1000W大功率开关电源设计方案

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1、1000W 大功率开关电源设计第 1 章 开关电源的基本原理开关电源中的功率调整管工作在开关状态，具有功耗小、效率高、稳 压范围宽、温升低、体积小等突出优点，在通信设备、数控装置、仪器仪 表、视频音响、家用电器等电子电路中得到广泛应用。1.1 开关电源的组成与工作原理1.1.1 开关电源的工作原理开关电源的工作原理可以用图 1-1 进行说明。图中输入的直流不稳定电压U经开关S加至输入端，S为受控开关，是一个受脉冲控制的开关调i整管。开关 S 按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压 U 变成i矩形脉冲电压。这个脉冲电压经过滤波电路进行平滑滤波就可得到稳定的 直流输出电压 U 。o(a)原

2、理电路n.1UVDU(b)波形图图 1-1 开关电源工作原理定义脉冲占空比如下：tD = -on( 1一1 )T式中，T表示开关S的开关重复周期：t表示开关S在一个开关周期on中的导通时间。 开关电源直流输出电压 U 与输入电压 U 之间具有如下关系： oiU = UD(1-2)oi由上面两式可以看出：(1) 若开关周期 T 一定，改变开光 S 的导通时间 t ，即可改变脉冲on占空比D,达到调节输出电压的目的，这种保持 T不变而只改变t来实现on占空比调节的方式，称为脉冲宽度调节(PWM)。由于PWM式的开关频 率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此PWM式开关 电源用的较多。

3、(2) 若保持t不变，利用改变开关频率 f = 1T来实现脉冲占空比调节，从而实现输出直流电压U稳压的方式，称为脉冲频率调制(PFM)。o由于开关频率不固定，所以PFM方式的输出滤波电路的设计不易实现最 优化。(3) 既改变 t ，有改变 T ，从而实现脉冲占空比的调节的稳压方式，on称为脉冲调频调宽方式。 在各种开关电源中，以上三种脉冲占空比调节方式均有应用。1.1.2 开关电源的构成 开关电源由以下四个基本环节组成(如图 1-2)：(1) DC/DC 变换器：用以进行功率变换，是开关电源的核心部分。DC/DC 变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的 PWM 变换器以及工 作波形为准正弦

4、波的谐振变换器应用较为普遍。(2) 驱动器：开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号放大、 整形，以适应开关管的驱动要求。(3) 信号源：产生控制信号，由它激或自激电路产生，可以是PWM 信号，也可以是 PFM 信号或其他信号。（4）比较放大器： 对给定信号和输出反馈信号进行比较运算， 控制开 关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，达到 稳定输出电压的目的。图 1-2 开关电源基本组成框图除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动电路、过流过压保护、 输入滤波、输出采样、功能指示等。开关电源与线性电源相比，输入的瞬态变换比较多地表现在输出端， 在提高开关频率的同时，由于反

5、馈放大器的频率特性得到改善，开关电源 的瞬态响应指标也能得到改善。 负载变换瞬态响应主要由输出端 LC 滤波器 的特性决定。 所以可以通过提高开关频率、 降低输出滤波器 LC 的值的方法 改善瞬态响应特性。1.1.3 开关电源的特点开关电源具有以下特点：（1）效率高。 开关电源的功率开关调整管工作在开关状态， 所以调整 管的功耗小、效率高。调整管的效率一般为 80%90% ，高的可达 90% 以上（2）重量轻。 由于开关电源省掉了笨重的电源变压器， 节省了大量的 漆包线和硅钢片，所以电源的重量只是同容量线性电源的1/5 ，体积也大大缩小。（3）稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在 90270V

6、 范围变化时， 输出电压的变化在 2%以下。合理设计电路还可使稳压范围更宽，并保证 开关电源的高效率。（4）安全可靠。在开关电源中， 由于可以方便地设置各种形式的保护 电路，所以当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保护功能可靠。（5）元件数值小。由于开关电源的工作频率高，一般在 20KHz 以上， 所以滤波元件的数值可以大大减小。（6）功率小。功率开关管工作在开关转台，其损耗小；电源温升低， 不需要采用大面积散热器。 采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。1.2 开关电源的主要类型下面从电路的控制方式和输出取样方式两方面对开关电源做一大致分 类。1.2.1 控制方式1. 脉冲宽度调制式由

7、开关电源输出直流电压表达式 U U D 可知，控制开关管的导通时 oi间 t ，可以调整输出电压 U ，达到输出稳压的目的。脉冲宽度调制（ PWM ） on o方式是采用恒频控制，即固定开关周期 T,通过改变脉冲宽度t来实现输on 出稳压。开关器件的开关频率 f 由自激或它激方式产生。2. 脉冲频率调制方式脉冲频率调制（PFM）方式是利用反馈来控制开关脉冲频率或开关脉冲 周期，实现调节脉冲占空比D,从而达到输出稳压的目的。3. 脉冲调频调宽式 这种控制方式是利用反馈控制回路，既控制脉冲宽度 t ，又控制脉冲on开关周期T,以实现调节脉冲占空比D,从而达到输出稳压的目的。4. 其他方式 若触发信

8、号利用电源电路中的开关管、高频脉冲变压器构成正反馈环路,完成自激振荡,使开关电源工作,则这种电源称为自激式开关电源。它激式开关电源需要外部振荡器,用以产生开关脉冲来控制开关管, 使开关电源工作,输出直流电压。它激式电源大多数需要专用的 PWM 触发 集成电路。1.2.2 连接分类 电源以功率开关管的连接方式分类，可分为单端正激开关电源、单端 反激开关电源、 半桥开关电源和全桥开关电源； 以功率开关管与供电电源、 储能电感的连接方式以及电压输出方式分类，可分为串联开关电源和并联 开关电源。1.2.3 输出取样方式 取样电路是电源反馈电路的重要部分，取样方式对系统的稳定性有决 定作用。（1）直接取

9、样电路。 采用直接输出取样方式的开关电源安全性好， 且 具有便于空载检修、稳压反应速度快、瞬间响应时间短等优点。（2）间接取样电路。 该方式的缺点是响应慢。 当输出电压因输入电压 等原因发生突变时，输出电压的变化需经过开关变压器耦合才能反映到取 样绕组两端，所以稳压的动态结果一般。第 2 章 系统分析和选择本章从整体上对开关电源的各个模块进行了介绍，主要介绍了各模块 的结构、功能以及相互之间的关系，并对当前开关电源常用的变换器进行 了分析。并据此分析，选择相应的电路元器件。2.1 开关电源系统概述由第 1 章可知，开关电源由四个基本环节组成， 分别是 DC/DC 变换器 驱动器、信号源、比较放

10、大器。然而该系统设计中还应有辅助电路，主要 为控制电路部分，其功能是产生电路所需的控制脉冲和提供各种保护。该 系统结构框图如图 2-1 所示。图 2-1 开关电源结构框图开关电源的主电路通过输入整流滤波、 DC/DC 变换、输出整流滤波将 交流电压转换为所需的直流电压。由图 2-1 可知，开关电源主回路由以下 三部分组成：输入整流滤波电路。其作用是将交流电通过整流模块变成具有脉冲的 直流电，然后通过滤波电容将其变为较平滑的直流电。功率开关电路。其作用是将滤波得到较平滑的直流电变为高频的方波 电压，再通过高频变压器送到输出端。输出滤波回路。其作用是将高频方波电压转变成为所需要的直流电压 或者电流

11、。由于控制电路部分在整个电源中起到首脑的作用，控制整个系统工作 并实现相应的保护功能。所以，开关电源主回路进行正常的功率变换所需 的触发脉冲是由系统的控制电路部分提供的。一般情况下，控制电路都具 有控制脉冲产生电路、驱动电路、电压反馈控制电路等功能。2.2 DC/DC 变换器的选择将一种直流电压变换成另一种直流电压（可 调或固定）的过程称为 DC/DC变换，DC/DC变换是开关电源的主要功能之一，随着电子技术的发展， DC/DC变换专用电路成为设计者常用的器件，称之为 DC/DC变换器。因为DC/DC变换器的输入电压较大，对开关器件而言选择全桥式电路 比较合适。全桥式电路可以使变压器磁芯和绕组

12、得到最优利用；使效率等 得到优化。另外，当功率开关器件安全运行时，最大反向电压不会超过加在输入 整流滤波电路两端的输出电压。但是，由于系统中的功率元器件比较多的 缘故，功率损耗也会很大。现在，全桥式变换器常用的有硬开关式、谐振式以及移相式。2.2.1 硬开关式全桥变换器硬开关式PWM电路（如图2-2 ）具有结构简单、控制方便的优点。在 硬开关式PWM电路中，开关管工作在硬开关状态，为了保证不必要的损耗， 同时使功率器件正常运行，经常加入缓冲电路，如 RC吸收网络。但是系统 总的损耗并没有减少，只是单纯地将开关损耗转移到了缓冲电路中。而且 频率也会对开关损耗造成一定的影响。 所以，当开关器件在高

13、频下运行时， 器件中的极间电容将占有不可忽略的地位。因为极间电容在进行电压转换 时会产生较强的电磁干扰，影响开关电源系统的正常运行。Rl图 2-2 硬开关式全桥变换电路2.2.2 谐振式全桥变换器硬开关式电路在频率较高时受到的影响较大，所以，我们可以考虑应 用谐振式软开关电路。与硬开关式全桥电路相比，它主要增加了谐振电感 和谐振电容两个元件。其主要作用是利用谐振作用控制开关器件的导通或 关断。谐振变换电路的其基本结构是通过开关器件和谐振电感、谐振电容 的串并联实现的。其基本电路结构如图 2-3 所示。(a)零电流开关TCr(b)零电压开关图 2-3 谐振电路的基本结构图由图2-3(a)可知为一

14、 ZCS开关，是通过谐振元件和开关器件的串联来 实现的。当开关管导通时，谐振网络接通并产生谐振，此时电流按正弦规 律变化，当电流谐振到零时，令开关管关断，使谐振停止。由图2-3(b)可知为ZVS开关，是通过谐振元件和开关管的并联实现的。当开关管关断时，谐振元件串联并产生谐振，此时电压按正弦规律变化，当电压谐振过零时，将开关管S导通。采用谐振式全桥变换电路，可以大大提高开关电源工作的安全性。因 为负载对谐振变换电路的影响较大，所以为了保证输出直流电压稳压的方 式，采用了脉冲频率调制 (PFM) 。2.2.3 移相式全桥变换器由于移相控制全桥变换电路具有移相控制实现方便、开关损耗小、可 靠性高等优

15、点，已经普遍的应用在大功率应用场合中。其功能是指保持每 个开关管的导通时间不变，每个桥臂的功率管互补导通成 180，两个桥 臂的导通角相差一个相位。因此它是通过调节移相角的大小来调节输出电 压的。除此之外，它还利用谐作用振来实现零电压或零电流的开关换流。由以上分析可知，采用移相式全桥变换电路较好。2.3 控制电路的设计由于 DC/DC 变换器的正常工作运行是需要控制电路提供适当的驱动脉 冲的，所以控制电路在开关电源系统中是不可或缺的。如果控制电路输出 的触发信号不稳定，或者误触发，则会导致短路，损坏开关器件。由各电路的功能，我们可以将控制电路部分分为脉冲触发电路、反馈 控制电路、保护电路等部分(如图 2-4)。我们从图 2-4 中可以看出，脉 冲产生电路是由保护电路和软启动电路控制产生脉冲信号，然后经过触发 电路作用于电源的主电路。图 2-4 开关电源控制电路框图电压反馈控制通过检测电压的大小，对输出电压进行采样，然后将采 样电压与参考电压进行比较得到一个电压误差，再将电压误差进行处理后 送给脉冲产生电路， 从而调节输出脉冲的脉宽， 实现输出电压稳压的目的。驱动电路作为执行部分，其工作原理是将控制电路