【正文】 入 , 不再需要有降壓變壓器了 , 從而極大地?cái)U(kuò)大了開關(guān)電源的應(yīng)用范圍 , 并在此基礎(chǔ)上誕生了無工頻降壓變壓器開關(guān)電源 , 省掉了工頻降壓變壓器 , 使開關(guān)電源的體積和重量大為減小。開關(guān)穩(wěn)壓電源才真正做到效率高、體積小、重量輕。 70 年代以后 , 基于 PWM 開關(guān)電源設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 2 與該技術(shù)有關(guān)的高頻高反壓的大功率晶體管、場效應(yīng)管、高頻電容、肖特基二極管、高頻磁芯材料等元器件也不斷地被研制和生產(chǎn)出來 , 使這一技術(shù)得到了飛速的發(fā)展 , 并且被廣泛地應(yīng)用于計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩色電視 等領(lǐng)域中 , 從而使無工頻變壓器開關(guān)電源成為各種電源中的佼佼者。 隨著半導(dǎo)體技術(shù)和微電子技術(shù)的高速發(fā)展 , 集成度高、功能性強(qiáng)的大規(guī)模集成電路的不斷出現(xiàn) , 使得電子設(shè)備的體積在不斷地縮小 , 重量在不斷地減輕 ,所以從事這方面研究和生產(chǎn)的人們對電源中的開關(guān)變壓器還感到不是十分理想 , 他們正致力于研制出效率更高、體積和重量更小的開關(guān)變壓器或通過別的途徑來取代它 , 使之能滿足電子儀器和設(shè)備微小型化的要求。這就是從事開關(guān)電源研究的科技人員目前正在克服的第一個困難。開關(guān)電源的效率是與開關(guān)管的 變換速度成正比的 , 并且由于采用了開關(guān)變壓器以后 ,才能使之由一組輸入得到極性、大小各不相同的多組輸出。要進(jìn)一步提高其效率 , 就必須提高其工作頻率。但是當(dāng)頻率提高以后 , 對整個電路中的元器件又有了新的要求。例如 : 高頻電容、開關(guān)管、開關(guān)變壓器、儲能電感、快速整流二極管等都會出現(xiàn)新的問題。進(jìn)一步研制出適應(yīng)高頻工作的有關(guān)電路元器件是從事開關(guān)電源研制的科技人員要解決的第二個問題。線性電源中的功率調(diào)整管具有穩(wěn)壓和電子濾波的雙重作用 , 因而串聯(lián)線性電源不產(chǎn)生開關(guān)干擾 , 且輸出波紋電壓小。但是開關(guān)電源中的開關(guān)管是工作在開關(guān)狀態(tài) , 所以就會產(chǎn)生尖峰干擾和諧振干擾。這些干擾就會污染市電電網(wǎng) , 影響鄰近的電子儀器和設(shè)備的正常工作。隨著開關(guān)電源電路和抑制干擾措施的不斷增加和完善 , 它的這一缺點(diǎn)得到了進(jìn)一步的克服 , 可以達(dá)到不妨礙一般電子儀器和設(shè)備正常工作的程度。但在一些精密電子儀器中 , 由于這一缺點(diǎn) , 卻使開關(guān)電源不能得到應(yīng)用。所以 ,克服這一缺點(diǎn) , 基于 PWM 開關(guān)電源設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 3 進(jìn)一步提高開關(guān)電源的使用范圍是從事開關(guān)電源研制人員要解決的第三個問題。目前 , 在開關(guān)電源方面急需解決的最后一個問題 , 是開關(guān)管的二次擊穿問題。要解決這一問題 , 首先要將其產(chǎn)生的原因分析 清楚 , 而目前人們對此還沒有完全掌握 , 還只能從“熱點(diǎn)”的角度進(jìn)行解釋 , 所以這方面還需人們?nèi)プ龃罅康难芯亢吞剿鞴ぷ鳌? 我國開關(guān)電源歷程 從我國開關(guān)電源的發(fā)展過程可以了解國際開關(guān)電源發(fā)展的一個側(cè)面，雖然一般說來，我國技術(shù)發(fā)展水平與國際先進(jìn)水平平均有 5～ 10 年差距。 70 年代起，我國在黑白電視機(jī)，中小型計(jì)算機(jī)中開始應(yīng)用 5V，20～ 200A， 20kHZ AC－ DC開關(guān)電源。 80 年代進(jìn)入大規(guī)模生產(chǎn)和廣泛應(yīng)用階段，并開發(fā)研究 ～ 5MHz 準(zhǔn)諧振型軟開關(guān)電源。 80 年代中，我國通信（如程注交換機(jī)）電 源在 AC－ DC 及 DC－ DC 開關(guān)電源應(yīng)用領(lǐng)域中所占比重還比較低。 80 年代末我國通信電源大規(guī)模更新?lián)Q代，傳統(tǒng)的鐵磁穩(wěn)壓 整流電源和晶閘管被相控穩(wěn)壓電源為大功率（ 48V， 6kw） AC－ DC開關(guān)電源（通信系統(tǒng)中常稱為開關(guān)型整流器 SMR）所取代；并開始在辦公室自動化設(shè)備中得到應(yīng)用。工業(yè)應(yīng)用方面，在鍋爐火焰控制，繼電保護(hù)，激光，彩色 TV，離子管燈絲發(fā)射電流調(diào)節(jié)，離子注射機(jī)，鹵鎢燈控制等系統(tǒng)中均有應(yīng)用。 90 年代我國又研制開發(fā)了一批新型專用開關(guān)電源，典型例子如下： 。東方紅三號通信衛(wèi)星、風(fēng)云一號、二號 氣象衛(wèi)星均應(yīng)用了開關(guān)電源。特點(diǎn)是：多路輸出，不可維修性，要求長期不改變性能，設(shè)置冗余模塊，可靠性高， EMC 滿足空間環(huán)境條件，高效，輕小。 DC－ DC 開關(guān)電源，要求發(fā)射過程中高度可靠。 3. 1000kW 牽引變流器 4500V／ 1200A GTO 門控 250W 開關(guān)電源。 4. 40kW 固體脈沖激光器的軟開關(guān)電源。用 4 臺 10kw 全橋多諧 基于 PWM 開關(guān)電源設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 4 振 ZVS變換器并聯(lián)。 IGBT管正激車電壓轉(zhuǎn)換 — 脈定調(diào)制（ ZVT－ PWM）軟開關(guān)電源。輸出 20kW， 500A，開關(guān)頻率 40kHZ，效率 92％。特 點(diǎn)是負(fù)載大、范圍變化頻繁，工作環(huán)境惡劣。要求電源沖擊電流小，動態(tài)特性好，負(fù)載不影響軟開關(guān)性質(zhì)。 操作系統(tǒng) 開關(guān)電源。供繼電保護(hù)和自動裝置及蓄電池充電用。代替晶閘管調(diào)壓系統(tǒng)，輸出 10A，180～ 286V。主開關(guān)管用 IGBT 或功率 MOSFET。 數(shù)整流器（有源功率因數(shù)校正器）。 可以看出 20～ 30 年中，我國開關(guān)電源的應(yīng)用領(lǐng)域和技術(shù)性能有很大進(jìn)展，這與國家基礎(chǔ)工業(yè)和國力增強(qiáng)有密切關(guān)系， 也和國際先進(jìn)開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展影響有關(guān)。充分顯示了中國電源技術(shù)人員的聰明才智和艱苦奮斗的創(chuàng)業(yè)精神。 90 年代，中小型（ 500W 以下） AC－ DC 和 DCDC 開關(guān)電源的特點(diǎn)是：高頻化（開關(guān)頻率達(dá)300－ 400kHZ）以達(dá)到高功率密度，體積小，重量輕；力求高效和高可靠；低成本；低輸出電壓（≤ 3V）； AC 輸入端高功率因數(shù)等。在今后 5年內(nèi)仍然將沿這些方向發(fā)展。 開關(guān)電源的技術(shù)發(fā)展趨勢 由于電源小型化的關(guān)鍵是高頻化，因此國外目前都在致力于同步開發(fā)新型元器件，特別是改善二次整流的損耗，變壓器電 容器小型化，同時采用 SMT 技術(shù)在電路板兩面布置元器件以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。 開關(guān)電源高頻化使傳統(tǒng)的 PWM 開關(guān)（硬開關(guān)）功耗加大，效率降低，噪聲也提高了，達(dá)不到高頻、高效的預(yù)期效益，因此實(shí)現(xiàn)零電壓導(dǎo)通、零電壓關(guān)斷的軟開關(guān)技術(shù)將成為開關(guān)電源產(chǎn)品未來的主流。采用軟開關(guān)技術(shù)可使效率達(dá)到 85%～ 88%。據(jù)悉，美國 VICOR 開關(guān)電源公 基于 PWM 開關(guān)電源設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 5 司設(shè)計(jì)制造了多種 ECZ 軟開關(guān) DC/DC 變換器，其最大輸出功率有 800W、600W、 300W 等，相應(yīng)的功率密度為 、 17W/cm3 ，效率為 80%～ 90%；日本 NemicLambda 公司目前推出一種采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻開關(guān)電源模塊 RM 系列，開關(guān)頻率為 200～ 300kHz，功率密度 27W/cm3 ，用同步整流器（即用 MOS— FET 代替肖特基二極管）使整個電路效率提高到 90%。 開關(guān)電源使用的元器件比連續(xù)工作電源多數(shù)十倍，因此降低了可靠性。追求壽命的延長要從設(shè)計(jì)方面著手，而不是從使用方面著想。美國一公司通過降低節(jié)溫、減少器件的電應(yīng)力、降低運(yùn)行電流等措施使其 DC/DC 開關(guān)電源系列產(chǎn)品的可靠性大大提高，產(chǎn)品的 MTBF 高達(dá)100 萬時以上。 可以用模塊電源組成分布式電源系統(tǒng)；可以設(shè)計(jì)成 N+1 冗余電源系統(tǒng)，從而提高可靠性；可以做成插入式，實(shí)現(xiàn)熱交換，從而在運(yùn)行中出現(xiàn)鼓掌時能高速更換模塊插件；多臺模塊并聯(lián)可實(shí)現(xiàn)大功率電源系統(tǒng)。此外，還可以在電源系統(tǒng)建成后，根據(jù)發(fā)展需要不斷擴(kuò)充容量。 開關(guān)電源的又一缺點(diǎn)是噪聲大，單純追求高頻化，噪聲也隨之增大，采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以高頻化，又可以低噪聲。但諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)也有其難點(diǎn)如果很 難準(zhǔn)確的控制開關(guān)頻率，諧振時增大了器件負(fù)荷、場效應(yīng)管的寄生電容易引起短路損耗、元件熱應(yīng)力轉(zhuǎn)向開關(guān)管等問題難以解決。日本把變壓器設(shè)計(jì)成一二次分離阻燃密封，自身具備對付噪聲功能的共模無噪聲隔離變壓器，既節(jié)省了噪聲濾波器，又減少了噪聲。 （ EMI） 當(dāng)開關(guān)電源在高頻下工作時，其噪聲通過電源線產(chǎn)生對其他電子設(shè)備的干擾，世界各國已經(jīng)有了抗 EMI 的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)。 基于 PWM 開關(guān)電源設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 6 應(yīng)用微處理器或微機(jī)集中控制與管理，可以及時反映開關(guān)電源環(huán)境的各種變化，中央處理單元實(shí)現(xiàn)智能控制，可自動診 斷故障，減少維護(hù)工作量，確保正常運(yùn)行。 （ CAD） 利用計(jì)算機(jī)對開關(guān)電源進(jìn)行 CAD 設(shè)計(jì)和模擬試驗(yàn)十分有效，是最為快速經(jīng)濟(jì)的設(shè)計(jì)方法。 目前的開關(guān)電源產(chǎn)品要求輸入電壓通用（適用世界各國電網(wǎng)電壓規(guī)范），出電壓規(guī)范擴(kuò)大（如計(jì)算機(jī)和工作站需要增加 這一電壓）、輸入端功率因數(shù)進(jìn)一步提高，并具有安全、過壓保護(hù)等方面的功能。 本文研究的目的 本論文是結(jié)合當(dāng)前開關(guān)電源的發(fā)展趨勢 完成的。 在本文中，設(shè)計(jì)了一個 65W通用交流輸入多路輸出反激式變換器的 PWM開關(guān)電源。這種開關(guān)電源可用于 AV85～ 240V輸入的電子產(chǎn)品中。這種特殊的開關(guān)電源可以提供 25～ 150W的輸出功率，可以用在辦公室小型分組交換機(jī)（ PBX）等產(chǎn)品中。 通過完成本論文希望完成以下目的： 1．在系統(tǒng)學(xué)習(xí)開關(guān)電源原理的基礎(chǔ)上，自己獨(dú)立設(shè)計(jì)一臺開關(guān)電源，了解開關(guān)電源的主要設(shè)計(jì)過程及其相關(guān)方法； 2．在整個過程中不斷學(xué)習(xí)、消化、掌握各種類型開關(guān)電源的主要特點(diǎn)和性能，重點(diǎn)掌握反激式變壓器的 PWM開關(guān)電源； 3．在設(shè)計(jì)過程中掌握開關(guān)電源的整體系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，主電路、輸入 /輸出 電路、反激式變換器、反饋裝置和保護(hù)電路； 基于 PWM 開關(guān)電源設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 7 4．通過對開關(guān)電源的理論學(xué)習(xí)和實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)，了解電源的應(yīng)用前景和發(fā)展趨勢，從而明確自己今后努力的方向，爭取在電源的設(shè)計(jì)和制造等工作中加以應(yīng)用。 基于 PWM 開關(guān)電源設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 8 2 開關(guān)電源原理 分析 開關(guān)電源基本工作原理 開關(guān) K 以一定的頻率重復(fù)的接通或斷開。在開關(guān) K 接通時，輸入電源 IV 通過開關(guān) K 和濾波電路向負(fù)載 R提供能量；當(dāng)開關(guān) K斷開時，輸入電源 IV 便中斷了能量的供 給。開關(guān)電源的示意圖如圖 21所示。 為了使負(fù)載能夠得到連續(xù)的能量，開關(guān)電源就必須有一套儲能裝置，以便在開關(guān) K 接通時將一部分能量儲存起來，當(dāng)開關(guān) K 斷開后再將儲存的能量提供給負(fù)載。圖 21 中的電感 L、電容 C 和二級管 D 組成的電路就具有這樣的功能。當(dāng)開關(guān) K 接通時，電感 L 用以儲存能量，開關(guān) K 斷開時，儲存在電感 L中的能量通過二級管 D 釋放給負(fù)載，從而使負(fù)載得到連續(xù)而又穩(wěn)定的能量。 當(dāng)電子開關(guān) K 按一定的頻率開關(guān)時，導(dǎo)通時間越長，輸出電壓越高；導(dǎo)通時間越短，輸出電壓越低。通常，開關(guān)電源就是這樣 在開關(guān)頻率一定的情況下，通過調(diào)整開關(guān)時間的長短。控制輸出電壓的高低。目前，也有的開關(guān)電源采用開關(guān)時間長短恒定，通過改變開關(guān)頻率來改變輸出電壓的高低。 圖 21 開關(guān)電源示意圖 基于 PWM 開關(guān)電源設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 9 開關(guān)電源的分類 在電子技術(shù)飛速發(fā)展的今天 , 對電子儀器和設(shè)備的要求是 , 在性能上更加安全可靠 , 在功能上不斷增加 , 在使用上自動化程度要越來越高 , 在體積上日趨小型化。這使具有眾多優(yōu)點(diǎn)的開關(guān)電源就顯得更加重要。所以 , 開關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信、航天、彩電等方面都得到了越來越廣泛的應(yīng)用 , 發(fā)揮了巨大的作用 , 這大大促 進(jìn)了開關(guān)電源的發(fā)展 , 從事這方面研究和生產(chǎn)的人員也在不斷地增加 , 開關(guān)電源的品種和類型也越來越多。常見的開關(guān)電源的分類方法有下列幾種 : 分為他激式和自激式。他激式開關(guān)電源電路中專設(shè)激勵信號振蕩器；自激式開關(guān)功率管兼作振蕩管。該形式的開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)簡單 , 元器件少 , 可以做成低成本的開關(guān)電源。 分為脈寬調(diào)制型、頻率調(diào)整型和混合調(diào)整型。脈寬調(diào)制型保持振蕩頻率保持不變 , 通過調(diào)節(jié)脈沖寬度來改變輸出電壓的大??；頻率調(diào)整型保持占空比保持不變 (脈沖寬度保持不變 ) , 通過改變振蕩頻率來改變輸出電壓大小；混合調(diào)整型是脈沖寬度和振蕩頻率均可進(jìn)行調(diào)節(jié)的開關(guān)電源。 3．按開關(guān)管電流的工作方式劃分 分開關(guān)型和諧振型。開關(guān)型用開關(guān)晶體管把直流變成高頻標(biāo)準(zhǔn)方波 , 其電路形式類似于他激式；諧振型用開關(guān)晶體管與 LC 諧振回路將直流變成標(biāo)準(zhǔn)正弦波 , 其電路形式類似于自激式開關(guān)電源。 4．按開關(guān)晶體管的類型劃分 分為晶體管型和可控硅型。晶體管型采用晶體管 (包括場效應(yīng)管 )作為開關(guān)功率管；可控硅型采用可控硅作為 基于 PWM 開關(guān)電源設(shè)計(jì)畢業(yè)論文 10 開關(guān)功率管。這種電路的特點(diǎn)是直接輸入交流電壓 , 不需要一次整流部分。 5．按儲能電感與負(fù)載的連接方式劃分 分串聯(lián)型和并聯(lián)型。串聯(lián)型儲能電感串聯(lián)在輸入與輸出電壓之間；并聯(lián)型儲能電感并聯(lián)在輸入與輸出電壓之間。 6．按晶體管的連接方法劃分 分為單端式、推挽式、半橋式和全橋式。單端式僅使用一個晶體管作為電路中的開關(guān)管。這種電路的特點(diǎn)是價格低、電路結(jié)構(gòu)簡單 , 但輸出功