浅谈开关电源设计及应用前景

浅谈开关电源设计及应用前景院校：*******班级：*******姓名：*******学号：*******浅谈开关电源设计及应用前景一、简介随着电力电子技术的高速发展，电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，而电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在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安防监控，节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。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，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，PWM开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。与线性电源相比，PWM开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压值。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。二、开关电源的现状20世纪90年代，开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源。可开关电源也存在着电路复杂、射频干扰、电磁干扰大的缺点。随着电子技术的发展，上述缺点正在被逐步克服。整机电路分为主电路和控制电路。主电路包括输入整流滤波、功率转换和输出整流滤波三个环节。大容量电力电源产品的需求迅速提升，开关电源市场稳步增长。因为国家对能源和环保问题日益重视，电力行业结构调整势在必行;随着电力电子技术的进步，开关电源在节能降耗环保问题上的作用日益显着；高效、大容量机组渐成市场主力，有效拉动电源市场需求，所以中国电力电源市场的这种变化与我国宏观政策导向和电力行业的影响密不可分。受国家宏观政策的影响，我国电力行业结构有所调整，小火电机组相继叫停，大型、高效机组陆续投产。这种电力行业结构的转变显着拉动了大容量电源的市场需求，从而有效带动开关电源市场稳步增长。市场集中度较低，厂商竞争相对激烈。中国电力电源厂商有近1000家，分布地域广而分散，市场规模亦较为均衡，厂商市场占有率均在10%以下。开关电源市场集中度相对较低，厂商间竞争较为激烈成为开关电源市场的主要特征之一。随着竞争的加剧，电力电源厂商在市场规模效应和技术研发能力上充分重视起来，以提高品牌影响力和市场竞争力。技术进步驱动产品创新。电力电源产品与电子技术的进步发展密切相关。近年来，随着我国电力电子技术的快速发展，开关电源产品也朝着高频化、高功率密度、高功率因素、高效率、高可靠性和高智能化方向发展。这种由于技术进步带动的产品创新同时受到市场的认可。“绿色”电源，模块化电源的问世在节能、降耗、环保方面发挥了重要的作用，对于缓解我国的能源和环境问题大有裨益。总之，开关电源是电力电子发展的必然产物，顺应了时代的发展，它的出现已经带来了技术的革新。现在无论是国内还是国外都在发展开关电源，所以其前景是美好的，开关电源在一定程度上取代传统电源已经是必然的趋势了。三、开关电源分类设计１．１按负载前连接方式分类开关电源中开关管与负载串联连接称为串联型开关电源，开关管与负载并联连接称为并联型开关电源。串联型开关电源的输出端通过开关调整管及整流二极管与电网直接相连，因电网隔离性差，整机底板带电，一般称为热板，这样不便于外界接口，如音视频插口、耳机插口等。并联型自激式开关电源，其输出端与电网有高频变压器进行电的隔离。因此机板上除了与开关变压器初级相连的开关电源部分外，其余均不带电，称为冷板。其安全性好，也容易与外界接口，通过开关变压器的次级可以做到多路电压输出。１．２按稳压控制方式分类开关电源的调节稳压是通过调节功率开关管的占空比来实现的。设开关管的开关周期为Ｔ，在一个周期内，导通时间为ｔｏｎ，则占空比定义为Ｄ＝ｔｏｎＴ。在开关电源中，改变占空比的控制方式有两种：即脉冲宽度调制（ＰＷＭ）和脉冲频率调制（ＰＷＦ）。在脉冲宽度控制中，保持开关频率（开关周期Ｔ）不变，通过改变ｔｏｎ来改变占空比Ｄ，从而达到改变输出电压的目的。即Ｄ越大，滤波后输出电压也就越大；Ｄ越小，滤波后输出电压越小。在频率控制方式中，保持导通时间ｔｏｎ不变，通过改变频率（即开关周期Ｔ）而改变占空比。由于频率控制方式的工作频率是变化的，造成后续电路滤波器的设计比较困难，因此，目前绝大部分的开关电源均采用ＰＷＭ控制。１．３按激励方式分类开关调整管的启动所需的激励信号来自开关电源外的称为它激式，若由自激振荡产生激励的称为自激式。一般它激式都是由行逆程脉冲作为开关调整管导通的激励信号，部分自激式开关电源为了使振荡频率与行频率同步，也采用了行逆程脉冲作为触发电平。目前应用最多的是采用ＰＷＭ控制的自激式并联型开关电源。１．４按输入电压方式分类按输入电压方式开关电源分为ＡＣ／ＤＣ和ＤＣ／ＤＣ两大类。ＡＣ／ＤＣ变换是将交流变换为直流即整流。按电路的接线方式可分为半波电路、全波电路。按电源相数可分为单相、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。ＤＣ／ＤＣ变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波，有Ｂｕｃｋ电路一降压斩波器，Ｂｏｏｓｔ电路一升压斩波器，Ｃｕｋ电路升降压斩波器。ＤＣ／ＤＣ变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但ＡＣ／ＤＣ的模块化，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。四、开关电源的设计1.确定电源基本参数交流输入电压最小值Umin=85V。交流输入电压最大值Umax=265V。电网频率fL=50Hz。输出电压VO=5V,12V。输出功率PO=30W。电源效率η=0.75。损耗因数Z=0.5。2.根据输出要求，确定反馈类型和反馈电压UFB选择TL431带光藕的反馈电路，反馈电压UFB=12V。3.确定输入滤波电容CIN在宽电压范围内，按照功率的2倍大小计算得输入滤波电容CIN=47uF。4.根据交流电压确定初级感应电压UOR，钳位二极管反向击穿电压UB初级感应电压UOR=110V135V，UB=200V，由UB选择TVS为P6KE200A。5.根据UImin和UOR来确定最大占空比DmaxDmax=UOR/(UOR+UImin-UDS)，UOR=110,UImin=90V,UDS=10V带入得Dmax=0.570.67。6.确定初级脉动电流IR和初级峰值电流IP的比值KRP选择KRP=0.6。7.确定初级波形参数IAVG=PO/η×UMIN=0.43A，IP=IAVG/((1-KRP/2)×UMAX)=1.08A，8.选择TOPSwitch芯片根据功率要求选择TOPSwitch-II的TOP224Y。Ilimit(min)=1.35A，IP=0.9Ilimit(min)。9.计算结温Tj10.确定Tj小于100度11.验算IP令IP=0.9Ilimit(min)，迭代计算KRP，直到KRP=1。12.计算初级电感量LP13.选择磁芯和骨架并确定相关参数磁芯材料选择南京金宁EF25/13，材料为JP3。磁芯有效截面积SJ=49.4mm2，有效磁路长度L=58.1mm，AL=2140nH/N2，骨架宽度b=15.1mm。14.确定初级层数d和次级匝数NS的初始值取d＝2层。当U＝85V～265V时，取每伏0.6匝，则5V为3匝，12V为7匝。15.计算初级匝数NP和反馈匝数NFNP=NS×UOR/(UO+UD)=61，NF=NS×(UF+UDF)/(UO+UD)=7。16.计算磁芯中的最大磁通密度BMBM=100×IP×LP/(NP×AL)=2561GAUSS=0.2561T。17.验证2000BM30002000GUASSBM3000GUASS。18.计算磁芯的气隙密度δδ＝40×π×AL×(NP2/1000LP-1/AL)=0.294mm。19.验证δ0.051mmδ=0.294mm0.051mm。20.计算有效骨架宽度bE，导线外径DPM和内径DPm设M=3mm，bE=d×(b-2M)=22.6mm，DPM=bE/NP=0.37mm，DPm=0.32mm，取D=0.3mm。21.验算4AJ10AJ=1.28IRMS/DPm2=8.36310A。22.计算留有气隙的等效电感量ALGALG=1000×AL/NP2=0.192uH/N2=192nH/N2。23.确定次级参数ISP,ISRMS,IRI,DSM24.确定次级整流管，反馈整流管的最高反向电压U(BR)S=UO+U(IMAX)×NS/NP,则5V的U(BR)S＝24V，12的U(BR)S＝55V，UF(BR)S=55V。25.选择钳位二极管和阻塞二极管钳位二极管选择P6KE200A，阻塞二极管选择SF16。26.选择输出整流二极管根据电流大小选择，5V选择SR360，12V选择SF32。27.选择输出滤波电容输出滤波电容选择470uF/35V。28.验证纹波为减少纹波，增加电感滤波。29.选择滤波电感L=3.3uH/2.2A，滤波电容选择220uF/35V。30.选择反馈电路的整流管反馈二极管选择1N4148。31.选择反馈滤波电容反馈滤波电容选择0.1uF/50V陶瓷电容。32.选择控制端电阻和电容控制端电容选择47uF/25V，电阻为10欧。33.选择反馈元件反馈元件为TL431和线性光隔PC817A。34.选择输入整流桥在交流85V～265V范围内时，选择耐压在600V以上的整流管FR207。35.设计完毕五、开关电源的应用（1）PC电源：输出电压为：12V/14A，-12V/0.5A，5V/18A，3.3V/14A；（2）笔记本适配器：输入100-240Vac，50-60Hz，输出20V/3.25A；（3）打印机电源；（4）通讯电源；（5）数电和模电实验箱中的电源：输出±5V，±12V，±15V给芯片或者三极管供电，（差分放大电路中三极管工作时需要正、负电源，运算放大器有时也需要正、负电源）；（6）不间断电源（UPS）；（7）医疗器械上的电源(如CT扫描仪）；（8）航空电源；（9）LED驱动电源；（10）电子镇流器；（11）液晶电视电源；（12）传真机、复印机的电源；（13）弧焊机电源等等；(14)变频器（风力发电）、电力仪表、太阳能发电等发电设备；(15)铁路交通设施、电动汽车充电设备、工业自动化设备。六、开关电源的趋势1、小型化、薄型化、轻量化、