【正文】 ....... 41 輸出整流濾波電路的設計 [14] ....................................................................................... 41 反饋回路的設計 [15] ........................................................................................................ 43 4 開關電源的 PCB 設計技術 .................................................................................................. 45 Protel99 SE 原理圖設計 ................................................................................................... 45 印刷電路板（ PCB）設計 .............................................................................................. 46 PCB 圖基本設計方法和原則 .......................................................................................... 47 PCB 布局、布線設計 ................................................................................................... 47 印刷電路板圖設計的基本原則要求 .......................................................................... 49 印刷電路板圖設計中應注意的問題 .......................................................................... 50 5 畢業(yè)設計總結 ......................................................................................................................... 52 參考文獻 ...................................................................................................................................... 53 附錄 1：開關電源電路原理圖 ................................................................................................. 54 附錄 2： TOPSwitchⅡ 的內部結構圖 ................................................................................... 55 附錄 3： 開關電源 PCB 板圖 ................................................................................................. 56 附錄 4：開關電源 PCB 板的 3D 圖 ........................................................................................ 57 翻譯部分 ...................................................................................................................................... 58 英文原文 .................................................................................................................................. 58 中文譯文 .................................................................................................................................. 63 致 謝 .......................................................................................................................................... 70 中國礦業(yè)大學 2022 屆本科生畢業(yè)設計 第 1 頁 1 緒論 開關電源概述 二十世紀八十年代，國內高頻開關電源只在個人計算機、電視機等若干設備上得到應用。近年來許多領域，例如電力系統(tǒng)、郵電通信、軍事裝備、交通設施、儀器儀表、工業(yè)設備、家用電器等都越來越多應用開關電源，取得了顯著效益。五新使開關電源更上一層摟，達到了頻率高、效率高、功率密度高、功率因數(shù)高、可靠性高 (簡稱五高 )。這些問題和要求可歸納為以下五個方面 : (l)能否全面貫 徹電磁兼容各項標準； (2)能否大規(guī)模穩(wěn)定生產(chǎn)或快捷單件特殊生產(chǎn)； (3)能否組建大容量電源； (4)電氣額定值能否更高 (如功率因數(shù) )或更低 (如輸出電壓 )； (5)能否使外形更加小型化、外形適應使用場所要求。 (簡稱五挑戰(zhàn) )把挑戰(zhàn)看成開關電源發(fā)展的動力和機遇，一向是電源科技工作者的態(tài)度。實踐中，用 DCDC 開關電源和有源功率因數(shù)校正的開關電源，(成本比單機增加 20%):成功解決了這個問題。在三相升壓式單開關整流器中減少諧波方法，有人采用注入六次諧波調脈寬控制，抑制住輸入電流的五次諧波，解決了電流諧波畸變率小于 10%的要求。 開關電源干擾技術及防止電網(wǎng)污染技術以引起國內外專家注意?，F(xiàn)在新 的器件 (能低壓工作、降壓很小 )陸續(xù)進入市場，因而可得到 1V 的低壓輸出和功率小到 I0mW 的開關電源、功率密度達 56W/cm3，為便攜裝置微型化提供了條件。開關頻率以 20KHz 為下限，幾十、幾百倍的提高。外形也可以做成輕、薄、短、小。二十世紀九十年代 以來，美國、德國等西方國家新建電 中國礦業(yè)大學 2022 屆本科生畢業(yè)設計 第 2 頁 廠和變電站已全部采用高頻開關電源，近幾年來，國內開關電源技術已經(jīng)有了長足的進展，理論、研究、生產(chǎn)、應用等已有相當?shù)某晒蛞?guī)模，采用了有效的均流技術和軟開關技術，如大家所熟悉的朝陽電源就是一種較為完善的開關電源，但是，現(xiàn)在的開關電源都是為郵電通訊系統(tǒng)設計的低電壓的模塊，象電力系統(tǒng)的操作電源所用的220V/110V 的電源則研究較少，深圳華為公司的電源模塊有用于電力系統(tǒng)的智能型高頻開關電源，質量不錯，但是，它的三次和五次諧波較大，我們知道諧波對電網(wǎng)有危害作用，大量的諧波分量倒流入電 網(wǎng)，造成對電網(wǎng)的諧波 ―污染 ‖，一方面產(chǎn)生 ―二次效應 ‖，即電流流過線路阻抗造成諧波電壓降，反過來使電網(wǎng)電壓也發(fā)生畸變 。例如線路和配電變壓器過熱 。在三相電路中，中線流過三相三次諧波電流的疊加，使中線過流而損壞。 開關電源國內外發(fā)展狀況與趨勢 1955 年美國羅耶 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(xiàn)高頻轉換控制電路的開端， 1957 年美國查賽發(fā)明了自激式推挽雙變壓器， 1964 年美國科學家提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開關電源的設想，這對電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。 現(xiàn)代電子設備使用的電源大致有線性穩(wěn)壓電源和開關電源兩大類。這種穩(wěn)壓電源的主要缺點是變換效率低，一般只有 35%60%；開關穩(wěn) 壓電源的調整工作在開關狀態(tài)，主要的優(yōu)越性就是變換效率高，可達 70%95%。 開關電源被譽為高效節(jié)能電源，它代表著當今穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主導產(chǎn)品 [1]。高頻化、小型化、模塊化、智能化、環(huán)保化仍是 21 世紀開關電源的發(fā)展方向。 目前，國內開關電源自主研發(fā)及生產(chǎn)廠家有 300 多家，形成規(guī)模的有十多 家。他們已經(jīng)逐步做到功能齊全，質量穩(wěn)定，并能實行全智能，無人值守，基本上接近國際先進水平的產(chǎn)品。目前國外電信電源中實際應用最多的開關整流器是采用 PWM 技術的 MOSFET 開關整流器，開關整流器的發(fā)展趨勢是向高頻大功率智能化發(fā)展，現(xiàn)在澳大利亞，加拿大，日本等國家可生產(chǎn) 200A 的 中國礦業(yè)大學 2022 屆本科生畢業(yè)設計 第 3 頁 MOSFET 開關整流器（模塊）。 開關電源的小型化、高頻化受開關損耗的制約。以保證器件在規(guī)定的允許溫度下可靠工作。要實現(xiàn)電源的高頻化還必須改進變換器的控制技術，以使開關損耗近似為零，即開關損耗與開關頻率無關。軟開關變換器控制技術是實現(xiàn)開關電源裝置高頻化、高效率最有發(fā)展和應用前景的變換器。諧振網(wǎng)絡通常由電感器、電容器和功率開關管等元器件組成。開通或關斷時刻不出現(xiàn)電壓、電流重疊現(xiàn)象，減小了開關器件的應力和損耗，同時也降低了開關過程中產(chǎn)生的 di/dt 、 dv/dt 和電磁干擾噪聲。電源實現(xiàn)模塊化、集成化是提高可靠性、降低制造成本、縮短生產(chǎn)周期、提高使用性和可維修性的重要條件。 開關電源向集成化化方向發(fā)展將是未來的主要趨勢，功率密度將越來越大，對工藝的要求也會越來越高。因此，工藝水平將會在電源制造中占的地位越來越高。這依附于 DSP 運行速度和抗干擾技術的不斷提高。 開關電源的工作原理 開關穩(wěn)壓電源按控制方式分為調寬式和調頻式兩種。調寬式開關穩(wěn)壓電源的控制原理如圖 所示。直流平均電壓 Uo可由式 ()計算： 1mO UTU T?? () 式中 Um—矩形脈沖最大電壓值； T—矩形脈沖周期； T1—矩形脈沖寬度。這樣，只要設法使脈沖寬度隨穩(wěn)壓電源輸出電壓的增高而變窄，就可達到穩(wěn)定電壓的目的。交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動成份的直流電壓，該電壓通過功率轉換電路進入高頻變換器被轉換成所需電壓值的方波，最后再將這個方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰闹绷麟妷?。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關電源專用集成電路。 圖 開關電源電路原理框圖 開關電源的分類 開關穩(wěn)壓電源的構成方法很多，其分類方法也多得使人無所適從，下面介紹其中 中國礦業(yè)大學 2022 屆本科生畢業(yè)設計 第 5 頁 的幾種分類方法 [6]。 （ 2）交流開關電源 其輸出是高質量的交流電能。開關管起著振蕩器件和功率開關的作用。 （ 2）它激式開關電源 其電源內部備有專門獨立的振蕩電路，與振蕩器同步的控制信號驅動開關管。DCDC 變換器是直流開關電源的核心部件，也是非隔離式或隔離式變換器 直流電源的重要組成部分。 （ 3）開關整流器（ ACDC） 它是將交流電轉換成直流電能的一種電源裝置，這種變換器其變換過程應該理解為交流 直流 交流 直流（ ACDCACDC）。 四、按輸入與輸出是否隔離分類 （ 1）隔離式開 關變換器 它是高頻變壓器將變換器的一次側與二次側隔離。 （ 2） 非隔離式開關變換器 它是在電氣上輸入輸出不隔離的。這種變換器結構主要有降壓型變換器、升壓型變換器、降壓 升壓變換器以及它們的組合變形電路，如 Cuk 變換器、 Zeta 變換器、 Sepic 變換器等。這樣 不但產(chǎn)生開關損耗，而且形成開關尖峰干擾噪聲，需要附加屏蔽、濾波等抗噪聲技術，才能滿足高精度、高性能用電設備的要求。因開關過程中無電壓、電流重疊，開關損耗大大降低，而且開關噪聲電壓小，有利于開關變換器的高頻化、小型化。 （ 2）脈 沖頻率調制（ PFM）式 它采用脈沖頻率來改變脈沖占空比來控制輸出電壓的穩(wěn)定。 開關電源變換器的基本電路 直流開關電源變換器按其輸入與輸出是否進行電氣上隔離，可分為非隔離式變換器電路和隔離式變換器電路。在非隔離式變換器中，本節(jié)將重點介紹降壓型變換器、升壓型變換器、電壓 極性反轉型變換器。 1．