大连理工大学网络教育学院
本 科 生 毕 业 论 文（设 计）
题 目： 开关电源的设计
层 次： 专科起点本科
专 业： 工程管理
年 级： 年 季
学 号：
学 生：
指导教师：
完成日期： 2022年4月28日
开关电源相对于线性电源具有效率、体积、重量等方面的优势，尤其是高频开关电源正变得更轻，更小，效率更高，也更可靠，这使得高频开关电源成为了应用最广泛的电源。
本文主要论述开关电源原理及设计方法。本文设计的反激电源采用的主控芯片L6561采用临界导通模式，在单级结构上既实现了功率因数的校正，又完成DC/DC级的降压和高低压的电气隔离。在此基础上，本文主要完成的工作有主电路的拓扑选择及参数计算、变压器的设计、驱动电路以及过流过压保护电路设计等。通过实验结果验证效率和功率因数均达到要求。
关键词：反激电源；功率因数；电力电子
目 录
1.1 课题的背景及意义
电源是保证电气设备正常、可靠、稳定工作不可或缺的重要组成部分[1]。开关电源(Switch Mode Power Supply，SMPS)是通过开关管关断和导通实现电压和电流变换的装置，随着世界经济全球化和我国国民经济的快速发展，电力、家电、冶金、信息、通信、航天、国防、化工及有色加工等行业对开关电源的用量需求越来越大，品质要求也越来越高。统计数据显示从2004年至2010年每年全球开关电源市场销售额平均保持15%左右的幅度增长，据中国电源学会及ICT research预测，2015年中国电源产业产值将达到2156亿元，开关电源产值将达到1875亿元。2011- 2015年年均复合增长13.39%[2]，开源电源市场虽然前景诱人，但目前高端市场主要为国际品牌掌握，国内品牌需要在产品电路设计、质量控制、可靠性方面继续加强，方能占据这个大市场。
1.2 国内外研发状况与发展方向
自20世纪50年代开关电源问世以来，经过半个多世纪的发展，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于LED照明、工业自动化控制、军工设备、科研设备、工控设备、计算机等领域中。
开关电源发明于上世纪六十年代，至今已经有50多年的发展史。最早期的开关电源技术并不成熟，例如，可控桂相位控制开关和分立元件开关电源，他们的开关频率较低，结构复杂，很难调试和操作，而且造价较高，所以并没有得到广泛使用，只运用在国防、航天等场合[3]。直到70世纪开始出现了脉宽调制型开关，才使得开关电源器件得到了广泛地使用。随着技术的发展，IGBT和MOS开关管问世。IGBT技术解决了早期开关频率较低的问题，将电源的工作频率由20kHz扩展至几百千Hz至几兆Hz，使开关电源可以在中大功率电器中使用，MOS管技术的运用提高了电源的工作频率，大大提升了开关电源的效率。上世纪末，同步整流技术也被运用到开关电源中，使得开关电源的效率进一步得到了极大的提升。各种新型技术的使用都开关电源的性能不断地得到提升[4]。
开关电源的优点：
(1)功耗小，效率高。在开关电源电路中，功率开关管在激励信号的作用下，始终在高速的开关状态下工作。功率开关管的开关速度很快，频率在五十千赫兹以上。使开关管的功耗更小，大大提高了电源的效率，普遍在80%以上。
(2)体积小质量轻。在开关电源电路中没有采用大体积笨重的工频变压器；同时在开关管上的功率损耗降低了，设计中省去了较大的金属散热片。这两方面加速了开关电源向小型化和模块化的发展。
(3)输入电压范围宽，稳压效果好。根据开关电源的工作原理可知，开关电源输出电压信号的稳定是靠激励信号控制功率管的导通和截止来实现的，而输入的电压信号的变化可以由调节频率或者调节占空比来补偿。这样，外界因素引起的输入电压的变化时，仍能有效的保证输出稳定的电压值。所以说开关电源的稳压范围比较宽，稳压的效果也比较好。
(4)滤波的效率高。开关电源的工作频率与线性稳压电源相比频率提高了1000 倍以上，所以电路整流后的滤波效率也同样提高了 1000 倍以上。
(5)电路形式灵活多样。开关电源的形式根据不同的分类方式可分为调宽型和调频型；自激式和他激式；单端式和双端式等。在开关电源的设计中可以充分发挥不同类型电路在不同应用场合的优势，也可以采用多种类型电路组合的方式设计出更好的 LED 驱动电源。
开关电源的缺点：开关干扰是开关电源不可避免的，而且是比较严重的缺点。在开关电源中，由于功率开关管始终交替地工作在高速开关状态，在其导通和截止的过程中会产生不同类型的干扰，这些干扰有时会严重地影响整个系统的正常工作。因此，必须要采取一定的措施来抑制、屏蔽和消除这些干扰[5]。由于技术和材料上的原因制约了开关电源的进一步发展，开关电源的造价还很高，开关电源的可靠性和推广也受到了很大影响。因此开关电源的使用还不是很普遍，许多电子仪器和设备中还没有应用这项技术。开关电源的另外一个缺点是电路结构比较复杂，可靠性不高，维修也比较麻烦。因此，在设计和制造的过程中必须予以充分的重视，否则将会直接影响到开关电源的推广和应用。
1.3 开关电源控制方式研究现状
DC/DC 变换器的控制方式可以分为电流控制模式和电压控制模式两种[40]。这两种控制方式都含有输出电压调节器和电压反馈。这两种控制模式的区别在于在电流模式控制系统中，除了含有电压反馈控制环以外，还多了一个电流控制内环。这两种模式的控制方法的原理对于 PWM 和 PFM 调制方式是相同的。因为本文采用的是 PWM 调制方式，因此下面主要研究在 PWM 调制方式下两种模式的原理以及一些相关性能[6]。
(1)电压型控制
电压型控制（Voltage-Mode Control）是 DC/DC 变换器中最基本的一种控制模式，其它类型的控制模式，大多是在此基础上发展起来的。系统通过对输出电压 Vo 进行分压得到一个反馈电压 VFB，该反馈电压值与事先设定的基准电压 Vref经过电路中的误差放大器进行比较放大，从而得到一个误差信号（控制）Uerror，然后，在 PWM 比较器的作用下，将得到的误差电压信号与锯齿波发生器发出的锯齿波信号进行处理后，将连续的模拟电压信号转换为 PWM 开关脉冲信号，外部功率开关管会随着 PWM 脉冲信号的变化而变化。采样电压 VFB的变化会导致 PWM 比较器输出的 PWM 脉冲信号的宽度改变。当负载电压需要增大时，输出 PWM 脉冲宽度变大，当负载电压需要减小时，输出 PWM 脉冲宽度也随之减小，从而输出电压得到了有效的调节控制[7]。由原理图可知该电压反馈控制模式是单环控制系统，在其对电压调节的过程中，电感电流是一个独立的量，在控制过程没有参与工作，因此也就没有电流反馈信号。这也是电压控制型的缺陷，由于输出电流要流经电感，因此会有相位的延迟。采用电压控制型对输出信号进行调节的方式，稳压响应速度较慢慢，而且稳定性较差，严重时还会造成功率开关管的损坏等。另外，电压控制模式的优点是系统只有一个控制环、设计分析方法比较简单、电路的成本比较低、体积较小，而且抗干扰能力也比较强。
(2)电流控制模式
由于电压控制系统中电流没有参与，因此在其基础上发展了新的电流控制型反馈控制模式。它在电压反馈模型的基础上又增加了一个内部的电流反馈环，使整个系统由原来的单环系统变成了一个双环控制系统。电流控制型的工作原理是在电压模式的基础上，通过对检测输出电感电流信号 Us 采样后，通过与误差电压 Ue（Ue 的产生与电压控制型一样）进行比较输出 PWM 脉冲信号[8]。该脉冲脉冲信号与恒频时钟脉冲置位锁存振荡器发出的信号一起作用到 RS 触发器，通过 RS 触发器产生一个脉冲信号驱动功率管导通，实现了对输出电流信号的调节。当电流在采样电阻 Rs 上的电压值达到 Us 时，比较器输出的脉冲信号反相，这时功率开关管截止。整个系统就是这样持续地检测和调节系统输出稳定电压电流信号的。
1.4 论文主要工作
开关电源具有效率高、体积小、重量轻等显著特点[9]。目前世界各国都有广泛的应用，特别是对大容量高频开关电源的研究和开发已成为当今电力电子学的主要研究领域，并派生了很多新的研究方向。在保证开关电源高频率工作的前提下，有效降低功率损耗是当今开关电源的一项重要的技术要求，而模块化所具有的优势决定了其必然是电源发展的一个总体的趋势。随着我国电子行业的迅猛发展和电力电子技术的提高，开关电源也在得到不断地改进和发展，今后必将在各个行业发挥更加重要的作用。本文主要对开关电源的电路构成、工作过程进行分析，对主要器件的参数进行选择计算，为集成电路里常用的运算及处理芯片设计符合其电压、电流等参数的小型化开关电源。
全文共分为四章，各章内容简介如下：
第一章绪论，简述课题的背景和意义、论题的国内外发展现状，介绍论文的主要内容；
第二章开关电源原理及设计方法，非隔离型 DC/DC 变换电路主要有四种： Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk电路，分别介绍了其电路及其原理；
第三章根据技术指标对开关电源展开设计。完成了有主电路的拓扑选择及参数计算、变压器的设计、驱动电路、控制电路、反馈电路、保护电路等；
本文最后对全文进行总结，并指出了研究课题的未来发展方向。
2 开关电源原理及设计方法
2.1 开关电源电路结构及原理
开关电源实际上就是将晶体管、功率MOSFET、IGBT当作开关使用，通过控制电路使功率器件不断的“开”和“关”将电源输入的能量截成一个一个的能量包，然后通过电感电容等元器件进行传输，并按要求在电源系统中调整和转换这些能量包[10]。开关电源按其拓扑结构可分为AC/DC和DC/DC两大类。DC/DC变换器现已实现模块化，并且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，已得到广大用户的认可；但AC/DC变换器因其自身特性使得在模块化的进程中遇到较复杂的技术和工艺制造问题。图2.1所示是开关电源电路的典型结构。
图2.1 开关电源电路的典型结构
2.2 非隔离型 DC/DC 变换电路
非隔离型 DC/DC 变换电路主要有四种： Buck电路、Boost电路、Buck-Boost电路、Cuk电路，下面分别介绍其电路及其原理。
Buck变换器：Buck电路是把负载串联一个开关管构成的。驱动信号Ub周期地控制功率晶体管Q的导通与截止，当晶体管导通时，若忽略其饱和压降，输出电压Uo不变；当晶体管截止时，若忽略晶体管的漏电流，则可以不考虑输出电压。
| Q |
图2.2 Buck电路基本工作原理
Boost变换器：也称升压式变换器，是一种输出电压高于输入电压的单管不隔离直流变换器。
开关管Q也为PWM控制方式，但最大占空比D必须限制，不允许在D=1的状态下工作。电感Lf在输入侧，称为升压电感。Boost变换器也有CCM和DCM两种工作方式。
图2.3 Boost电路基本工作原理
反激式开关电源在控制开关接通期间不向负载提供功率输出，仅在控制开关关断期间才把存储能量转化为反电动势向负载提供输出，但控制开关的占空比为 0.5时，变压器次级线圈输出的电压的平均值约等于电压最大值的二分之一，而流过负载的电流正好等于变压器次级线圈最大电流的四分之一[11]。即电压脉动系数 等于2，电流脉动系数等于4。反激式开关电源的电压脉动系数，和正激式开关电源的脉动系数基本相同，但是电流的脉动系数是正激式开关电源的电流脉动系数的两倍。由此可知，反激式开关电源的电压和电流的输出特性要比正激式开关电源的差。特别是，反激式开关电源使用的时候，为了防止电源开关管过压击，起占空比一般都小于0.5，此时，流过变压器次级线圈的电流会出现断续，电压和电流的脉动系数都会增加，其电压和电流的输出特性将会变得更差。
