武汉理工开关电源毕设

摘要稳压电源是实现电能变换和功率传递的主要设备。在信息时代，农业、能源、交通运输、通信等领域迅猛发展，对电源产业提出个更多、更高的要求，如节能、节材、减重、环保、安全、可靠等。这就迫使电源工作者不断的探索寻求各种乡关技术，做出最好的电源产品，以满足各行各业的要求。开关电源是一种新型的电源设备，较之于传统的线性电源，其技术含量高、耗能低、使用方便，并取得了较好的经济效益。本文在介绍了开关电源的各种工作方式、其优劣势、设计方法及未来发展方向等的基础上，对开关稳压电源进行设计。设计分为三个模块进行，分别为辅助电源模块、PWM控制模块、升压电路部分，其中PWM控制电路为电源设计的核心。确定电路设计方案后，使用Multisim10对电路进行仿真，并对电路的参数进行配比，尽量使电路的参数达到最佳、使输出电压趋于稳定，从而达到设计要求。关键词：开关电源，稳压，脉宽调制，功率ABSTRACATPoweristoachievepowerconversionandpowertransmissionmajorequipment.Intheinformationageagriculture,energy,transportation,communicationsandotherareasPowerofthesourceindustrymakeagreaterandhigherrequirements，suchasenergy,materials,weightreduction,environmentalprotection,safetyandreliability.Thishasforcedthepowerworkershavebeenexploringthetechnologyforavarietyofruralcustoms,thepowertomakethebestproductstomeettherequirementsofallwalksoflife.Switchingpowersupplyisanewtypeofpowersupply,comparedtotraditionallinearpowersupply,hightechnology,lowenergyconsumption,easytouse,andhasachievedgoodeconomicresults.Thispaperdescribesthevariousswitchingpowersupplyworks,itsadvantagesanddisadvantages,designanddirectionoffuturedevelopment,basedonthedesignoftheswitchingpowersupply.Designisdividedintothreemodules,namely,auxiliarypowermodule,PWMcontrolmodule,boostcircuitpart,whichPWMcontrolcircuitforthepowersupplydesignofthecore.Determinethecircuitdesign,theuseofMultisim10simulatethecircuit,andtheratioofthecircuitparameters,circuitparametersasfaraspossibletoachievethebest,tostabilizetheoutputvoltagetoachievethedesignrequirements.Keywords:SwitchingPowerSupply，Stabilivolt，PWM，power1开关电源简介1.1开关电源的发展背景电源是向电子设备提供功率的装置，把其他形式的能转换成电能的装置叫做电源。发电机能把机械能转换成电能，干电池能把化学能转换成电能。发电机和电池本身并不带电，它的两极分别有正负电荷，由正负电荷产生电压(电流是电荷在电压的作用下定向移动而形成的)。电荷导体里本来就有，要产生电流只需要加上电压即。当电池两极接上导体时，为了产生电流而把正负电荷释放出去。当电荷散尽时,也就电荷流(压)消了。干电池等叫做电源。通过变压器和整流器，把交流电变成直流电的装置叫做整流电源。能提供信号的电子设备叫做信号源。晶体三极管能把前面送来的信号加以放大，又把放大了的信号传送到后面的电路中去。晶体三极管对后面的电路来说，也可以看作是信号源。整流电源、信号源有时也叫做电源。电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、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，更促进了开关电源技术的迅速发展。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，信息技术的发展对电源技术又提出了更高的要求，从而促进了开关电源技术的发展。1.2开关电源的基本原理与组成特点1.2.1开关稳压电源的基本工作原理开关式稳压电源的控制方式分为调宽式和调频式两种，实际应用中，调宽式使用的较多，在目前开发和使用的开关电源集成电路中，绝大多数也为脉宽调制型。调宽式开关稳压电源的基本原理如图1-1所示。图1-1.调宽式开关电源的基本原理对于单极性矩形脉冲来说，其直流平均电压U0取决于矩形脉冲的宽度，脉冲越宽，其直流平均电压值就越高。其中有：U0=UmT1/T式中，Um为矩形脉冲的最大电压值，T为矩形脉冲周期，T1为矩形脉冲宽度。由此可知，当Um与T不变时，直流平均电压U0将与脉冲宽度T1成正比。这样只要设法使脉冲宽度随稳压电源输出电压的增高而变窄，就可以达到稳定电压的目的。1.2.2开关电源的基本原理开关稳压电源（简称开关电源）是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般多采用脉冲宽度调制（PWM）控制方式。随着电力电子技术的发展和创新，开关电源逐步向高频化方向发展。高频化使开关电源具有体积小、重量轻、效率高等优点，因此，研究、开发高质量的开关电源就变得十分必要，尤其在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。开关稳压电源具有，效率高，输出功率大，输入电压变化范围宽，节约能耗等优点，而被广泛使用在各个行业和领域中。开关电源的工作原理就是通过改变开关器件的开通时间和工作周期的比值即占空比来改变输出电压，通常有三种调制方式：脉冲宽度调制(PWM)、脉冲频率调制(PWF)和混合调制。PWM调制是指开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式，因为周期恒定，滤波电路的设计容易，是应用最普遍的调制方式。开关稳压电源的主回路框图如图1-2所示，由隔离变压器产生一个18V的交流，经过整流滤波成一个直流，然后再进行DC-DC变换，有PWM的驱动电路，去控制开关电源管的导通和截止，而产生出一个稳定的电压源，如图1-2。图1-2开关稳压电源原理图1.2.3开关电源的特点开关电源具有如下特点：(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，一般在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，从而使其重量只有同容量线性电源的1/5，体积也大大缩小了。(3)稳压范围宽。开关电源的交流输入电压在90~270V内变化时，输出电压的变化在±2%以下。合理设计开关电源电路，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，因此当电源负载出现故障时，能自动切断电源，保障其功能可靠。(5)功耗小。由于开关电源的工作频率高，一般在20kHz以上，因此滤波元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态，损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。1.3开关稳压电源的发展1.3.1国际发展史状况（1）发展史。1955年美国的科学家罗耶（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的晶体管直流变换器不断地被研制和涌现出来。从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转式和机械振子式换流设备。由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备上。由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作耐压较高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也能太高。60年代末，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了。从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要有工频变压器了。从而极大地扩大了它的应用范围，并且在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关稳压电源。省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小。开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。70年代以后，于这种技术有关的高频、高反压的功率晶体管，高频电容，开关二极管，开关变压器铁心等元器件也不断地被研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速发展，并且被广泛应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域中，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源中的佼佼者。（2）目前正在克服的困难。随着半导体技术和微电子的高速发展、集成度高、功能强的大规模集成电路的不断出现，使得电子设备的体积在不断的缩小，重量在不断的减轻。所有从事这方面研究和生产的人们对开关稳压电源中的开关变压器还感到不是十分理想，他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途径来取代开关变压器，使之能够满足电子仪器和设备为小型化的需要。这是从事开关稳压电源研制的科技人员目前正在克服的第一个困难。开关稳压电源的效率是与开关管的变换速度成正比的，并且开关稳压电源中由于采用了开关变压器以后，才能使之有一组输入得到极性、大小各不相同得多组输出。要进一步提高开关稳压电源的效率，就必须提高电源的工作频率。但是，当频率提高以后，对整个电路中的元件又有了新的要求。例如，高频电容、开关管、开关变压器、储能电感等都会出现新的问题。进一步研制适应高频率工作的有关电路元器件，是从事开关稳压电源研制的科技人员要解决的问题。工作在线性状态的稳压电源，具有稳压和滤波的双重作用因而串联闲心稳压电源不产生开关干扰，且波纹电压输出较小。但是，在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路中的元器件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰。这些干扰就会污染市电电网，影响邻近的电子仪器及设备的正常工作。随着爱管稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进，开关稳压电源的这一缺点得到进一步地克服，可以达到不妨碍一般的电子仪器、设备和家用电器正常工作的程度。所以，克服开关稳压电源的这一缺点，进一步提高它的使用范围，司从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第三个问题。1.3.2国内发展情况我国的晶体管直流变换器及开关稳压电源研制工作始于60年代初期。到60年代中期进入了实用阶段，70年代初期开始研制无工频降压变压器开关稳压电源。1974年研制成功了工作频率为10kHz、输出电压为5V的无工频降压变压器开关稳压电源。近10多年来，我国的许多研究所、工厂及高等院校已研制出多种型号的工作频率在20KHz左右、输出在功率在1000W以下的无工频降压变气开关稳压电源，并应用于电子计算机、通信、电视等方面，取得了较好的效果。工作频率为100KHz~200KHz的高频开关稳压电源于80年代初期