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1、核技术与自动化工程学院DC-DC也源设计调研报告班级：辐防1班姓名：袁承凤学号：201106080119DC-DC电源设计背景在如今的生活中，形形色色的电子设备越来越多，与人们的工作、生活的关系也日益密切。而电源有如人体的心脏，是所有电设备的动力，因此电源系统的稳定性对于整个系统具有决定性的意义，其质量的好坏直接影响着电子设备的可靠性，而且电子设备的故障60%来自电源。因此，电源越来越受到人们的重视，人们对电源的要求也越来越高。经济建设和社会生活各个方面的发展都会促进电源产业的发展。开关电源自20世纪90年代问世以来，便显示出强大的生命力，并以其优良特性倍受人们的青睐。近年来，开关电源在通信、
2、工业自动化、航空、仪表仪器等领域的应用越来越广泛。随着电源技术的飞速发展，开关稳压电源正朝着小型化、高频化、模块化的方向发展，高效率的开关电源已经得到越来越广泛的应用IL随着高频开关电源技术和应用电子技术的高速发展，直流高频开关电源依靠它的高精度、低纹波及高效率等优越性能，正在逐步取代传统的线性电源。同时，高频开关电源系统的高速响应性能、输出短路电流限制及稳压和稳流等优点也使其负载的使用寿命大大增加。评价开关电源的质量指标应该是以安全性、可靠性为第一原则。在电气技术指标满足正常使用要求的条件下，为使电源在恶劣环境及突发故障情况下安全可靠地工作，必须设计多种保护电路，比如防浪涌的软启动，防过压、
3、欠压、过流、短路等保护电路。同时，在同一开关电源电路中，设计多种保护电路的相互关联和应注意的问题也要引起足够的重视。许多功率电子节电设备，往往会变成对电网的污染源：向电网注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合出许多毛刺尖峰，甚至出现畸变。大量的谐波分量倒流入电网，造成对电网的谐波“污染”，一方面电流流过线路阻抗造成谐波电压降，反过来使电网电压也发生畸变;另一方面，会造成电路故障，使用设备损坏。因为它没有采用有源功率因数校正，功率因数较低，只达到0.9,如果采用有效的功率因数校正，功率因数可以达到0.99以上。开关电源输入端产生功率因数下降问题，利用有源功率因数校正电路，成本只
4、增加5%,成功解决了这个问题。20世纪末，各种有源滤波器和有源补偿器的方案诞生，有了多种校正功率因数的方法1。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100kHz、用MOSFET管制成的500kHz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。对IMHz以上的高频，要采用谐振电路，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。现代电力电子技术是开关电源技术发展的基础。随着新型电力电子器件和适于更高开关频率的电路拓扑的不断出现，现代电源技术将
5、在实际需要的推动下快速发展。在传统的应用技术下，由于功率器件性能的限制而使开关电源的性能受到影响。为了极大发挥各种功率器件的特性，使器件性能对开关电源性能的影响减至最小，新型的电源电路拓扑和新型的控制技术，可使功率开关工作在零电压或零电流状态，从而可大大的提高工作频率，提高开关电源工作效率，设计出性能优良的开关电源。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节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。设计目的及意义现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源
6、和开关稳压电源两大类。所谓线性稳压电源，就是其调整管工作在线性放大区，开关稳压电源的调整管工作在开关状态。传统的稳压电源虽然具有稳定性能好，输出纹波电压小，使用可靠的优点，但其通常需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器，并且功耗较大，电源率较低。相对的，DC-DC开关电源就可以适应现当代的电子设备对电源的要求，达成电子设备对电源的发展需求。其功耗小，效率可高达70%-95%o散热器的体积也随之减小，可直接对电网电压进行整流、滤波、调整。总体来说，它具有体积小、重量轻（体积和重量只有线性电源的30%）、效率高（线性电源只有40%）,自身抗干扰性强、输出电压范围宽、模块化等优点，又
7、提高了整机的稳定性和可靠性，对电网的适应能力也有较大的提高。但也存在一些缺点：在隔离型开关电源中，由于逆变电路中会产生高频电压，对周围设备有一定的干扰，需要良好的屏蔽及接地。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时音比率，维持稳定输出电压的一种电源。从上世纪90年代以来开关电源相继进入各种电子和电器设备领域，计算机、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。由于其高效节能可带来巨大效益，从而得到迅速推广。分布式电源的发展及与IT技术的结合，对传统的电路系统造成巨大的影响，带来了对电路系统概念的革新，在同一电路系统中越来越广泛地使用分布式开关电源，使电路
8、技术产生显著进步，形成了新型的专项技术。DODC开关电源技术是分布式开关电源的关键技术，被誉为高效节能电源。它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达80%-90%,特别是目前便携式设备市场需求巨大，DC-DC开关电源的需求也越来越大，性能要求也越来越高，而DC-DC开关电源的设计也更具挑战性。本次的毕业设计，目的在于巩固电路、模拟电子技术和学习有关开关电源的基础知识,并能够学以致用，同时拥有分析、解决问题和动手的能力，以及一定的基于模拟电子技术的研究设计能力。从另一方面来说，DODC开关电源的技术追求也日
9、趋高涨和发展趋势亦渐广泛，而且派生出发很多特殊的应用领域研制和开发的难度变得更大了，这就更有很多的研究价值和技术发展的空间了。再者说，DC-DC开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。开关电源的发展综述开关的电源的发展可分为以下几个时期：（1） 电子管稳压电源时期（1950年代）。此时期主要为电子管直流电源和磁饱和交流电源，这种电源体积大、耗能多、效率低。（2） 晶体管稳压电源时期（I960年代一1970年代中期）。随着晶体管技术的发展，晶体管稳压电源得到迅速发展，电子管稳压电源逐渐被淘汰。（3） 低性能稳压电源时期（1970年代一1980年代末期）。出现了晶体管自激式开
10、关稳压电源，工作频率在20KHZ以下，工作效率60%左右。随着压控功率器件的出现，促进了电源技术的极大发展，它可使兆瓦级的逆变电源设计简化，可取代需要强迫换流的晶闸管，目前仍在使用。功率MoSFET的出现，构成了高频电力电子技术，其开关频率可达IooHZ以上，并且可并联大电流输出。（4） 高性能的开关稳压电源时期（1990年代-现在）。随着新型功率器件和脉宽调制（PWM）电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用，出现了小体积、高效率、高可靠的混合集成DODC开关电源。国内开关电源技术的发展基本上起源于20世纪70年代末和80年代初。当时在高等院校和一些科研院所停留在试验和教学阶段。
11、20世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用。它的特点是采用20KHZ脉宽调制（PwM）技术，效率可达65%-70%o目前，DC-DC开关电源的功率密度可达到7.3Wcm3（每立方英寸120W）o当今的软开关技术在DODC开关电源中的应用使得DODC开关电源发生了质的飞跃。国外自20世纪90年代以来，开关电源的发展更是日新月异。许多新的领域和新的要求又对开关电源提出了更新更高的挑战。如果从一个开尖电源的输入和输出端口观察，可以发现输入的要求变得更严了，不符合IEClOOO-3-2标准的产品将陆续被淘汰。也正是这样的外界条件推动了开关电源的有源功率因数校正技术和低压大电流高功率DC-DC变换技
12、术成为了当今电力电子领域的研究课题。如今美国VICOR开关电源公司设计制造的多种ECI软开关DC-DC变换器，效率为：80%-90%o日本Nemiclambda公司最新推出的采用软开关技术的高频RM系列开关电源模块，采用同步整流器，使整个DC-DC开关电源电路的效率提高到90%o由于开关电源功耗小、效率高、体积小、重量轻、稳压范围宽、滤波效率高、不需要大容量滤波电容等优点，而线性电源效率低，并且电压转换形式单一（只有降压）等缺点。如今开关电源已逐渐取代线性电源。当然线性电源因为其低噪声、低纹波的优点，在一些电子测量仪器、取样保持电路中，线形电源仍然无法被开关电源取代。随着技术的进步，开关电源将
13、沿着以下几个方面发展：（1）小型化、轻量化和高频化。（2）高效率和高可靠性。（3）低噪声和良好的动态响应。（4）低电压、大电流、高功率。并且，DC-DC开关电源也将朝着高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化方向发展：1 .专用化：对通信电源等大功率系统，采用集成的开关控制器和新型的高速功率开关器件，改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，达到最佳的效率。对于小型便携式电子设备，则主要是单片集成开关电源的形式，采用新型的控制方式和电路结构来减小器件体积、减小待机功能，提供低输出电压、高输出电流以适应微处理器和便携式电子设备等产品电源系统的供电要求。2 .高频率：随着开关频率的不断提高，开关
14、变换器的体积也随之减小，功率密度也得到大幅度提升，动态响应得到改善，小功率DC-DC转换器的开关频率将上升到MHz。但随着开关频率的提高，开关元件和无源元件损耗的增加、高频寄生参数以及高频电磁干扰（EMI）等新的问题也将随之产生，因此实现零电压导通（ZVS）零电流关断（ZCS）的软开关技将成为开关电源产品未来的主流。3 .高可靠：开关电源比线性电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器、开关管及高频变压器等决定电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着手，而不是依赖使用方。4 .低噪声：与线性电源相比，开关电源的一个缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大
15、。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以降低噪声。但谐振转换技术也有其难点，如很难准确控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。5 .抗电磁干扰：当开关电源在高频下工作时，噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，世界各国已有抗电磁干扰的规范或标准，如美国的FCC,德国的VDE等，研究开发抗电磁干扰的开关电源日益显得重要。定义DC-DC：只对直流参数进行变换的电路一般结构：开关电源（电感型）的原理利用电感存储能量性质来进行电压变换1、降压变换电路在电感充电之后，开关切换电流会保持流动惯性，持续流动。开关电源分为：斩波
16、方式和变换器方式斩波方式在输入输出端之间，几乎没有电气绝缘，所以不能用于采用商业电源的线性可调电源。多用于DC-DC转换器。通常用作单板稳压器。真正的开关电源是变频方式构成的。由于DC-DC变换器也使用了开关晶体管和变压器，因此，与开关电源具有类似的工作原理和功能。2、升压变换电路电感进行充电之后，电感上保持电流的流动惯性，形成升压电路。假设里面的Ll两端电压为Vl则，在第二个图里面VoUt=VI+Vin3、反压电路设计电感充电，利用电感电流的惯性特性，实现电压反压的功能。4、实际开关电路的构成模型像这样的电路，可以使用各种各样的三极管。双极性晶体管PNP、NPN两种都可以使用。FET的话P-
17、Channel也可以使用。2、开关电源的占空比：Duty从Pin=PoutIin=Iout把0N/0FF周期设为T根据VinXIinXTon=VoutXIoutXTDuty=Ton/T=Vout/Vin矩形波的ON和OFF的比例,称为Duty。(例如)、T=100us、Vin=8VVout=5VDuty=5/8=0.625=62.5%Ton=62.5us.ho可以通过Duty来确定输出电压的值。用做功来解释能量的守恒W=P*TPin*Ton=Pout*TPin=Vin*Iin;Pout=Vout*IoutIin=Iout所以有：DUty=Ton/T=Vout/Vin4、关于电流的纹波容忍度：分
18、开绘制三极管导通和二极管导通两种情况的电流曲线VL=Vin-VoutDi是一个经验值，一般为0.20.3可调整例如:IA的电流，di为0.2”的3,则最差情况为1AO.15A流过电感的电流流过电感的电流为IL=(VL/L)t根据VL=Vin-Voutdi=(Vin-Vout)/LTondi：一般设定为输出电流的2030%5、输出端的平滑电容设置那么，怎么来选择这个平滑滤波电容。所谓 ESR(EqUiValent Series Resistance )tan = 2T*CR= CRR= tan2 fC相对于电容，输出电流di平滑化相对于di电容两端产生波纹电压VrA.相对容量的波纹电压B.相对E
19、SR波纹电压一关于两方面进行检讨实际的电容是和C串联具有R、L的成分。这其中R的成分称为ESR。相对容量的波纹电压V=Q/C的电压在电容中产生Q是为了与电流流入的面积相等、Vr(cap)=(T/2)(di/2)/2/C根据欧姆的法则V=IXRVr(ESR)=diESRVr=Vr(cap)+Vr(esr)II总结泉关电源在电子设备、电力设备和通信系统的直流供电中得到广泛应用，高频开关电源中，D(M)C变换是其核心。随着半导体技术的发展，高集成度，功能强大的大规模集成电路不断出现，使电子设备不断缩小，重量不断减轻，相应地要求系统供电电源的体积和重量相应减小，如何减小开关电源的体积，提高其效率，是开关电源研究的一个重要方向，这需要研究DODC变换器的拓扑结构，新的材料，高性能的电子元器件等
