PWM电源开关设计与分析

《PWM电源开关设计与分析》由会员分享，可在线阅读，更多相关《PWM电源开关设计与分析（36页珍藏版）》请在装配图网上搜索。

1、毕业论文 (设计)PWM电源开关设计与分析院 系 ：专业（班级）：姓 名：学 号:指导教师：职 称：完成日期：摘 要PWM是模拟控制模式，其通过调制偏压MOS晶体管组的栅极或根据负载的变化对应于实现或改变MOS晶体管的导通时间，以达到在开关电源输出的变化。这种方法允许电源的输出电压是在操作条件的变化保持恒定，使用数字信号处理器，用于控制模拟电路是非常有效的技术。在电子技术的发展史上，PWM技术的应用占有非常重要的地位，因为它使电子设备的性能具有非常大的提高。本文详细介绍了PWM开关技术的背景、意义及技术特点并解释其的重要性，其次是对PWM开关基本结构和主要芯片的简要概述，分析了测试芯片的接口，

2、对PWM电源的芯片原理特的理解，然后研究了PWM开关电源芯片功率造成限制的三个因素并进行对比。最后，用一个快速的方法来实现主电源电路设计并用软件工具为protel对电源电路进行仿真。关键词：开关电源；PWM；功率限制；protel仿真AbstractAnalog PWM control mode , the gate of MOS transistor group of the modulation bias or load change corresponding to the change or changes to achieve the conduction time of the M

3、OS transistor to achieve a switching power supply according to the output through . This method allows the power supply output voltage is varied to maintain constant operating conditions , using a digital signal processor for controlling an analog circuit is very effective technology. In the history

4、 of the development of electronic technology , the application of PWM technology plays a very important role , because it makes the performance of electronic devices with a very large increase .This paper describes the background, significance and technical features PWM switching technology and expl

5、ain its importance , followed by the basic structure of the PWM switch and a brief overview of the main chip , analyzes test chip interface chip principle of the PWM power characteristics of understand , and then studied three factors caused PWM switching power supply chip power restrictions and con

6、trast. Finally, a quick way to achieve the main power circuit design and simulation of power supply circuits using software tools to protel.Keywords : switching power supply ; PWM; power limitation ; protel simulation目 录1 引 言61.1 PWM技术的研究背景及意义61.2 PWM的国内外现状及发展61.3 PWM基本原理及结构72 线性电源芯片及PWM功率芯片的功能82.1

7、电源芯片的测试流程82.2 APL431L线性电源芯片特征92.2 LD7575芯片特征理解133. 三种PWM芯片功率局限的比较分析193.1功率限制原理193.2优化的脉冲宽度调制电源芯片输出功率的三种方法213.2.1缩短延迟时间Td213.2.2调整阀值电压Vlimit223.2.3改变延迟时间Td及阀值电压Vlimit两个参数243.3比较后两者方法对功率局限的影响254 .快捷设计PWM开关电源的主要电路274.1设计主要参数274.2变压器的设计284.3粗估初次级线圈匝数比294.4粗略估算初级电感在最大额定输入条件下的值304.5确定初次级匝数并代入加以确定304.6精确验证

8、最小输入条件下的匝数315. 基于protel工具的仿真结果315.1基于protel的仿真电路图315.2基于protel仿真的分析326 结 论34谢 辞35参 考 文 献35PWM电源开关设计与分析1 引 言由于人们对能源问题越加重视，电子产品的耗能问题变成大家在意的重点。如何使得电子产品其功耗下降并且提高供电效率变成了一个急需解决的关键要点。传统的线性稳压电源虽然电路结构体系单一、工作稳定可靠，然而它有着只有40%至50%的低效率、变压器体积大、铜铁消耗量大、工作温度高及调整范围偏小等缺点。自从了开发出了PWM电源，其大大提高了电源的效率，它的效率达到了85%以上，且稳压范围宽，同时它

9、还具有稳压精度高、不使用电源变压器等特点，PWM开关电源是一种较理想的稳压电源。所以，PWM电源已广泛应用于各种电子设备中，并参与到人们的日常生活的各个角落了。1.1 PWM技术的研究背景及意义PWM技术的应用在电子技术的发展史上占着非常重要的地位 ，因为它使得电力电子装置的性能有了非常大的提高。1.2 PWM的国内外现状及发展由于体积小，重量轻的追求力量在20世纪，配备了火箭NASA研究提出的第一个电源，经过半个世纪的发展，脉冲宽度调制开关电源慢慢取代了原来的技术生产的相控电源，同时广泛应用于电子设备系统。由集成电路的进步的陪同下，开关电源的集成缓慢渐进方向变得更紧凑和模块化。在这20年中，

10、集成开关已经被改变为下面两个方向向电子设备供电了。由脉冲宽度调制开关电源控制的集成电路，首先开发于1977年，国外的PWM控制器IC ，摩托罗拉，通用硅公司的德州仪器公司已经推出了一系列的脉冲宽度调制芯片。近年来，国外开发出了高速开关频率高达1兆赫脉宽调制的烤瓷的芯片。并且使得中小功率脉冲宽度调制开关电源的单片集成得以实现。 20世纪，美国的Power Integrations公司首先开发出一种三端单片隔离PWM开关电源，它是AC / DC电源转换器。随后陆续推出的TOPSwitch ，的TOPSwitch -II的TOPSwitch -FX ， TOPSwitch-GX的，使用PeakSwi

11、tch ，使用LinkSwitch等产品。意大利 - 法国半导体公司最近还开发了VIPER100 ， VIPER100A ， VIPer100B和其他较小的单片开关电源，并通过广泛的关注。到目前为止，已经有很多的单片开关电源系列，上百种产品诞生了。开关电源的研究，到目前为止已经有很多的追捧，它为新技术产品，轰动权力圈的国内外更有前途和影响力。现在具有高集成度，高性价比，最简单的外围电路，最佳性能，单片开关电源已成为中小功率开关电源，精密开关电源及开关电源模块的发展的最佳选择18。直到1977年国内才进入发展的早期阶段，技术相对起步较晚，开关电源相对于国外，和国外比将是微弱的。所以如今DC /

12、DC电源模块市场已经在很大程度上几乎被国外品牌占有，且覆盖包含了所有被广泛应用的电源模块，同时也占领了整个市场的中小功率模块电源产品的一半以上19。然而，伴随着国内技术不断上升，增加生产规模，进口的小型电源模块正在迅速国内的DC / DC产品所取代了20。1.3 PWM基本原理及结构开关电源电路主要由整流滤波电路、DC-DC控制器（内含适配器)、开关占空比控制器以及取样比较电路等模块组成5。如图1-3所示：图1-3开关电源的体系框图因为开关电源中的变压器可制作到极小故相对于线性电源它的体积和重量都可以达到最小，且其功率一般维持在70%到90%之间，同时由于其是用调宽和调频来进行反馈的，故在电网

13、中波动性较大，所以输出电压很稳定。2 线性电源芯片及PWM功率芯片的功能2.1 电源芯片的测试流程 沿着信号的流入方向，输入向量向信息提供了模块，接着将其送达被测芯片或系统，接着再送到比较与输出报告的单元。图2-1为测试系统总线。图2-1测试体系框图体系中的各个模块的数据交换是经由总线举行。其中，被测设备和测试接口板是研究的重点。在施加直流参数测试的前提下，经由测量DUT的正确的单位实现直流参数的精确测量。测试过程的有效性：计算机将一开始生成测试向量传递到单片机系统，单片机节制通道模块，不仅将测试信号电平转成所需的水平，而且可以将施加在DUT输入引脚上向量波形，然后将检测到的DUT输出，最后经

14、由总线判定手处置。该接口电路被设计为处理为在两个模块之间的控制流和数据流，普通情况下关于电压、电流和时间参数，主要束缚是阻抗匹配，其普通情况下，原则上是从DUT得到的的功率低的也是最小的干扰。基上述解释的原则，它必须是不竭的改进的测试电路系统的性能（比方，加大测试时钟频率等），以获得最佳测试结果。2.2 APL431L线性电源芯片特征以线性稳压器APL431L直流的参数测试为研究。 APL431L芯片内有阳极（称为A），阴极（C）和稳定的输出端（R）三个引脚，它的稳压输出电压通常是1.250V21。其内部电路和等效图如图2-2所示。图2-2 APL431L内部电路及等效图APL431L芯片的量

15、测主要有：开路及短路量测、输出（参考）电压Vref、输出电压纹波抑制Vref/Vca、输出电流Iref、关断电流Ik（off）和输出阻抗Zka5。针对测试中的如下两个问题：试验机体系每个接口的阻抗相匹配;对直接不好量测或误差较大的情形下相关问题，重点讨论测试项目Vref和Iref。其中，Vref（V）是芯片APL431L内R端到接地电压的电压输出值; Iref（A）是R端上拉电阻器的端部R的当前电流值。 (1)Vref的测量图2-3是测试Vref的原理电路。测试要领是施加精测单位PMU2于C端，使C和A极之间得电，在R端用探头PMUl量测5。图2-3 Vref的测试电路图 图2-4 Iref的

16、测试电路图为了更准确地测量Vref的，更高的消除滋扰，以下列出了改进的三个方面的工作。STEP 1：要消弭负载的影响可以在被测量端子添电压缓冲器（运放跟随），然后测定。 STEP2 ：因为长导线，探测点在测量时，测量值比实际大的为3mV 到4mV的误差。用同轴电缆的话，会有效的降低误差。STEP3 ：要再消弭对在同轴电缆滋扰而产生的误差，可以采取经典的三运放单元的优势（见图2-6虚框）来实现的间接测试， R端和差分放大外部基准电压源，该PMU计算值的输出值Vref ，并尝试确认该方法的准确度是令人满意的（详细的压力/流量的数据阐发表见表2-1 ） 。图2-6Vref测试改良电路(2)Iref的

17、量测测试电路如图2-4所示。Iref的测试方法：在被选用来做样品的电阻的两侧，用PMU2和PMUl分别测量两侧的电压，在凭借欧姆定律，电阻Rl,被压差除就可得出Iref的具体数值了。由于参数的局限是0.02A到0.48A之间,故此项推测度量属于小电流测试问题。由于测试机精准度的局限，所以比较难直接可以知道或者用测试的方法来了解小电流的数值，正常情况下我们将它转化为较高电压来间接测量。测试过程中应该特别注意下面的两个问题。第一，小电流测试时，软件用于监视的定制的时间延迟要较长（IO毫秒幅度） ，然后直到恒定电流之后再进行测量，这是在该电路的电容小的作用，因此电流不能立即变得稳定，并且有时会出现启

18、动电流负值（虚值，不考虑） 。第二，较低的电流的量测兴许会发生颠簸。使用三运放差动的布局：各插入一个电压跟随器在电阻上的两个头，然后凭借运算放大器将其转换成更高的电压。但要被转换成电压一定要小于运算放大器的饱和输出电压，否则，输出电压将被钳位（即堵塞输出），重点是要选择Rl的电阻。其在图2-7所示的改进电路。图2-7Iref的测试改良电路以下总结了APL431L测试功耗的芯片调试过程两个指标，该芯片为九项指标的10组测试数据的测试数据分析列于表2-1。Max和Min是测量值的幅度极限。因为需要对IC Vref值分级（等级，G），所以在测试过程结束的步伐测试，应该重新检验和测试Vref的，并且要

19、求比以前要求严格的要求定义在测试A级; 而超越要求的则为B级。10组测试值经四个重复测试Vref最大和最之间，并在上下平均波幅为3mV。同样测试值Iref也维持在最大和最之间，误差不超过0.1f。表2-1 APL431L的10组测试数据NameBin#ItemlItem2ltem3Item4Itcm5Item6Item7Item8Item9O/S!0/S2VreflVreflVreflZkaIrefIk(Off)VrefUnitNVVV(G)VVOhmAAVMax16-0.34-0.34N1.2511.2510.290.480.481.245Min1-0.7-0.7N1.2291,2290.0

20、30.02N1.23515-0.5296-0.56711.24131.23841.24940.10750.1390.02261.241425-0.5304-0.56821.23811.23591.24740.12220.14790.06641.238135-0,5311-0.56871.24211.2391.25090.11950.16690.07171.242145-0.5319-0.5691.23841.2351.24730.11680.12730.0911.2384NameBin#ItemlItem2ltem3Item4Itcm5Item6Item7Item8Item9O/S!0/S2V

21、reflVreflVreflZkaIrefIk(Off)Vref55-0.5309-0.56851.23961.23761.2480.13680.13920.09691.239765-0.5291-0.5661.2381.235612,4740.14210.14620.07471.238875-0.5311-0.56891.23821.2351.25080.17130.15990.0841.238285-0.5309-0.56891.23881.2351.24770.12350.17140.05841.238795-0.5283-0.56621.24061.23821.24940.11680.

22、15060.07971.2406105-0.528-0.56581.23821.23571.24760.12080.14660.11361.2382Ave.-0.5301-0.56781.23931.23651.24860.12770.14950.07591.2394综上所述，对于布局简单的线性功率测量和调试逐步掌握了芯片的钻研范式，这是进一步阐明、钻研测试和优化程序PWM芯片/系统的坚实基础的工作。2.2 LD7575芯片特征理解LD7575 PWM控制器芯片是近两年通过凯瑞科技一直在推动的第一个产品。抓住芯片的特点，开展以下几点：第一，内部框图及引脚功能表，随后进行了简短芯片的功能，专注于

23、高电压启动，并做了前沿消隐真相的说明，并专注于过压保护和过载的事情进展的阐明。 (1)内部框图和管脚机能表图2-8为LD7575的内部框图。该芯片内部模块重要包罗：基准电压源，振荡电路， PWM控制器，一个误差放大器，电压检测器，输出驱动和保护电路等方面的需求。图2-8LD7575的内部框图表2-2显示了DIP-8封装LD7575引脚说明。LD7575通过RT脚来外设工作频率；为了使信号举行闭环调节并保持输出不变，要经由COMP引脚和CS引脚采集和辨析。图2-2 为LD7575管脚描述。图2-2 为LD7575管脚描述(2)芯片特征LD7575是一款电流型模式pwm控制器的芯片，这款脉冲宽度调

24、制芯片的主要特征是：高压500V启动电路；从外部传统的PWM控制电路的电阻，启动电路和启动电流被提供时，此方法更磨损较大。从理论上讲，为了启动电流下降，启动电阻可取的耐高，但这样做将开始长时增加。图2-9是一个高压启动电路LD7575 （包罗等效电路）及其重要的波形的图。高电压启动电路在LD7575内部集成的目的是使最大功耗水平下降。启动时，高压电流源连接从电容Cb被 HV引脚提取电流，并在电源引脚VCC引脚外接电容C1充电给力。开始的初始时间周期 ，高压电流源接通和1 mA的电源电流，则电压VCC电压（ UVLO ）说明了幵启的价值比在低压锁定和VCC引脚漏电流略低只有100 A，高压电流源

25、的电流首要用于VCC电容充电;当VCC电压低于UVLO更高（on）时， LD7575开始，并通过所述栅极驱动信号时，高压电流源被关闭，而辅助绕组开始供电5。因此，采取了高压启动电路的电流消耗仅为时间内产生的T，当IC的正常运行，因为高压电流源被关闭小事做起，见上面几乎不消耗。内部UVLO比较器用于检测电压VCC引脚，以确保其足够的供应， LD7575和驱动MOS管。UVLO(on)和UVLO(off)电压分别设定为16V和10V。(a) 脉冲宽度调制芯片LD7575高电压启动电路（包括部分等效电路）(b) LD7575主要波形图图2- 9脉冲宽度调制芯片LD7575高电压的启动电路（包罗局部等

26、效电路）及其主要波形可控开关频率；可以经由连接一个外部电阻RT引脚和地中的电阻RRT进行设置LD7575频率fs: (2-1)LD7575的频率范围建议设定在（50kHz，130kHz)。CS脚的前沿消隐;连系图2-10来论述。前沿消隐MOS管被突然打开时，因为输出整流二极管的反向恢复特征已获得的电力的流向的耐电压的峰值，为避免调整管错误作用，所以它在导通开始定要掩盖脉宽调制信号。经由CS引脚来检测LD7575芯片内流过初级MOS管的电流，设置集成电路内脚阈值电压0.85V。所以MOS开关管的峰值电流（Ipeak）可表示如下： (2-2) 根据350ns在CS引脚存在的前沿消隐单位内，以此来消

27、除因误触发电流的尖峰引起的。在低功率的利用下，假使CS引脚的导通尖峰总宽度小于350ns的和负尖峰不大于-0.3V ，这样之后连接到CS引脚RC滤波器可以断；但使用高输出功率，则必须使用RC滤波器来防止导通的时候产生负的尖峰将CS脚伤害。（a）LD7575芯片在较低功率下的电路图(b) LD7575芯片在较高功率的下的电路图图2-10关于 LD7575在高/低功率下的电路图中过压保护;在VCC侧电压太大的情况下，IC内部发给调整管信息使其关断，促使泻流回路对VCC泻流。 这就是过压保护（OVP）。如今大量的片外芯片MOS晶体管的栅极源电压Vgs的顶峰受压是30V。所以要做到避免的Vgs大于30

28、V。输出栅MOS晶体管的驱动电路将被关闭，直到下一个UVLO （on）低压闭锁开启电压）到达，在OVP阈值低于VCC情况下。 VCC过压保护就是LD7575是一种自愈保护。在UVLO （ OFF）高于 VCC电压，芯片立即重启，进入起伏模式（见图2-11 ，其中Vout是IC引脚OUT的输出波形） 。图2-11在LD7575芯片 VCC引脚过压保护波形过载保护;图2-12所示是波形过载。在这样的丧失规定功能的情况下，反馈系统（见图4-1）就会强力压制电压回路饱和趋势， COMP引脚电压增加。在COMP电压抵达OLP 5伏的阈值电压并保持30毫秒， OLP输出信号使得MOS晶体管截止， 30毫秒

29、的推迟时间，以避免假触发信号动作。图2-12 在LD7575芯片过载保护情况下VCC/ COMP / OUT引脚三个波形3. 三种PWM芯片功率局限的比较分析3.1功率限制原理由于人们对开关电源需求量的提高，以及开关电源制作成本的大幅度下降，电源主控IC必须扩大其功能同时使得其性能得以优化扩展其功能。一个电源体系的主要衡量方法是输出功率高且低耗能。功率管会延时一段时间（ Td）被断开，在电阻端电压达到功率极限阈值（ Vlimit0 ）时。对于某些应用，如笔记本电脑适配器，它的全范围电压输入下（ 90 伏每60赫兹到264 伏特50赫兹）时，受到限制，输出功率与一致性，所以必须有一个一致的PWM

30、 IC的OCP值（称为输出控制点）。图3-1是一个使用PWM IC反激式转换器的电源的部分电路图。图3-1系统配置初级侧PWM原理示意图经由导通mos开关管的M的电源开关IC反激式转换器的初级电感电流Ip，工作电压VCS然后通过选取的样本的电阻RS的脉冲宽度调制的 IC芯片的CS引脚，在Vcs达到固定阈值电压Vlimit0时，经过延迟时间Td后，内部控制信号由IC传输使开关管M由导通变为截止。功率局限原则的数学模型概述例如以下：理想条件下，忽略延迟时间Td，假定初级电感中的能量完全传递到次级输出端（经由滤波）。一个固定的周期T的脉冲宽度调制系统内初级电感储能的是： (3-1) （3-2）上式中

31、，P是由电感器消耗的功率， fs为固定频率脉冲宽度调制IC的。实际状态，考虑Td的影响。由关系式 (3-3)及 (3-4)则有： (3-5)其中，输入电压峰值为Vin， 检测电阻内的电压至0到达Vlimit0在单周期的时间即为ton。由等式(5)我们可知：当考虑到实际情况的Td存在，电感电流在这个时候有一个以下的理想状态（Vm*Td/Lp)的值; Vlimit0和Td可以同时调节当Vin，LP，fs为常数并保持为定制，以使得限制脉冲宽度调制电源开关系统输出功率为固定值。3.2优化的脉冲宽度调制电源芯片输出功率的三种方法优化的脉冲宽度调制芯片输出功率的三种方法涵盖如下：（1）缩短了集成电路的延迟

32、时间Td；（(2)对OCP的电压阈值Vlimit进行调整;（3）同时对延迟时间和电压阈值的进行调整。见下图统计表3-1。它列出了三家主流公司（Onsemi，Fairchild, Infineon) 的固定频率PWMIC的OCP补偿方式。表3-1的有着一定频率PWM主要流行的芯片的OCP的补偿方法PWMIC型号OCP补偿方法有否补偿Td(ns)NCPl 271Td否50SG6741Vlimit是100ICE3BS02Td + Vlimit是501503.2.1缩短延迟时间Td图3-2是工作电压Vcs（正比于输入电压Vin ）、在延迟Td和功率限制点滑动（从理想的实际值）之间的时间关系。在芯片的C

33、S引脚点内的实际功率局限可以被建模例如以下： （3-6）其中： （3-7）图3-2Td、Vcs和Vlimit的关系因为k与Vin成正比，为了减小芯片造成的系统误差V，大幅度地缩短Td，就成为稳定功率限制点Vlimit的最佳选择。大多数欧洲地区的国家和美国公司的OCP补偿实现拥有自己的专利，所以考虑整体IC设计时的风险时，为了降低风险缩短TD是最单一和有效的方法之一。3.2.2调整阀值电压Vlimit图3-3是重新调整阀值电压Vlimit的示意芯片CS脚内的实际功率限制点可重新建模以斜坡线段AB构造Vlimit0靠近Vlimit趋势的详细的解决方法例如以下：用本机IC振荡器的集成电路和叠加到直流

34、电平VL的一个信号的斜率k的同步，实际可用的Vlimit0限制VH，它是直线AB在图3-3的斜率，然后重点计算K的斜率。图3-3新的Vlimit0，Vcs和Vlimit的关系设t=ton+Td ，则： (3-8)当Vin=Vin-L时，有： (3-9)又当Vin=Vin-H时，有： (3-10)可大概的看作电感所消耗的功率是等同的，在PWM芯片LD7575输出功率保持不变的情况下，所以有关系得： (3-11)所以： (3-12)由上式可知，对于一些比较特殊的的脉冲宽度调制电源芯片，ton和Td的值是由K所决定，不过该条件要成立在Vin-H、Vin-L、Lp和Rs均为定值的情况下，目前很多脉冲宽

35、度调制电源芯片就是经由调节电压阀值以此来控制所述的OCP的，就比如上面提到的Fairchild的SG6741。当要运行操作此类IC芯片时，要做到输出过功率的相等，同时还必须适当调节初级电感LP和检流电阻Rs11，但是在设计时还是得考虑Lp、Rs这两因素对系统效率和EMI测试的负面影响。但仍具有在Lp、Rs及EMI测试的负面影响的设计必须考虑到。3.2.3改变延迟时间Td及阀值电压Vlimit两个参数由等式(3-12)可得：调整阈值电压就一定会同步涉及到传输延迟时间5。利用已下函数Vlimit=Vlimit0+kTd，由式子得可通过改变k实现 Vlimil0的平坦化。图3-4是ICE3BS02凭

36、借该法调节的结果获得的。坐标以dVlimit/dt为X轴，以Vlimit0为Y轴。图 3-4 ICE3BS02：dVlimit/dt与Vlimit0的关系图设脉冲宽度调制IC芯片在工作频率为67千赫兹和占空比0.45的条件下，计算当Vin= 90V, Vin=264V时相对应的横坐标dVlimit/dt，纵坐标Vlimit0趋于稳定的算法有以下三步：由k的定义式，可得：= （3-13）又由与电流和电感关系： （3-14）所以，在高压交流264V输入OCP时，有：= (3-15)目前很多脉冲宽度调制电源芯片就是经由调节电压阀值及延时时间以此来控制所述的OCP的，就比如上面提到的Fairchild

37、的SG6741。因为它是在Bipolar 工艺的基础上实现的，和同样凭借CMOS工艺的NCP1271及SG6741两款芯片在CS比较器的设计上有一定差别，所以其OCP可经由最大阈值电压和电路传输延迟时间来进行联合调节的。3.3比较后两者方法对功率局限的影响图3-5是基于线性交流的输入电压的Vin，SG6741及ICE3BS02峰值输出功率Po的折线图的示意。图可供选择：当电压Vin为低，阈值用来调节只有峰值的输出功率的SG6741系统，受上下左右的波动发生的VH（VLIMIT上的阈值电压）的高达7W的浮动，ICE3BS02用于同时调节阈值电压和Td是没有问题;在高输入电压，相对于平坦，可以更清

38、楚地看到，在大约1W的峰值输出功率的变动约为3W的浮动。图3-5 SG6741与ICE3BS02的峰值输出功率4 .快捷设计PWM开关电源的主要电路本章的目的是用用临界法快捷的设计出50W反激式开关电源主电路的关键方法。4.1设计主要参数体系设计主要参数见下表，表中包括输入特性参数、输出特性参数、性能规格参数与保护特性参数这四个部分5。下图4-1为体系设计的参数规格。图4-1体系设计的规格图4-2是开关电源的主电路原理图。由下图开关电路的主电路原理图，主要包括变压器、RCD箝位电路和MOS管与控制环路，及主控芯片5。接下来要主要论述这些器件的主要设计。（主控芯片LD7575的内部电路及特性已经

39、在第二章中详细讲解)。图4-2 PWM开关电源主电路的原理图54.2变压器的设计以节制输出整流二极管入手，用输出整流二极管的最大反向压降最大额定输入的情况下来确定变压器的初、次级电感与初、次级匝数，在输出整流二极管最小输入的情况下验证估算的数据的准确性，并再次进行调节，这种临界条件方法可将变压器的设计流程缩减以下五个步骤：STEP1:假定参数，大概粗略估算初次级线圈的匝数比；STEP2：粗略估算初级电感在最大额定输入条件下的值；STEP3：将第一步中的粗估初次级匝数代入算式中检验以此确定精确的数值；STEP4：验证最小输入条件下的参数；STEP5：最终确定初次级线径的大小和绕法。4.3粗估初次

40、级线圈匝数比因为变压器体系的输出电流I=3.4A，所以受最大输出电流为10A的肖特基二极管，其耐压100V，如图4-2所示在不同温度下对正向电流影响（其中IF是正向电流、VF是导通电压）。图4-2肖特基二极管在不同温度下对正向电流、导通电压的影响假设最小直流输入电压Vdc(min)为120V，最大占空比Dmax为0.46 (在连续模式下，Dmax应该小于0.5，这样可以有效防止产生谐波振荡)，由公式: （4-1）得Vr=98.2V又因为： (4-2)计算可得n=4.98(14) PO=为输出整代入公式（Vr反射电压，Np是初级线圈匝数、Ns次级线圈匝数，V0为输出电压，VF为输出整流二极管的正

41、向导通压降=0.7V)将n带入式子： （4-3）计算最大反向电压，确认n能否达到要求。所以VDmax=93.5V。因为这钟二极管在断开时会有次级漏感和振荡诱导尖峰的产生，所以必须留有保持在大概16V的电压裕量，这必须重新设Dmax的值以便增大Vr。实取Dmax=0.48，再由上面的公式得VDmax=85.37V，85.37V小于100V，Dmax假设成立，此时有：匝比n=5.62 ，反射电压Vr=110.6。4.4粗略估算初级电感在最大额定输入条件下的值当最大额定交流电压Vin为230V的输入情况下，由公式： （4-4）可得：Dmin=0.254。再由公式： (4-5)其中：Pin为反激系统的

42、输入功率，KRF为纹波因数，KRF在不同的模式下有着不同的取值，对于不连续模式有(KRF=1)，而对连续模式般设定在0.3到0.5之间，Ton是MOS开关管的导通时间。当高压输入时不连续模式(KRF=1)，所以Lm=686.4H。又因为 （4-6） 可得到Ipk=1.86A 4.5确定初次级匝数并代入加以确定要避免磁芯饱和，所以变压器初级线圈应具有最小匝数目是： (4-7)此中，Ae是属于变压器磁芯的截面积，Bmax是属于变压器饱和磁通量密度。体系凭借铁芯POT-3019，材质为TDK的PC44，使得系统的输出功率和工作频率确定，截面积为Ae=119mm。设饱和磁通量密度Bmax为0.32T(

43、在没有参考数据的情况下，一般选取0.32T到0.4T之间),计算可得，Np(min)=33.37。Np和NS的须符合以下条件：Np最小值为3.37及n= Np/Ns， NP、Ns必须是整数。所以为了满足要求，首先设Ns=6，又因为n=Np/Ns，所以Np=33.72，但是NP不属于整数，不符合上示要求。所以取Np=34，计算得n=5.6667，由(14)式，得Vr=111.63V;由(13)式得Dmax=0.482；由(16)式得 Lm=694.7H。4.6精确验证最小输入条件下的匝数当最小交流输入电压Vin为90V情况下。系统是处于连续模式的，因为Vin为90V，证明Np（min）Np能否成

44、立。由下公式： (4-8) (4-9)可得：IP=1.963A，Irms=0.953A再由公式： (4-10)得到： Npmin=35.56因为Npmin大于Np故不成立，这个时候，就可以适度的增加变压器饱和磁通量密度Bmax令Bmax=0.34，再由上面公式可得Npmin=33.47,小于Np，故成立。所以初级电感为694.7赫兹，初级匝数为34,次级匝数为6。 5. 基于protel工具的仿真结果5.1基于protel的仿真电路图5.2基于protel仿真的分析初次级电流、MOS管两端的电压、输出整流管两端的电压及IC主要功能脚(COMP和CS脚)的输出波形正确。同时，电源系统的输出电压最

45、大为19.35mV，输出电压精度误差为0.1。6 结 论经过几个月的努力，终于完成了该题目的设计，综合叙述了现阶段PWM电源开关及产品的国内外发展状况，并且针对设计的任务和要求，确定了分析设计电源开关的思路。完成了样机的制作与调试。 本文一开始对线性电源与脉冲宽度调制电源进行比较并分析，接着对于两者的主要芯片进行分析，介绍了它们的特性及测试原理，更全面的了解了脉冲宽度调制电源的系统，又因为电源的主要的衡量标准就是高功率低功耗，所以对脉冲宽度调制芯片，影响其功率的问题做了进一步的分析，并以目前的现有的PWM电源的主要参数进行了验证。而后又提出了快捷设计脉冲宽度调制电源（以LD7575为其IC芯片

46、），最后进行了仿真验证。该毕业设计的不足之处，未考虑脉冲宽度调制电源的散热问题，以及电压电流的的大幅度改变，所以在电磁干扰抑制也是要进行多方面的研究的，日后还需要努力学习这几个方面的知识，争取将系统得以实现完美的。谢 辞时间飞逝，借着论文完成之际，我要衷心的感谢我身边的所有人，感谢在本设计及其写论文工程中给我指导和帮助的人，在这里我由衷的感谢我的导师张淏老师，是他给了我很大的鼓励与信心使有动力完成这次毕业设计，老师也给我很多参考资料，同时教我如何向他人学习怎么写好论文，非常感谢。他严谨的治学精神，脚踏实地的教学态度，认真的科学态度，追求完美的工作态度，深刻的感染和激励着我。在开始选题做毕业设计

47、时，我还是茫然不知自己能做什么，而当你选择一个自己不熟悉的东西进行制作时，你只能不断地逼自己去弄懂它，并且克服困难完成它。然后，着手去寻找实现它的不同方案，再进行对比，判断哪个方案自己能去完成它，多谢老师都能够耐心并且细心的给我讲解，并为我指点迷津，开拓我的思维，拓展我的知识，让我的知识更加的完善，使我在设计过程中能够一一克服困难，最后终于把论文给写好了。在武夷学院机电工程系这个大家庭中我学到了很多，也不断地成长着。在大学里，我们就是一个成年人，什么事情只能靠你自己，想要学习就要自觉，懂得自学。感谢着四年给我带来的经历与知识，也感谢老师们的教导。让我逐渐的走向成熟和稳重，同时使我知识和眼界更高

48、一层，还有在做论文和设计的时候查找的资料，最后真心的感谢参加论文真诚审核的老师及其给我们答辩的老师，谢谢你们对我们的成果的肯定，我们一定再接再厉，努力的做得更好，绝对不会让你们失望，我们要做一个对社会有用的人才。参 考 文 献1 张明辉,戴远征,罗昕,喻俊志,胡斌.棉花打顶机无线遥控电源开关控制系统设计研究J.中国农机化学报,2014,02:286-289.2 徐敏,程立松.用三角波控制开关电源开关晶体管工作方法的研究J.九江职业技术学院学报,2014,01:14-15.3 司明.一种开关电源PWM控制电路设计D.辽宁大学,2013.4 刘向军,王志强,张志枫,张培铭.基于CAN总线的新型磁保

49、持汽车电源开关的研究J.电工电能新技术,2011,01:69-73.5 张杰. PWM开关电源的实用分析与设计技术D.苏州大学,2009.6 张晓冰,张昌玉,任美辉,梁原华.程控电度表校验台PWM电源关键技术的研究A. 中国电工技术学会电工测试专业委员会,2008:5.7 冯浩,陈永校,冈田昌丈.方波PWM电源驱动的纯单相异步电动机振动转矩及其测量J.微特电机,1997,04:14-17.8 乔兴忠,黄延霞.关于高压断路器的控制电源开关(保险)在倒闸操作中的应用A.全国发电机组技术协作会,2007:2.9 蒯剑.开关频率优化配置PWM电源控制器的研究J. 电力电子技术, 2005,01:101

50、-102. 10 高政.基于分时控制的感应加热电源开关损耗的研究D.天津大学,2012.11 张川,郎君,朱莹,何书专,杨盛光. PWM电源管理芯片的全定制版图设计J. 电子测量技术,2007,03:137-139.12 丁伟.基于空间矢量调制的矩阵式变换器的研制D.湘潭大学,2002.13 丛力.焊接床身与铸造床身的动态性能研究D.大连海事大学,2003.14 侯润石.软开关式逆变弧焊电源的研究D.江苏科技大学,2005.15 李清源.离子溅射用高频PWM电源及其控制系统设计D.清华大学,2003.16 古淑荣. 2/3/4相降压型PWM电源控制芯片的研究与设计D.浙江大学, 2007.17 王晓燕,程志光,李琳,马光. PWM电源激励下取向硅钢片磁特性测量与动态磁滞模拟方法J.中国电机工程学报,2013,30:153-15818 任俊.一种低功耗电流模式开关电源电路的研究D.电子科技大学,2006.19 李翔.基于两级功率变换拓扑的高效率DC-DC变换器研究D.南京理工大学,2012.20 宋艳.单端正激式高频开关电源设计D.西安电子科技大学,2010.21 张杰,钱敏,李文石.测试接口原理与电源芯片应用案例J.中国集成电路,2007,02