PWM——脉冲宽度调制），就可以控制输出电压。如果通过检测输出电压来控制开、关的时间，以保持输出电压不变，这就实现了稳压的目的。

在开关闭合期间，电感存储能量；在开关断开期间，电感释放能量，所以电感L1叫做储能电感。二极管D5在开关断开期间，负责给电感L1提供电流通路，所以二极管D5叫做续流二极管。

4.5效率的分析及计算

从系统总体分析，整流后输出功率损耗分布在两个部分，一个是DC-DC降压主回路，另一个是后面的负载电路部分。根据AP1501A的技术文档，此类降压电路的效率应该可以做到90%以上。从本系统分析，第二部分本身的功率损耗比较小，留足余量按照100mA 的通过电流5V供电电压计算，这部分功耗只有0.2W，占总功率25W的0.8%，这是完全

可以承受的。但是由于前级输入电压为12.6V若采用线性电源，如L7805等电压芯片，那么在其上的功耗便有(12.6V-5V)×0.1A=0.66W，加上原有功耗，那么在这部分消耗的功率将达到总功率的3%，这个会极大的降低电源的性能。因而这部分供电采用DC-DC 模式降压输出,损耗要低很多。

对于DC-DC降压部分，二极管的损耗，由于二极管并非一直导通，而且设计中使用了低压降的肖基特二极管代替了普通的快恢复二极管，因而其功耗上限值为0.3V×2A=0.6W。开关管集成在 AP1501A部，按照1W的损耗计算。铜损、铁损的损耗需要根据实际使用的磁芯及布线的寄生电阻而定，初步估算为0.5W。

这样根据上述分析计算系统功耗(0.6W+0.66W+1W+0.5W)/25W=11.04%，并结合芯片的技术文档分析本系统进行适当的优化，效率应当可以达到90%。

5结论与展望

经过这次毕业设计，使我受益良多。四年的理论知识学习以及应用和实践。了解进行项目设计的步骤和注意问题。以前简单的单任务开发的比较简单，毕业设计能够从理论设计和工程实践相结合、巩固基础知识与培养创新意识相结合、个人作用和集体协作相结合等方面全面的培养学生的全面素质。在设计过程中，前期，我在资料的收集、课题的选择、方案的选定方面做了不少的工作。我还对所学的与设计有关的课程作了系统的复习。经过这次系统的毕业设计，熟悉了对一项课题进行研究、设计和实验的详细过程。在将来的工作和学习当中都会有很大的帮助。并且学会了怎样查阅资料和利用工具书。在设计中有针对性地查找资料，然后加以吸收利用，以提高自己的应用能力，而且还能增长自己见识，学习更多的专业知识。实践能力得到了进一步提高，在设计过程中积累了一些经验。

该开关电源应用广泛,使用简单,外围电路也很精炼,经过实际使用说明，具有精度高，纹波小,输出电压稳定,等特点。

由于本人电子水平有限，电子设计实践经验较少，论文中难免会存在缺点和错漏，恳请各位老师同学批评纠正。

6鸣

在本设计完成之制，我要感我的指导xxx老师给予我的指导和帮助，还有我班xxxx 等同学，他们在我的设计过程中给予了很多帮助。在此表示衷心的感。同时感在我四年大学生活中教导我的老师和同学。答辩组的老师百忙中对我设计的阅览和指导。

7参考文献

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[2] 曲学基, 王增福, 曲敬铠 .稳定电源电路设计手册[M]，2003

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[7] 阎石.数字电子技术基础.：高等教育[M]，2004

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[16] 文博，文涛.单片机语言C51程序设计编著.人民邮电2005

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8附录：总电路图复位电路

开关电源设计与制作

《自动化专业综合课程设计2》课程设计报告题目：开关电源设计与制作院（系）：机电与自动化学院专业班级：自动化0803 学生姓名：程杰学号：20081184111 指导教师：雷丹 2011年11月14日至2011年12月2日华中科技大学武昌分校制

目录 1．开关电源简介 (2) 1.1开关电源概述 (2) 1.2开关电源的分类 (3) 1.3开关电源特点 (4) 1.4开关电源的条件 (4) 1.5开关电源发展趋势 (4) 2．课程设计目的 (5) 3．课程设计题目描述和要求 (5) 4．课程设计报告内容 (5) 4.1开关电源基本结构 (5) 4.2系统总体电路框架 (6) 4.3变换电路的选择 (6) 4.4控制方案 (7) 4.5控制器的选择 (8) 4.5.1 C8051F020的内核 (8) 4.5.2片内存储器 (8) 4.5.312位模/数转换器 (9) 4.5.4 单片机初始化程序 (9) 4.6 输出采样电路 (10) 4.6.1 信号调节电路 (10) 4.6.2 信号的采样 (11) 4.6.3 ADC 的工作方式 (11) 4.6.4 ADC的程序 (12) 4.7 显示电路 (13) 4.7.1 显示方案 (13) 4.7.2 显示程序 (14) 5．总结 (16) 参考文献 (17)

1．开关电源简介 1.1开关电源概述开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。它运用功率变换器进行电能变换，经过变换电能，可以满足各种对参数的要求。这些变换包括交流到直流(AC-DC，即整流)，直流到交流(DC-AC，即逆变)，交流到交流(AC-AC，即变压)，直流到直流(DC-DC)。广义地说，利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形式转变为另一种电源形式的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源（SwitchingPower Supply)。将一种直流电压变换成另一种固定的或可调的直流电压的过程称为DC-DC交换完成这一变幻的电路称为DC-DC转换器。根据输入电路与输出电路的关系，DC-DC 转换器可分为非隔离式DC-DC转换器和隔离式DC-DC转换器。降压型DC-DC 开关电源属于非隔离式的。降压型DC-DC转换器主电路图如1：图1 降压型DC-DC转换器主电路其中，功率IGBT为开关调整元件，它的导通与关断由控制电路决定；L和C为滤波元件。驱动VT导通时，负载电压Uo=Uin，负载电流Io按指数上升；控制VT关断时，二极管VD可保持输出电流连续，所以通常称为续流二极管。负载电流经二极管VD续流，负载电压Uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串联L值较大的电感。至一个周期T结束，在驱动VT导通，重复上一周期过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。负载电压的平均值为：

开关电源实验报告

开关电源实验报告一开关电源原理如下图30W开关电源电路图所示，市电先经过由电容CX1和滤波电感LF1A组成的滤波电路后，再经过型号为KBP210的整流桥BD1和C1组成的整流电路，输出直流电。直流电又经过由UC3842和2N60等元器件组成的高频逆变电路后，变成高频的交流电，经高频变压器输出为低电压的高频交流电。高频交流经肖基特二极管SR1060后变为脉动的直流电，最后经滤波电容和滤波电感变为我们想要的直流电输出。

MOV2、MOV3：F1、F2、F3、FDG1组成的电路进行保护。当加在压敏电阻两端的电压超过其工作电压时，其阻值降低，使高压能量消耗在压敏电阻上，若电流过大，F1、F2、F3会烧毁保护后级电路。（2）输入滤波电路：C1、L1、C2、C3组成的双π型滤波网络主要是对输入电源的电磁噪声及杂波信号进行抑制，防止对电源干扰，同时也防止电源本身产生的高频杂波对电网干扰。当电源开启瞬间，要对C5充电，由于瞬间电流大，加RT1（热敏电阻）就能有效的防止浪涌电流。因瞬时能量全消耗在RT1电阻上，一定时间后温度升高后RT1阻值减小（RT1是负温系数元件），这时它消耗的能量非常小，后级电路可正常工作。（3）整流滤波电路：交流电压经BRG1整流后，经C5滤波后得到较为纯净的直流电压。若C5容量变小，输出的交流纹波将增大。

1.2功率变换电路（1）MOS管的工作原理：目前应用最广泛的绝缘栅场效应管是MOSFET（MOS管），是利用半导体表面的电声效应进行工作的。也称为表面场效应器件。由于它的栅极处于不导电状态，所以输入电阻可以大大提高，最高可达105欧姆，MOS管是利用栅源电压的大小，来改变半导体表面感生电荷的多少，从而控制漏极电流的大小。（2）常见的原理图：（3）工作原理 R4、C3、R5、R6、C4、D1、D2组成缓冲器，和开关MOS管并接，使开关管电压应力减少，EMI减少，不发生二次击穿。在开关管Q1关断时，变压器的原边线圈易产生尖峰电压和尖峰电流，这些元件组合一起，能很好地吸收尖峰电压和电流。从R3测得的电流峰值信号参与当前工作周波的占空比控制，因此是当前工作周波的电流限制。当R5上的电压达到1V时，UC3842停止工作，开关管Q1立即关断。

开关电源设计报告

1开关电源主电路设计 1.1主电路拓扑结构选择由于本设计的要求为输入电压176-264 V 交流电，输出为24V 直流电,因此中间需要将输入侧的交流电转换为直流电，考虑采用两级电路。前级电路可以选用含电容滤波的单相不可控整流电路对电能进行转换，后级由隔离型全桥Buck 电路构成。总体要求是先将AC176-264V 整流滤波，然后再经过BUCK 电路稳压到24V 。考虑到变换器最大负输出功率为1000W ，因此需采用功率级较高的Buck 电路类型，且必须保证工作在CCM 工作状态下，因此综合考虑，本文采用全桥隔离型Buck 变换器。其主电路拓扑结构如下图所示：图1-1 主电路拓扑结构 1.2开关电源电路稳态分析下面将对全桥隔离型BUCK 变换器进行稳态分析，主要是推导前级输出电压g V 与后级输出电压V 之间的关系，为主电路参数的设计提供参考。将前级输出电压g V 代替前级电路，作为后级电路的输入，且后级BUCK 变换器工作在CCM 模式，BUCK 电路中的变压器可以用等效电路代替。由于全桥隔离型BUCK 变换器中变压器二次侧存在两个引出端，使得后级BUCK 电路的工作频率等同于前级二倍的工作频率，如图1-1所示。在S T 2的工作时间内，总共可分为四种开关阶段，其具体分析过程如下： 1) 当S DT t <<0时，此时1Q 、4Q 和5D 导通，其等效电路图如图1-2所示。

i () t R v i ‘ 图1-2 在S DT t <<0时等效电路 g nv v =s （1-1） v nv v g -L = （1-2） R v i i /-C = （1-3） 2) 当S S T t DT <<时，此时1Q ~4Q 全部关断，6D 和5D 导通，其等效电路图如图1-3 所示。此时前级输出g V 为0，假设磁化电流为0，则流过6D 和5D 电流相等，均为L i 2 1 。。 i () t R i ‘ 图1-3 在S S T t DT <<时等效电路 0=s v （1-4） v v -L = （1-5） R v i i /-C = （1-6） 3) 当S S T D t T ）（ +1<<时，此时2Q 、3Q 和6D 导通，其等效电路图如图1-2所示。

高效率开关电源设计实例.pdf

高效率开关电源设计实例--10W同步整流B u c k变换器以下设计实例中，包含了各种技巧来提高开关电源的总体效率。有源钳位和元损吸收电路的设计主要依靠经验来完成的，所以不在这里介绍。采用新技术时必须小心，因为很多是有专利的，可能需要直接付专利费给专利持有人，或在购买每一片控制IC芯片时，支付附加费用。在将这些电源引入生产前，请注意这个问题。 10W同步整流Buck变换器应用此设计实例是PWM设计实例1的再设计，它包括了如何设计同步整流器(板载的10W降压Buck 变换器)。在设计同步整流开关电源时，必须仔细选择控制IC。为了效率最高和体积最小，一般同步控制器在系统性能上各有千秋，使得控制器只是在供应商提到的应用场合中性能较好。很多运行性能的微妙之处不能确定，除非认真读过数据手册。例如，每当作者试图设计一个同步整流变换器，并试图使用现成买来的IC芯片时，3／4设计会被丢弃。这是因为买来的芯片功能或工作模式往往无法改变。更不用说，当发现现成方案不能满足需求时，是令人沮丧的(见图20的电路图)。设计指标输入电压范围： DC+10～+14V 输出电压： DC+5.0V 额定输出电流： 2.0A 过电流限制： 3.0A 输出纹波电压： +30mV(峰峰值) 输出调整：±1％最大工作温度： +40℃ “黑箱”预估值输出功率： +5.0V*2A=10.0W(最大) 输入功率： Pout/估计效率=10.0W／0.90=11.1W 功率开关损耗 (11.1W-10W) * 0．5=0.5W 续流二极管损耗： (1l.lW-10W)*0.5=0.5W 输入平均电流低输入电压时 11.1W／10V=1.1lA 高输入电压时： 11.1W／14V=0．8A 估计峰值电流： 1．4Iout(rated)=1．4×2．0A=2．8A 设计工作频率为300kHz。

电子工程师的设计经验笔记

电子工程师必备基础知识（一）运算放大器通过简单的外围元件，在模拟电路和数字电路中得到非常广泛的应用。运算放大器有好些个型号，在详细的性能参数上有几个差别，但原理和应用方法一样。运算放大器通常有两个输入端，即正向输入端和反向输入端，有且只有一个输出端。部分运算放大器除了两个输入和一个输出外，还有几个改善性能的补偿引脚。光敏电阻的阻值随着光线强弱的变化而明显的变化。所以，能够用来制作智能窗帘、路灯自动开关、照相机快门时间自动调节器等。干簧管是能够通过磁场来控制电路通断的电子元件。干簧管内部由软磁金属簧片组成，在有磁场的情况，金属簧片能够聚集磁力线并使受到力的作用，从而达到接通或断开的作用。电子工程师必备基础知识（二）电容的作用用三个字来说：“充放电。”不要小看这三个字，就因为这三个字，电容能够通过交流电，隔断直流电；通高频交流电，阻碍低频交流电。电容的作用如果用八个字来说那就：“隔直通交，通高阻低。”这八个字是根据“充放电”三个字得出来的，不理解没关系，先死记硬背住。能够根据直流电源输出电流的大小和后级（电路或产品）对电源的要求来先择滤波电容，通常情况下，每1安培电流对应1000UF-4700UF是比较合适的。电子工程师必备基础知识（三）电感的作用用四个字来说：“电磁转换。”不要小看这四个字，就因为这四个字，电感能够隔断交流电，通过直流电；通低频交流电，阻碍高频交流电。电感的作用再用八个字来说那就：“隔交通直，通低阻高。”这八个字是根据“电磁转换”三个字得出来的。

电感是电容的死对头。另外，电感还有这样一个特点：电流和磁场必需同时存在。电流要消失，磁场会消失；磁场要消失，电流会消失；磁场南北极变化，电流正负极也会变化。电感内部的电流和磁场一直在“打内战”，电流想变化，磁场偏不让变化；磁场想变化，电流偏不让变化。但，由于外界原因，电流和磁场都可能一定要发生变化。给电感线圈加上电压，电流想从零变大，可是磁场会反对，因此电流只好慢慢的变大；给电感去掉电压，电流想从大变成零，可是磁场又要反对，可是电流回路都没啦，电流已经被强迫为零，磁场就会发怒，立即在电感两端产生很高的电压，企图产生电流并维持电流不变。这个电压很高很高，甚至会损坏电子元件，这就是线圈的自感现象。给一个电感线圈外加一个变化磁场，只要线圈有闭合的回路，线圈就会产生电流。如果没回路的话，就会在线圈两端产生一个电压。产生电压的目的就是要企图产生电流。当两个或多个丝圈共用一个磁芯（聚集磁力线的作用）或共用一个磁场时，线圈之间的电流和磁场就会互相影响，这就是电流的互感现象。大家看得见，电感其实就是一根导线，电感对直流的电阻很小，甚至能够忽略不计。电感对交流电呈现出很大的电阻作用。电感的串联、并联非常复杂，因为电感实际上就是一根导线在按一定的位置路线分布，所以，电感的串联、并联也跟电感的位置相关（主要是磁力场的互相作用相关），如果不考虑磁场作用及分布电容、导线电阻（Q值）等影响的话就相当于电阻的串联、并联效果。交流电的频率越高，电感的阻碍作用越大。交流电的频率越低，电感的阻碍作用越小。电感和充满电的电容并联在一起时，电容放电会给电感，电感产生磁场，磁场会维持电流，电流又会给电容反向充电，反向充电后又会放电，周而复始……如果没损耗，或能及时的补充这种损耗，就会产生稳定的振荡。电子工程师必备基础知识（四）

简易风力摆报告设计

设计了一个简易风力摆控制装置，由直流风机组，陀螺仪，直流减速电机以及激光笔等组成。以MSP430F14单片机为核心，用PW波控制控制电机转速，调节风力大小，并以四个风机上下与左右同面两两并在一起对碳素管及激光笔进行工作，使细杆及激光笔在风机的作用下可进行自由摆动且进一步可控摆动在地上划线，具有很好的重复性，并且可以设定摆动方向且画短线，已经能够在将风力摆拉起一定角度放开后可以在规定时间内达到平衡。关键词：风力控制摆、陀螺仪、轴流风机、PWM B速、MSP43C单片机风力摆控制系统（B题） 1方案设计与选择 1.1设计内容要求一个下端悬挂有（2~4只）直流风机的细管上端固定在结构支架上，只由风机提供动力，构成一个风力摆，风力摆上安装一个向下的激光笔。通过单片机代码指令控制驱动风机使风力摆按照一定的规律运动，并使激光笔在地面画出要求的轨迹，风力摆结构图如图1所示。图1风力摆结构图 1.2设计要求 1.2.1基本要求（1）从静止开始，15s内控制风力摆做类似自由摆运动，使激光笔稳定地在地面画出一条长度不短于50cm的直线段，其线性度偏差不大于土 2.5cm，并且具有较好的重复性； ⑵从静止开始，15s内完成幅度可控的摆动，画出长度在30~60cm间可设置，长度偏差不大于土 2.5cm的直线段，并且具有较好的重复性；（3）可设定摆动方向，风力摆从静止开始，15s内按照设置的方向（角度）摆动，画

出不短于20cm的直线段; (4)将风力摆拉起一定角度(30~45 ° )放开，5s内使风力摆制动达到静止状态。 1.2.2发挥部分 (1) 以风力摆静止时激光笔的光点为圆心，驱动风力摆用激光笔在地面画圆，30s内需重复3次；圆半径可在15~35cm范围内设置，激光笔画出的轨迹应落在指定半径 ± 2.5cm的圆环内； (2) 在发挥部分(1)后继续作圆周运动，在距离风力摆1~2m距离内用一台50~60W台扇在水平方向吹向风力摆，台扇吹5s后停止，风力摆能够在5s内恢复发挥部分(1)规定的圆周运动，激光笔画出符合要求的轨迹； (3) 其他。 2总体方案设计与选择 2.1单片机选择方案一：采用STC89S51芯片，该款芯片具有高性能低功耗的特点，具有32位输入/ 输出，可以实现处理、存储等功能⑴，但是其灵活性不高，需实时保护软件现场，否则易丢失信息，存储能力较弱。方案二：采用MSP430F14芯片，该款芯片具有高性能，低功耗的特点，其抗干扰能力比较强，存储空间较大，稳定性较强。二者比较之下，选择方案二作为此次设计的核心控制部分。 2.2直流风机选择方案一：采用12V 4.5A的轴流风机，风力很大，可以将自身轻松吹起，但是体积较大，质量较重。方案二：采用12V 1.5A的小风机，体积小，质量轻。但是风力足够大，单电机产生的风力可吹起4个相同电机

高效率开关电源设计实例

高效率开关电源设计实例文档编制序号：[KKIDT-LLE0828-LLETD298-POI08]

高效率开关电源设计实例--10W同步整流B u c k变换器以下设计实例中，包含了各种技巧来提高开关电源的总体效率。有源钳位和元损吸收电路的设计主要依靠经验来完成的，所以不在这里介绍。采用新技术时必须小心，因为很多是有专利的，可能需要直接付专利费给专利持有人，或在购买每一片控制IC芯片时，支付附加费用。在将这些电源引入生产前，请注意这个问题。 10W同步整流Buck变换器应用此设计实例是PWM设计实例1的再设计，它包括了如何设计同步整流器()。在设计同步整流开关电源时，必须仔细选择控制IC。为了效率最高和体积最小，一般同步控制器在系统性能上各有千秋，使得控制器只是在供应商提到的应用场合中性能较好。很多运行性能的微妙之处不能确定，除非认真读过数据手册。例如，每当作者试图设计一个同步整流变换器，并试图使用现成买来的IC芯片时，3／4设计会被丢弃。这是因为买来的芯片功能或工作模式往往无法改变。更不用说，当发现现成方案不能满足需求时，是令人沮丧的(见图20的电路图)。设计指标输入电压范围： DC+10～+14V 输出电压： DC+ 额定输出电流：过电流限制：输出纹波电压： +30mV(峰峰值) 输出调整：±1％最大工作温度： +40℃ “黑箱”预估值输出功率： +*2A=(最大) 输入功率： Pout/估计效率=／= 功率开关损耗* 0．5= 续流二极管损耗：*= 输入平均电流低输入电压时／10V= 高输入电压时：／14V=0．8A 估计峰值电流： 1．4Iout(rated)=1．4×2．0A=2．8A 设计工作频率为300kHz。

开关电源课程设计报告

现代电源技术课程实践报告院系：物理与电气工程学院班级：电气自动化一班姓名: 李向伟学号: 111101007 指导老师:苗风东

一、设计要求（1）输入电压：AC220±10%V （2）输出电压: 12V （3）输出功率:12W （4）开关频率: 80kHz 二、反激稳压电源的工作原理

图2-1 反激稳压电源的电路图三、反激电路主电路设计 (1)(1)Np Vdc Ton Vo Tr Nsm -=+ （3-1） 1. 反激变压器主电路工作原理反激式变换器以其电路结构简单,成本低廉而深受广大开发工程师的喜爱,它特别适合小功率电源以及各种电源适配器.但是反激式变换器的设计难点是变压器的设计,因为输入电压范围宽,特别是在低输入电压,满负载条件下变压器会工作在连续电流模式(CCM),而在高输入电压,轻负载条件下变压器又会工作在不连续电流模式(DCM);另外关于CCM 模式反激变压器设计的论述文章极少,在大多数开关电源技术书籍的论述中, 反激变压器的设计均按完全能量传递方式(DCM

模式)或临界模式来计算,但这样的设计并未真实反映反激变压器的实际工作情况,变压器的工作状态可能不是最佳.因此结合本人的实际调试经验和心得,讲述一下不完全能量传递方式(CCM) 反激变压器的设计. 1）工作过程： S 开通后，VD 处于断态，W1绕组的电流线性增长，电感储能增加； S 关断后，W1绕组的电流被切断，变压器中的磁场能量通过W2绕组和VD 向输出端释放。反激电路的工作模式：反激电路的理想化波形 S u S i S i V D t o t o ff t t t t U i O O O O 反激电路原理图

精通开关电源设计

《精通开关电源设计》笔记三种基础拓扑（buck boost buck-boost ）的电路基础： 1，电感的电压公式dt dI L V =＝T I L ??，推出ΔI ＝V ×ΔT/L 2， sw 闭合时，电感通电电压V ON ，闭合时间t ON sw 关断时，电感电压V OFF ，关断时间 t OFF 3，功率变换器稳定工作的条件：ΔI ON ＝ΔI OFF 即，电感在导通和关断时，其电流变化相等。那么由1，2的公式可知，V ON ＝L ×ΔI ON /Δt ON ，V OFF ＝L ×ΔI OFF /Δt OFF ，则稳定条件为伏秒定律：V ON ×t ON ＝V OFF ×t OFF 4，周期T ，频率f ，T ＝1/f ，占空比D ＝t ON /T ＝t ON /（t ON ＋t OFF ）→t ON ＝D/f ＝TD →t OFF ＝（1－D ）/f 电流纹波率r P51 52 r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 对应最大负载电流值和最恶劣输入电压值 ΔI ＝E t /L μH E t ＝V ×ΔT （时间为微秒）为伏微秒数，L μH 为微亨电感，单位便于计算 r ＝E t /（ I L ×L μH ）→I L ×L μH ＝E t /r →L μH ＝E t /（r* I L ）都是由电感的电压公式推导出来 r 选值一般0.4比较合适，具体见 P53 电流纹波率r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 在临界导通模式下，I AC ＝I DC ，此时r ＝2 见P51 r ＝ΔI/ I L ＝V ON ×D/Lf I L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/Lf I L →L ＝V ON ×D/rf I L 电感量公式：L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/rf I L ＝V ON ×D/rf I L 设置r 应注意几个方面： A,I PK ＝（1＋r/2）×I L ≤开关管的最小电流，此时r 的值小于0.4，造成电感体积很大。 B,保证负载电流下降时，工作在连续导通方式P24-26，最大负载电流时r ’＝ΔI/ I LMAX ,当r ＝2时进入临界导通模式，此时r ＝ΔI/ I x ＝2→ 负载电流I x ＝（r ’ /2）I LMAX 时，进入临界导通模式,例如：最大负载电流3A ，r ’＝0.4，则负载电流为（0.4/2）×3＝0.6A 时，进入临界导通模式避免进入临界导通模式的方法有1，减小负载电流2，减小电感（会减小ΔI ，则减小r ）3，增加输入电压 P63 电感的能量处理能力1/2×L ×I 2 电感的能量处理能力用峰值电流计算1/2×L ×I 2PK ，避免磁饱和。确定几个值:r 要考虑最小负载时的r 值负载电流I L I PK 输入电压范围V IN 输出电压V O 最终确认L 的值基本磁学原理：P71――以后花时间慢慢看《电磁场与电磁波》用于EMC 和变压器 H 场：也称磁场强度，场强，磁化力，叠加场等。单位A/m B 场：磁通密度或磁感应。单位是特斯拉（T ）或韦伯每平方米Wb/m 2 恒定电流I 的导线，每一线元dl 在点p 所产生的磁通密度为dB ＝k ×I ×dl ×a R /R 2 dB 为磁通密度，dl 为电流方向的导线线元，a R 为由dl 指向点p 的单位矢量，距离矢量为R ，R 为从电流元dl 到点p 的距离，k 为比例常数。在SI 单位制中k ＝μ0/4π，μ0=4π×10-7 H/m 为真空的磁导率。

开关电源设计技巧连载十六：推挽式变压器开关电源储能滤波电感、电容参数的计算

开关电源设计技巧连载十六：推挽式变压器开关电源储能滤波电感、电容参数的计算 1-8-1-3．推挽式变压器开关电源储能滤波电感、电容参数的计算图1-33中，储能滤波电感和储能滤波电容参数的计算，与图1-2的串联式开关电源中储能滤波电感和储能滤波电容参数的计算方法很相似。根据图1-33和图1-34，我们把整流输出电压uo和LC滤波电路的电压uc、电流iL画出如图1-35，以便用来计算推挽式变压器开关电源储能滤波电感、电容的参数。图1-35-a）是整流输出电压uo的波形图。实线表示控制开关K1接通时，推挽式变压器开关电源开关变压器次级线圈N3绕组输出电压经整流后的波形；虚线表示控制开关K2接通时，推挽式变压器开关电源开关变压器次级线圈N3绕组输出电压经整流后的波形。Up表示整流输出峰值电压（正激输出电压），Up-表示整流输出最低电压（反激输出电压），Ua表示整流输出电压的平均值。图1-35-b）是滤波电容器两端电压的波形图，或滤波电路输出电压的波形图。Uo表示输出电压，或滤波电容器两端电压的平均值；ΔUc表示电容充电电压增量，2ΔUc等于输出电压纹波。

1-8-1-3-1．推挽式变压器开关电源储能滤波电感参数的计算在图1-33中，当控制开关K1接通时，输入电压Ui通过控制开关K1加到开关变压器线圈N1绕组的两端，在控制开关K1接通Ton期间，开关变压器线圈N3绕组输出一个幅度为Up（半波平均值）的正激电压uo，然后加到储能滤波电感L 和储能滤波电容C组成的滤波电路上，在此期间储能滤波电感L两端的电压eL 为：式中：Ui为输入电压，Uo为直流输出电压，即：Uo为滤波电容两端电压uc的平均值。在此顺便说明：由于电容两端的电压变化增量ΔU相对于输出电压Uo来说非常小，为了简单，我们这里把Uo当成常量来处理。对（1-136）式进行积分得：

开关电源实验报告

开关电源实验报告一、开关电源电路图及清单 1.1 60W-12V开关电源电路图图1-1 开关电源电路原理1.2.60W-12V开关电源电清单

二、开关电源介绍开关电源大致由主电路、控制电路、检测电路、辅助电源四大部份组成。开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED 灯袋，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。它是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。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。开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国

开关电源的系统设计深度解读

开关电源的系统设计深度解读开关电源的系统设计深度解读时间：2013-03-05 214次阅读【网友评论0条我要评论】收藏首先从开关电源的设计及生产工艺开始描述吧，先说说印制板的设计。开关电源工作在高频率，高脉冲状态，属于模拟电路中的一个比较特殊种类。布板时须遵循高频电路布线原则。 1、布局：脉冲电压连线尽可能短，其中输入开关管到变压器连线，输出变压器到整流管连接线。脉冲电流环路尽可能小如输入滤波电容正到变压器到开关管返回电容负。输出部分变压器出端到整流管到输出电感到输出电容返回变压器电路中X电容要尽量接近开关电源输入端，输入线应避免与其他电路平行，应避开。 Y电容应放置在机壳接地端子或FG连接端。共摸电感应与变压器保持一定距离，以避免磁偶合。如不好处理可在共摸电感与变压器间加一屏蔽，以上几项对开关电源的EMC性能影响较大。输出电容一般可采用两只一只靠近整流管另一只应靠近输出端子，可影响电源输出纹波指标，两只小容量电容并联效果应优于用一只大容量电容。发热器件要和电解电容保持一定距离，以延长整机寿命，电解电容是开关电源寿命的瓶劲，如变压器、功率管、大功率电阻要和电解保持距离，电解之间也须留出散热空间，条件允许可将其放置在进风口。控制部分要注意：高阻抗弱信号电路连线要尽量短如取样反馈环路，在处理时要尽量避免其受干扰、电流取样信号电路，特别是电流控制型电路，处理不好易出现一些想不到的意外，其中有一些技巧，现以3843电路举例见图（1）图一效果要好于图二，图二在满载时用示波器观测电流波形上明显叠加尖刺，由于干扰限流点比设计值偏低，图一则没有这种现象、还有开关管驱动信号电路，开关管驱动电阻要靠近开关管，可提高开关管工作可靠性，这和功率MOSFET高直流阻抗电压驱动特性有关。

开关电源学习笔记(含推导公式)

《开关电源》笔记三种基础拓扑（buck boost buck-boost ）的电路基础： 1，电感的电压公式dt dI L V =＝T I L ??，推出ΔI ＝V ×ΔT/L 2， sw 闭合时，电感通电电压V ON ，闭合时间t ON sw 关断时，电感电压V OFF ，关断时间 t OFF 3，功率变换器稳定工作的条件：ΔI ON ＝ΔI OFF 即，电感在导通和关断时，其电流变化相等。那么由1，2的公式可知，V ON ＝L ×ΔI ON /Δt ON ，V OFF ＝L ×ΔI OFF /Δt OFF ，则稳定条件为伏秒定律：V ON ×t ON ＝V OFF ×t OFF 4，周期T ，频率f ，T ＝1/f ，占空比D ＝t ON /T ＝t ON /（t ON ＋t OFF ）→t ON ＝D/f ＝TD →t OFF ＝（1－D ）/f 电流纹波率r P51 52 r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 对应最大负载电流值和最恶劣输入电压值 ΔI ＝E t /L μH E t ＝V ×ΔT （时间为微秒）为伏微秒数，L μH 为微亨电感，单位便于计算 r ＝E t /（ I L ×L μH ）→I L ×L μH ＝E t /r →L μH ＝E t /（r* I L ）都是由电感的电压公式推导出来 r 选值一般0.4比较合适，具体见 P53 电流纹波率r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 在临界导通模式下，I AC ＝I DC ，此时r ＝2 见P51 r ＝ΔI/ I L ＝V ON ×D/Lf I L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/Lf I L →L ＝V ON ×D/rf I L 电感量公式：L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/rf I L ＝V ON ×D/rf I L 设置r 应注意几个方面： A,I PK ＝（1＋r/2）×I L ≤开关管的最小电流，此时r 的值小于0.4，造成电感体积很大。 B,保证负载电流下降时，工作在连续导通方式P24-26，最大负载电流时r ’＝ΔI/ I LMAX ,当r ＝2时进入临界导通模式，此时r ＝ΔI/ I x ＝2→ 负载电流I x ＝（r ’ /2）I LMAX 时，进入临界导通模式,例如：最大负载电流3A ，r ’＝0.4，则负载电流为（0.4/2）×3＝0.6A 时，进入临界导通模式避免进入临界导通模式的方法有1，减小负载电流2，减小电感（会减小ΔI ，则减小r ）3，增加输入电压 P63 电感的能量处理能力1/2×L ×I 2 电感的能量处理能力用峰值电流计算1/2×L ×I 2PK ，避免磁饱和。确定几个值:r 要考虑最小负载时的r 值负载电流I L I PK 输入电压范围V IN 输出电压V O 最终确认L 的值基本磁学原理：P71――以后花时间慢慢看《电磁场与电磁波》用于EMC 和变压器 H 场：也称磁场强度，场强，磁化力，叠加场等。单位A/m B 场：磁通密度或磁感应。单位是特斯拉（T ）或韦伯每平方米Wb/m 2 恒定电流I 的导线，每一线元dl 在点p 所产生的磁通密度为dB ＝k ×I ×dl ×a R /R 2 dB 为磁通密度，dl 为电流方向的导线线元，a R 为由dl 指向点p 的单位矢量，距离矢量为R ，R 为从电流元dl 到点p 的距离，k 为比例常数。在SI 单位制中k ＝μ0/4π，μ0=4π×10-7 H/m 为真空的磁导率。

史上最全的开关电源设计经验资料

三种基础拓扑（buck boost buck-boost ）的电路基础： 1，电感的电压公式dt dI L V =＝T I L ??，推出ΔI ＝V ×ΔT/L 2， sw 闭合时，电感通电电压V ON ，闭合时间t ON sw 关断时，电感电压V OFF ，关断时间 t OFF 3，功率变换器稳定工作的条件：ΔI ON ＝ΔI OFF 即，电感在导通和关断时，其电流变化相等。那么由1，2的公式可知，V ON ＝L ×ΔI ON /Δt ON ，V OFF ＝L ×ΔI OFF /Δt OFF ，则稳定条件为伏秒定律：V ON ×t ON ＝V OFF ×t OFF 4，周期T ，频率f ，T ＝1/f ，占空比D ＝t ON /T ＝t ON /（t ON ＋t OFF ）→t ON ＝D/f ＝TD →t OFF ＝（1－D ）/f 电流纹波率r P51 52 r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 对应最大负载电流值和最恶劣输入电压值 ΔI ＝E t /L μH E t ＝V ×ΔT （时间为微秒）为伏微秒数，L μH 为微亨电感，单位便于计算 r ＝E t /（ I L ×L μH ）→I L ×L μH ＝E t /r →L μH ＝E t /（r* I L ）都是由电感的电压公式推导出来 r 选值一般0.4比较合适，具体见 P53 电流纹波率r ＝ΔI/ I L ＝2I AC /I DC 在临界导通模式下，I AC ＝I DC ，此时r ＝2 见P51 r ＝ΔI/ I L ＝V ON ×D/Lf I L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/Lf I L →L ＝V ON ×D/rf I L 电感量公式：L ＝V O ＦＦ×（1－D ）/rf I L ＝V ON ×D/rf I L 设置r 应注意几个方面： A,I PK ＝（1＋r/2）×I L ≤开关管的最小电流，此时r 的值小于0.4，造成电感体积很大。 B,保证负载电流下降时，工作在连续导通方式P24-26，最大负载电流时r ’＝ΔI/ I LMAX ,当r ＝2时进入临界导通模式，此时r ＝ΔI/ I x ＝2→ 负载电流I x ＝（r ’ /2）I LMAX 时，进入临界导通模式,例如：最大负载电流3A ，r ’＝0.4，则负载电流为（0.4/2）×3＝0.6A 时，进入临界导通模式避免进入临界导通模式的方法有1，减小负载电流2，减小电感（会减小ΔI ，则减小r ）3，增加输入电压 P63 电感的能量处理能力1/2×L ×I 2 电感的能量处理能力用峰值电流计算1/2×L ×I 2PK ，避免磁饱和。确定几个值:r 要考虑最小负载时的r 值负载电流I L I PK 输入电压范围V IN 输出电压V O 最终确认L 的值基本磁学原理：P71――以后花时间慢慢看《电磁场与电磁波》用于EMC 和变压器 H 场：也称磁场强度，场强，磁化力，叠加场等。单位A/m B 场：磁通密度或磁感应。单位是特斯拉（T ）或韦伯每平方米Wb/m 2 恒定电流I 的导线，每一线元dl 在点p 所产生的磁通密度为dB ＝k ×I ×dl ×a R /R 2 dB 为磁通密度，dl 为电流方向的导线线元，a R 为由dl 指向点p 的单位矢量，距离矢量为R ，R 为从电流元dl 到点p 的距离，k 为比例常数。在SI 单位制中k ＝μ0/4π，μ0=4π×10-7 H/m 为真空的磁导率。则代入k 后，dB ＝μ0×I ×dl ×R/4πR 3 对其积分可得B ＝ 3 40R C R Idl ?? π μ

开关电源设计：高压电容器充电变简单了

开关电源设计：高压电容器充电变简单了设计一个高达kV的高压电容器充电器或电源不是一件小事。采用通用反激式PWM 控制器的分立式解决方案需要光耦合器，还要具备监视、状态指示和保护功能，这就要很多电路，增加了设计复杂性。尤为重要的是要避免输入过流，这种情况在发生在接通时会被误认为是短路的容性负载所引发。还必需确保该类型的转换器只有输入电压在安全工作范围之内时才接通，从而保持长期可靠性。 ?专业高压闪光灯系统、安全控制系统、脉冲雷达、汽车安全气囊发射、应急频闪灯、安全/存货控制系统和雷管等都需要在一个电容器的两端产生一个高电压。怎样设计一个可靠性、成本、安全性、尺寸和性能都优秀的高压电源就是设计师必需应对的主要障碍。不过，凌力尔特公司最近推出的 LT3751 极大地简化了这一问题。 ?LT3751是全功能反激式控制器，用来对大型电容器迅速充电到1000V，是之前推出的LT3750的第二代版本。其增加的功能包括从变压器的主或副端检测输出电压，接受更高的输入电压，同时具有更高的可编程性和更多保护功能。LT3751驱动一个外部N沟道MOSFET，可以在不到1s的时间内将一个1000μF的电容充到500V。此外，它还可以为主端输出电压检测而配置，无须光耦合器。对于更低噪声和更严格的输出调节应用而言，一个为输出电压分压的电阻分压器网络可以用来调节输出，从而使该器件非常适合满足高压电源的要求。同时，可调变压器匝数比和两个外部电阻使输出电压调整大为简化。此外，LT3751还有一个通过串联电阻供电的内部60V并联稳压器，可以在 4.75～400V的输入电压范围内工作。这允许最终用户接受一个极宽的输入电源范围，其VCC输入接受范围为5～24V。

简易开关电源设计报告

四川教育学院应用电子设计报告课程名称：Protel99 电路设计系部：物理与电子技术系专业班级：应用电子技术0901 学生姓名：x x x 学号：指导教师：完成时间：

开关电源电路设计报告一. 设计要求：直流稳定电源主要包括线性稳定电源和开关型稳定电源，由于开关稳压电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠，适用性强，故选择设计可调开关稳压电源，其具体设计要求如下：（1）．所选元器件和电路必须达到在一定范围内输出电压连续可调，输出电压U0=+6V —— +9V连续可调，输出额定电流为500mA；（2）．输出电压应能够适应所带负载的启动性能,且输出电压短路时，对各元器件不会产生影响；（3）．电路还必须简单可靠，有过流保护电路，能够输出足够大的电流。二.方案选择及电路的工作原理方案一：首先用一个桥式整流电路将输入的交流电压变成直流电压，然后经过电容滤波，然后在经过一个NPN型三级管Q1调整管，最后整过电路形成一个通路，达到最终的效果。方案二：开关电源同其它电子装置一样，短路是最严重的故障，短路保护是否可靠，是影响开关电源可靠性的重要因素。IGBT（绝缘栅双极型晶体管）兼有场效

应晶体管输入阻抗高、驱动功率小和双极型晶体管电压、电流容量大及管压降低的特点，是目前中、大功率开关电源最普遍使用的电力电子开关器件[6]。IGBT能够承受的短路时间取决于它的饱和压降和短路电流的大小，一般仅为几μs至几十μs。短路电流过大不仅使短路承受时间缩短，而且使关断时电流下降率过大，由于漏感及引线电感的存在，导致IGBT集电极过电压，该过电压可使IGBT锁定失效，同时高的过电压会使IGBT击穿。因此，当出现短路过流时，必须采取有效的保护措施。为了实现IGBT的短路保护，则必须进行过流检测。适用IGBT过流检测的方法，通常是采用霍尔电流传感器直接检测IGBT的电流Ic，然后与设定的阈值比较，用比较器的输出去控制驱动信号的关断；或者采用间接电压法，检测过流时IGBT的电压降Vce，因为管压降含有短路电流信息，过流时Vce增大，且基本上为线性关系，检测过流时的Vce并与设定的阈值进行比较，比较器的输出控制驱动电路的关断。在短路电流出现时，为了避免关断电流的过大形成过电压，导致IGBT 锁定无效和损坏，以及为了降低电磁干扰，通常采用软降栅压和软关断综合保护技术。在设计降栅压保护电路时，要正确选择降栅压幅度和速度，如果降栅压幅度大（比如7.5V），降栅压速度不要太快，一般可采用2μs下降时间的软降栅压，由于降栅压幅度大，集电极电流已经较小，在故障状态封锁栅极可快些，不必采用软关断；如果降栅压幅度较小（比如5V以下），降栅速度可快些，而封锁栅压的速度必须慢，即采用软关断，以避免过电压发生。为了使电源在短路故障状态不中断工作，又能避免在原工作频率下连续进行短路保护产生热积累而造成IGBT损坏，采用降栅压保护即可不必在一次短路保护立即封锁电路，而使工作频率降低（比如1Hz左右），形成间歇“打嗝”的保护方法，故障消除后即恢复正常工作。下面是几种IGBT短路保护的实用电路及工作原理。利用IGBT的Vce设计过流保护电路

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