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1、DC-DC 开关电源设计摘要:随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用, 人们对其需求量日益增长, 并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步取代了效率低、又笨又重的线性电源。电力电子技术的发展，特别是大功率器件IGBT和MOSFET的迅速发展，将开关电源的工作频率提高到相当高的水平，使其具有高稳定性和高性价比等特性。开关电源技术的主要用途之一是为信息产业服务。本文介绍了一款基于PWM技术的DC-DC开关稳压电源。输出纹波小，电压稳定可靠.关键词：开关电源，DC-DC，AP1501A，高频变
2、压器Abstract: With the switching power supply in the computer, communications, aerospace, instruments and household appliances such as extensive use of the growing demand of its people, and the efficiency of the power, volume, weight and reliability, raised more high demand. Switching power supply wit
3、h its high efficiency, small size and light weight advantages of gradually replaced in many ways inefficient, heavy, clunky, linear power supply. The development of power electronics technology, particularly high-power IGBT and MOSFET devices the rapid development of the switching power supply opera
4、ting frequency up to very high level where it has a high stability and high cost performance and other characteristics. Switching power supply technology is one of the main uses for the information industry services. This article describes a technique based on the PWM DC-DC switching power supply. O
5、utput ripple voltage is stable and reliable. Keywords: switching power supply, DC-DC, AP1501A, high frequency transformer 目录1前言11.1课题背景11.1.11 开关电源的三个重要发展阶段11.2开关电源技术的亮点21.2.1功率半导体器件性能21.2.2开关电源功率密度21.3DC-DC发展概况31.3.1DC/DC转换器对工艺技术提出新要求31.3.2DC/DC转换器对电路设计的新要求41.3.3DC/DC控制器向数字多相发展51.4本论文的内容及研究意义62开关电源
6、的分类及主要应用62.1开关电源的分类62.1.1常见的开关电源型式62.1.2DC/DC 变换72.2开关电源的主要应用技术72.2.1高频磁性元件72.2.2软开关技术72.2.3同步整流技术82.2.4功率因数校正(PFC)变换器82.2.5电磁兼容性82.2.6系统集成技术93系统方案设计93.1系统框图93.2DC-DC芯片选型103.2.1DC-DC选型的基本原则103.3本系统DC-DC选型104系统硬件设计114.1电路原理简介114.2AP1501A简介114.3220V转DC12V电路设计124.3.1AC-DC电压变换电路原理图设计124.4DC-DC原理图设计134.5
7、效率的分析及计算135结论与展望146鸣 谢157参考文献158附 录：总电路图16优选材料开关电源1 前言1.1 课题背景开关稳压电源(以下简称开关电源)问世后，在很多领域逐步取代了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管工作于开关状态。随着脉宽调制(PWM)技术的发展，PWM开关电源问世，它的特点是用20kHz的载波进行脉冲宽度调制，电源的效率可达65%70%，而线性电源的效率只有3040。因此，用工作频率为20 kHz的PWM开关电源替代线性电源，可大幅度节约能源，从而引起了人们的广泛关注，在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。
8、 随着超大规模集成(ultra-large-scale-integrated-ULSI)芯片尺寸的不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；而航天、潜艇、军用开关电源以及用电池的便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化的电源。因此，对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量也要小。此外，还要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠性更高等。这一切高新要求便促进了开关电源的不断发展和进步。 1.1.1 1 开关电源的三个重要发展阶段 40多年来，开关电源经历了三个重要发展阶段。 第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GT0)发展为MOS型器件
9、(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等)，使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。 第二个阶段自20世纪80年代开始，高频化和软开关技术的研究开发，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究的热点之一。 第三个阶段从20世纪90年代中期开始，集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。 1.2 开关电源技术的亮点 1.2.1 功率半导体器件性能 1998年，Infineon公司推出冷MOS管，它采用“超级结”(Super-Junction)结构，故又称超
10、结功率MOSFET。工作电压600800V，通态电阻几乎降低了一个数量级，仍保持开关速度快的特点，是一种有发展前途的高频功率半导体器件。 IGBT刚出现时，电压、电流额定值只有600V、25A。很长一段时间内，耐压水平限于12001700V，经过长时间的探索研究和改进，现在IGBT的电压、电流额定值已分别达到3300V1200A和4500V1800A，高压IGBT单片耐压已达到6500V，一般IGBT的工作频率上限为2040kHz，基于穿通(PT)型结构应用新技术制造的IGBT，可工作于150kHz(硬开关)和300kHz(软开关)。 IGBT的技术进展实际上是通态压降，快速开关和高耐压能力三
11、者的折中。随着工艺和结构形式的不同，IGBT在20年的发展进程中，有以下几种类型：穿通(PT)型、非穿通(NPT)型、软穿通(SPT)型、沟漕型和电场截止(FS)型。 碳化硅(SiC)是功率半导体器件晶片的理想材料，其优点是禁带宽、工作温度高(可达600)、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等，有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。 可以预见，碳化硅将是21世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料。 1.2.2 开关电源功率密度 提高开关电源的功率密度，使之小型化、轻量化，是人们不断追求的目标。这对便携式电子设备(如移动电话，数字相机等)尤为重要。使开关电源小型
12、化的具体办法有以下几种。 一是高频化。为了实现电源高功率密度，必须提高PWM变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。 二是应用压电变压器。应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。压电变压器利用压电陶瓷材料特有的“电压-振动”变换和“振动-电压”变换的性质传送能量，其等效电路如同一个串并联谐振电路，是功率变换领域的研究热点之一。 三是采用新型电容器。为了减小电力电子设备的体积和重量，须设法改进电容器的性能，提高能量密度，并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器，要求电容量大、等效串联电阻(ESR)小、体积小等。 1.3 DC-DC发展概况近几年由于数据业务
13、的飞速发展和分布式供电系统的不断推广，DC/DC转换器的应用越来越广，其增幅已经超出了一次电源。 随着半导体工艺、封装技术和高频软开关的大量使用，DC/DC转换器功率密度越来越大，转换效率越来越高。据专业电源市场调研公司VDC公司预测，全球DC/DC转换器出货量由2002年的20亿增长到2007年的25亿(见图1)。在全球DC/DC转换器市场迅速增长的同时，以下几个发展趋势值得关注：低电压大电流的需求推动模块电源的不断发展。比如数据通讯领域中5V输出所占的比例从30%下降到11%。 非隔离式DC/DC转换器比隔离式增长更快。 分布式电源比集中式电源发展快，其中IBA系统会成为主要方式。 DC/
14、DC转换器对工艺技术提供新的要求，并采用一些创新的封装。 混合集成技术、高频化技术的不断发展将导致功率密度进一步提高。 设计日趋标准化，控制电路倾向于采用数字控制方式。 控制器件向多相位发展，目前已有6相产品。 我们将对其中一些趋势展开分析，并对用户选择DC/DC转换器提供建议。 1.3.1 DC/DC转换器对工艺技术提出新要求 DC/DC转换器的发展与半导体集成、封装技术以及电路拓扑的发展联系紧密，并对半导体工艺提出了新的要求，包括： 1. 降低热阻，改善散热 虽然中大功率DC/DC转换器的效率有了很大提高，但由于功率密度较大，如果发热元件的热量不能及时散出，就会严重影响模块的寿命，甚至会因
15、为过热造成失效。为改善散热，目前中大功率转换器大都采用多块基板叠合封装技术，控制电路采用普通印制板置于顶层，而功率电路采用导热性能优良的板材置于底层。早期的中大功率转换器先后采用陶瓷基板、直接键合铜技术(Direct Copper Bond，DCB)和绝缘金属基板(Insutalted Mental Substrate，IMS)来改善散热。现在，前两种已很少采用，而绝缘金属基板方式由于绝缘性能好、机械强度高、导热性能好而得到一致认可，成为转换器结构的主流及提高转换器功率密度的关键。 随着分布式供电方式的大量运用和系统小型化需求越来越多，用户在使用时不希望给转换器添加散热器，而靠系统的强制风冷给转换器进行散热，因此敞开式高效低造型转换器成为发展的主流。这种转换器采用一块多层厚铜箔PCB代替常规的多块PCB层叠结构，通过多层厚铜箔PCB为载体将功率器件、磁性器件和控制电路集成在一起。这种结构可以减少磁性器件的焊点或消除焊点、减少寄生参数、提高转换器效率；另外通过电路和器件的适当选择，多层厚铜箔线路的适当分布，可以使转换器模块的温度均匀分布，提高模块的可靠性。缺点就是对外界散热条件依赖比较大，
