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1、邵阳学院毕业设计1摘要通信电源是电信网的能源，其供电质量的好坏直接关系到整个电信网的畅通，本课题首先分析了近年来国内外高频通信开关电源的发展状况，在理论分析和电路实验的基础上，开发出了一种新型的高频通信开关电源（交流配电模块、直流配电模块、4只高频开关整流模块和监控模块置于同一机架内） ，该电源优化了电路的主要参数，设计了相移脉宽调制零电压开关谐振（PS-ZVS PWM）全桥变换器电路和以集成控制器UC3875芯片为核心的控制电路，实现了功率开关管的零电压开通和近似零电压关断，研制出高效率（达93%） 、高稳定度(0.5%） 、高可靠性、低电磁干扰的高频开关整流模块。同时文中还提到了以MCS-
2、51单片机电路为核心的的电源监控模块与监控设计思路。保证了整机能够安全可靠工作。关键词：高频开关电源；相移脉宽调制；零电压开关ABSTRACTThe correspondence power switch is the telecommunication network energy, its power supply quality quality relates directly to the entire telecommunication network unimpededness, this topic has first analyzed the recent years dome
3、stic and foreign communications switching power supply development 邵阳学院毕业设计2condition, tests in the theoretical analysis and the electric circuit in the foundation, developed one kind of new communication switching power supply (alternating-current distribution module, direct current power distribut
4、ion module, 4 high frequency switches rectification module and monitoring module puts in identical rack), this power source optimized the electric circuit main parameter, has designed the phase-shift pulse-duration modulation zero potential switch resonance (PS-ZVS PWM) the entire bridge converter e
5、lectric circuit and take integrates the controller UC3875 chip as the core control circuit, Realized the power switching valve zero potential to clear with the approximate zero potential shuts off, develops the high efficiency (to reach 93%), the high stability (0.5%), redundant reliable, the low el
6、ectronmagetic interference high frequency switch rectification module. At the same time in the article also proposed based on MCS-51 is the core power source monitoring module and monitoring design mentality. Has guaranteed entire machine safe reliable work.Keywords: : High frequency switching power
7、; Phase-Shifting PWM ZVS；Zero Voltage Switching邵阳学院毕业设计3目录1 绪论11.1 开关电源的发展及国外现状11.2 国内通信电源的发展及现状41.3 研究内容52 电路原理方案分析和选择72.1 高频开关整流模块72.2 交流配电模块122.3 直流配电模块132.4 监控模块143 主要电路设计163.1 高频开关整流模块主电路设计163.2 高频开关整流模块控制电路的设计233.3 监控模块的设计284 零电压开关的理论分析和电路实验314.1 实现零电压开关的31邵阳学院毕业设计44.2 左右两支路电路转换过程的区别334.3 占空比丢
8、失现象334.4 电路实验结果355 结论36参考文献37致谢391 绪论 1.1 开关电源的发展及国外现状通信电源是整个电信网的重要组成部分，电源设备质量的优劣，决定着整个电信网能否安全稳定运行。通信设备发生故障时，可能会影响部分用户或使接通率下降。而电源发生故障时，将会造成通信全部中断，所以人们一直将电源视为整个通信系统的心脏，受到足够的重视。通信电源分为一次电源和二次电源两大类，一次电源将交流电转换成稳定的直流电接入通信设备，二次电源一般位于通信设备内部，将一次电源的直流电转换成多种电压值的稳定直流电以供通信设备内部各部分使用。自 1957 年第一只可控硅(SCR)问世后1,2，可控硅取
9、代了笨重而且效率低下的硒或氧化亚铜整流器件，可控硅整流器就作为通信设备的一次电源使用。在随后的 20 年内，由于半导体工艺的进步，可控硅的电压、邵阳学院毕业设计5电流额定值及其它特性参数得到了不断提高和改进，满足了通信设备不断发展的需要，因此，直到 70 年代，发达国家还一直将可控硅整流器作为大多数通信设备的一次电源使用。虽然可控硅整流器工作稳定，能满足通信设备的要求，但其是相控电源，工作于工频，有庞大笨重的电源变压器、电感线圈、滤波电容，噪声大，效率低，功率因数低，稳压精度也较低。因此，自 1947 年肖克莱发明晶体管3,4，并在随后的几年内对晶体管的质量和性能不断完善提高后，人们就着力研究
10、利用晶体管进行高频变换的方案。1955 年美国罗耶（GHRoger）发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换电路的开始5，1957年美国查赛（J. J. Jen Sen）又发明了自激式推挽双变压器变换器电路。在此基础上，1964 年，美国科学家提出了取消工频变压器的串联开关电源的设想，并在 NEC 杂志上发表了“脉宽调制应用于电源小型化”等文章，为使电源实现体积和重量的大幅下 降提供了一条根本途径。随着大功率硅晶体管的耐压提高和二极管反向恢复时间的缩短等元器件性能的改善，1969 年终于做成了 25KHz 的开关电源。电源界把开关电源的频率提高到 20KHz 以上称为电源技术
11、的“20KHz 革命” 。开关电源技术的这一新的发展，在世界上引起了强烈的反响和重视，开关电源的研究成了国际会议的热门话题。经过几年的努力，从开关电源的电路拓扑型式到相配套的元器件等研究都取得了相当大的进展。在电路拓扑型式上开发出了单端贮能式反激 电路、双反激电路、单端正激式电路、双正激电路、推挽电路、半桥电路、全桥电路，以适应不同应用场合、不同功率档次的需要；在元器件方面，功率晶体管和整流二极管的性能也邵阳学院毕业设计6有了较大的提高。1976 年美国硅通用公司第一个做出了 SG1524 的脉宽调制（PWM，Pulse Width Modulation）控制芯片，极大地提高了开关电源的可靠性
12、，并进一步减小了体积。尽管如此，由于功率器件的电压、电流额定值的限制，直到上世纪 70 年代末开关电源主要用于通信设备的二次电源，而通信设备的一次电源大多数仍采用可控硅整流器（相控电源） 。在随后的几年中，大功率晶体管（GTR）和功率场效应管（MOSFET）相继被研制出来6，其电压、电流额定值大为提高，工作频率也提高较多，可靠性也显著增加。在电路拓扑、功率器件和控制芯片发展的基础上，80 年代初，英国研制出 48V 成套直流电源5，作为通信设备的一次电源使用，一个机架包括多个整流模块，交、直流配电模块等，这是当时利用高频直流变换技术为主开发的新成果。在 1982 年国际通信能源会议上，关于这一
13、成果发表的论文受到了普遍重视。这一新技术，在研究开发和应用方面得到了迅速的发展。到 80 年代中后期，绝缘栅双极晶体管（IGBT）已研制出来并投入了市场，各种通信设备所需的一次电源大多采取 PWM 集成控制芯片、双极型晶体管、场效应管、绝缘栅双极晶体管；半桥或桥式变换电路；开关频率约为几十 KHz，效率约 90%左右的高频开关电源。 随着微电子学的发展和元器件生产技术的提高，相继开发出了耐压高 (400-500V)的功率场效应管（VMOS 管）和高电压、大电流的绝缘栅晶体管（IGBT） ，具有软恢复特性的大功率高频整流管，各种用途的集成脉宽调制控制器和高性能的铁氧体磁芯，高频用的电解电容器，低
14、功耗的聚丙烯电容等。主要元器件技术性能的提高，为高频开关电源向大功率、高效率、高可靠性方向发展奠定了良邵阳学院毕业设计7好基础。考虑到将交流电直接整流滤波后给开关电源供电时，由于 PWM 直流直流变换将使交流电网侧功率因数恶化，对交流电网不利。人们经过努力研制了功率因数校正电路（PFC，Power Factor Corrector） ，该种电路将交流电压经全波整流滤波得到的直流电压进行直流直流变换，并使输入电流平均值自动跟随全波整流直流电流基准，并且保持输出电压稳定，从而实现对 PWM 直流变换器稳压输出和接近单位输入功率因数。当高频开关整流模块的功率容量较大时，加上功率因数校正电路就避免了对
15、交流电网的影响。为减少开关损耗和提高工作频率，在电路拓扑方面也取得了较大进展5，在 90 年代设计并研制出准谐振开关变换器（QRC，Quasi Resonant Convertor）和多谐振变换器（MRC，Multi Resonant Convertor） ，在这方面日本九洲大学原田（耕介）研究室、美国佛吉尼亚理工学院等走在前面，研制出了功率密度为3W/cm3，开关频率从 2.5-3.85MHz、效率达 80-83%的多谐振变换器。这种变换器的优点是实现了软开关，大大降低了开关损耗，可以吸收电路的寄生参数（不在乎电路寄生参数的存在） ，而且几乎不产生电磁干扰。缺点是输出同样功率时，比 PWM 方式的电压、电流值大，对开关器件要求较高，而且工作频率随输入电压和负载变化有一定的变化范围，不便设计输出滤波电路的参数。到 90 年代初，国外通信一次电源应用最多的是采用 PWM 控制集成芯片、大功率高压功率场效应管或绝缘栅双极晶体管的开关整流器，德国、英国、法国、澳大利亚、加拿大、日本等国家的开关整流器的开关频率为 50-100KHz，功率因
