36V15A直流高频开关电源的设计.docx

南京信息职业技术学院毕业设计论文作者 岳园 学号 11522P22 系部 电子信息学院 专业 无线电专业 题目 36V15A直流高频开关电源的设计 指导教师 王抗美 评阅教师 王抗美 完成时间： 2017 年 4 月20日 毕业设计(论文)中文摘要题目：36V15A直流高频开关电源的设计 摘要：就当前而言，开关的电源的发展方向为：高频、低耗能、噪音小以及抵抗干扰能力强等，这次设计的目的在于探索设计一款电源，它采用的是36伏/25安高频直流开关，主要常用于通信系统。这篇论文采取先设计出此开关电源主电路，随后分析论证了如何在移相全桥电路中使用零电压软开关，这种开关技术用PWM移相进行控制，具体实现为来自于UC3875相移芯片的有相序特征的脉冲信号，进而可以刺激MOSFET管并使其开始工作。在本次设计中，进行了整流电路的有关研究，该整流电路用于电流输出，并同时也开展了相关的高频变压器的相关设计。其次是在设计过程中，考虑了对控制电路的设计，这种控制电路主要用于开关的通信电源，由UC3875相移芯片进行控制，以达到限制电流稳定电压的作用，控制系统主要采用闭环控制的方式进行。除此以外还设计了保护电路，主要用于防止超压、过电流保护，还设计了系统的过热处理等。再就是用仿真系统对设计系统进行了验证，用到的是SABER软件，最终验证设计不存在问题。关键词：软开关， UC3875，移相控制毕业设计(论文)外文摘要Title :Design of 36V15A DC high frequency switching power supplyAbstract:At present, the switching power supply is developing towards high frequency, high reliability, low power consumption, low noise, anti-interference and modularization. This paper designs a 36V/25A DC high frequency switching power supply which is often used in communication systemThe main circuit of this paper on the high frequency switching power supply is designed, analyzed the application of zero voltage soft switching technology in phase shifted full bridge circuit, soft switching technology with phase shifted PWM control, pulse to trigger the MOSFET tube has a certain phase by phase shifting chip UC3875. In the design of the main circuit, for the design of high frequency transformer, and the output rectifier circuit is analyzed, the research and design.Secondly, the control circuit of switch power supply of communication are designed. The control circuit takes the UC3875 chip as the control core, using the closed-loop control mode, system voltage and current limit. In addition, the overcurrent protection and control system of overvoltage protection, overheat protection circuit protection circuit are designed.Finally, the system is simulated and validated by SABER simulation software, and the simulation results show the correctness of the designkeywords:Soft switching, UC3875, phase shift control1 绪论81.1课题背景目的及意义81.1.1 课题的背景81.1.2开关通信电源系统的介绍81.2 高频开关电源的发展81.3 本文的主要工作102 高频开关电源主电路的设计与实现132.1 高频开关电源的技术指标132.2 系统原理及基本框图132.3 主电路元件参数的选择153 高频开关电源控制电路的硬件设计与实现173.1 移相控制芯片UC3875173.1.1 简介173.1.2 UC3875电气特性173.2 保护电路的设计173.3 辅助电源设计183.4 本章小结183.6 硬件电路调试19结论24致谢25参考文献26附录271 绪论1.1课题背景目的及意义1.1.1 课题的背景高频开关电源随着功率电子技术的进步而在各个领域都得到广泛应用，能够利用数台开关电源并联来实现大功率的负载，这是它的必要要求，用单台电源一样能达到，但是必须要具备大功率的特点，然而后者存在设计难、成本高、制备困难的特点，除此以外系统的稳定可靠性还不够好，而前者却能有效避开这些问题。多台开关电源的并联系统除了具有输出功率具有可扩展性，冗余技术的优点外，分布式的电源系统由于还相当灵活，能够很大程度上增强模块的开关频率，从而能够不断增加模块的功率密度，减小电源的体积以及重量。1.1.2开关通信电源系统的介绍通信设备的“心脏”开关通信电源是通信设备的重要组成部分之一，通信电源每年发生的故障造成了很大的损失，为了不让这类故障产生或尽量减少产生数量，让电源正常供电，借助于开关整流器，由蓄电池组和其他多种电源为开关通信电源提供36V电源，通信设备需要的其他电压，比如5V和12V等直流电则由直流变换器产生。1.2 高频开关电源的发展1.2.1 技术发展目前高频电源应用广泛，正逐步取代相控电源，而后者是我国通信和国防等领域此前的主要应用。新型磁性材料和新型变压器的发明实现了开关电源小型化，借助于专门开发的控制芯片、电磁干扰滤波器、新型电容器技术，电磁兼容性能得到显著提升，微处理器监控技术满足了对其性能的期待。借助于集成控制、驱动、电路保护等功能，使得整机的集成生产得以实现，因此开关电源集成化发展是一个必然的发展方向，其优点就是降低了设备的重量和大小，精简了设备的外部连线，减少了焊接头，增强了产品的可靠程度。1.2.2. 生产发展民族产业在我国开关领域起着主导作用，在最初的发展阶段，生产开关的主要是一些小作坊，接下来的二十年，开关逐步进入规模化生产阶段，从产品种类上来说，也由最初的单一品种向多功能、系列化方向发展。我国目前已经出现一些产值上亿甚至十亿以上的电企业，有的电源企业已走向国际。1.2.3. 市场发展随着国防和电信、家电和信息等行业的飞速进步，我国电源行业也得到了迅猛的进步，其巨大的消费市场导致大量的电源生产企业出现。目前国内规模化的生产厂家有10几家，就其类别主要有三种：第一种企业自主研发，这类企业实力较强，能生产出高质量的电源产品用于各行各业，并且还广泛应用于电力与铁路以及航空和国防甚至是家电行业。第二种是合资企业。这类企业技术比较先进，采用国外技术，国人也比较信任这类品牌。第三种是国外部件在国内组装。这类公司产品质量好一般卖给国外用户，但由于其价格高，在国内并没有好的市场需求。目前电源市场容量达到几十亿，但却吸引了多达数百家的企业进行生产经营，同时大量的外企和国外产品已经涌入这个市场，竞争越来越激烈，以后比的是品牌，拼的是技术和质量以及售后服务。激烈的竞争、市场的进化将导致适应不了变化的中小企业逐渐消失，而适应性较强的大型企业顺势重组和分化，通过产品的整合和互动，在激烈的竞争中保持不败地位。1.2.4. 标准制定上世纪90年代，我国有通信用高频开关整流器通信局（站）电源系统总技术这些行业标准，它们在最初的高频开关生产和服务中都有很大的作用，电信行业的推广高频开关的过程中有着举足轻重的作用，而这个时候正是高频开关的起步阶段。到目前高频开关市场越来越大，人们对其智能化发展的期望越来越高，相应标准即通信电源监控也陆续出台。技术和经验的发展与积累，对我国的标准提出了新的要求，一些指标和方法急需要修订，需要增加一些诸如电磁兼容和动态响应等新内容，只有这样才能把好高频开关质量关。1.3 本文的主要工作就对于当前而言，在开关中有关的电源可以分为两类，其一为高频类型，另一种是相控电源，后者功率变换器主要采用晶闸管。随着技术的进步，高频开关电源已有逐渐取代相控电源的发展势头，这不光是体现在目前主要使用高频开关电源的中小功率直流电源领域，更是在大功率直流电源领域亦有相似发展趋势。高频开关电源目前占据着市场主力位置，其原因主要在于高频开关输出波动小并且功率密度高。而就其种类也由于控制电路和功率变换器不同而种类繁多。比如IGBT功率变换器，由于其电阻小、电流大，主要用于较大功率电源应用，不过IGBT功率变换器的开关时间与MOSFET功率器有所不同，它耗时比较长，不利用作高频产品。MOSFET功率器则不同于IGBT功率器，由于效率的提高，使得时间明显的减少，因此产品的频率较高，能够提升至MHz，并且运行的范围也很广，并且具有漏源二极管，其优点是功率密度大而体积小，但其额定电流不能太高，因为MOSFET功率管电阻较大。本文选择MOSFET功率管作为功率器件，能适用于36V/25A高频电源开关设计开发的技术要求。设计高频电源开关基本思路一样，尽管具体方案设计不尽相同，而对电源开关设计目前有两种思路，一是软硬件结合实现功能，单纯的硬件难以实现全部功能，必须借助于软件。另一种是通过硬件设计达到目的，这种设计出来的产品一般功能相对简单，但有点是响应迅速，结构不复杂，常常用于小功率开关电源。对于主电路的设计工作而言，其位于整个开关设计工作的重点位置，一方面主电路为整个开关的基础框架，此外，主电路对于开关而言是关键的组件。为达到设计功能效果，必须对主电路的技术参数和结构进行有效而合理的设计，否则会引发系统故障，从而降低产品的可靠与安全性能，达不到预期功效。对于单相交流电而言，通过相关设备的整流以及滤波的作用后，再通过过DC/DC变换器调整电压，从而得到所需电压。直流变换器又可以因功率管和结构的差异分为升压式、降压式以及正激变换器多种型号等。关于选择主电路的类型而言，笔者选择大功率移相全桥直流变换电路，使得实现稳定电压以及将电流限制在一定范围内，这个系统的优势为能够改变输出的电压值。高频电源开关的全波整流电路将交流电压整流形成波形输出，并借助于LC滤波功能，形成具有小波纹输出的直流电压，并且借助于谐振器件在变换电路中设计出零电压软开关，从而降低了开关损耗。本论文主要内容如下：1.主电路的设计。借助于功率器件的电容、谐振电感设计，实现零电压开通功能，从而降低开关电能损耗，并采用全桥直流变换电路作为主电路。 2.借助于UC3875芯片为控制核心实现移相全桥控制电路。 3.为增强设计可靠性，设计了过压保护、过温保护以及过流保护等保护电路。2 高频开关电源主电路的设计与实现2.1 高频开关电源的技术指标依据实际的情况，应当确保电源的正常工作条件，并且该电源应当具备相应的技术指标。详细的指标间下面所示： 1.输入电压为单相50Hz，220VAC；2.输出直流电压：额定电压为36V，最大输出电压为60V，连续可调；3.输出电流：025A，连续可调；4.输出电压精度：2%；5.输出电流精度：2%；6.转换效率： 90%；7.纹波系数：0.1%；8.工作环境温度：-545。2.2 系统原理及基本框图根据工作环境的具体情况，对系统各部分进行分开化简，按照技术要求设计其结构框图如下：2.2.1输入整流电路的设计逆变桥工作需要稳定的直流电压，而经过滤波和整流后的单相交流电符合这一条件。实际设计中，避免使用串联电容的方法来降低其承压，而是采用电容并联的方式来滤波，这主要是因为常用电解电容承压可达450伏，而经过整流处理后的直流电电压不超过380伏，在电容承压范围以内。2.2.2直流变换器的设计常见直流/直流变换器的开关元器件通常采用硬开关的模式，而这种模式可能会在实际应用中出现以下问题。第一是开关操作过程中能耗较大，这就使得开关的频率不能做太高，并且还有个缺点就是变压器通常较大。第二是由于在开关断开的时候会产生瞬时分布电感，开关开闭过程中相应元器件承受着较大感应压力。最后就是电路中两个功率管存在同一时间接通的情况，而这样的功率管位于全桥电路中的同一个桥臂上。文中采用FB-ZVS-PWM变换电路设计，即移相全桥零电压软开关脉宽调制变换电路，设计优点在于电路开关频率保持不变，并且其开关能耗小，就像一般准谐振开关一样。移相控制电路的设计，即用谐振元件在换流期间零电压开通元器件，相比于全桥电路，有效降低了开关能好，提高了元器件开闭效率，开关采用这种设计其频率可达到50千赫兹至100千赫兹。2.2.3输出整流电路的设计对于输出整流电路而言，普遍使用的类型分为两类。其一，可称为全桥整流类型，主要构件为四个相关的二极管；其二，可称为全桥整流类型，主要的构件为两个相关的二极管。对于需要相对大点的电压，并且对电流的要求不大，通常使用全桥整流；对于电流要求较高、电压的要求不高时，通常使用全波整流，其优势为损耗较低。转换效率较高。详细的示意图详见图2-4和图2-5。其中，Tr为高频变压器，Lf为输出滤波电感，为输出滤波电容，Df为整流二极管，Cf，Rf构成RC吸收电路15。电源输出电压不高，最大电压仅60伏，该特点要求不需要承压太高的二极管，为降低设计成本，电源采用全波整流电流设计，这主要是因为这种电路工作效率高的缘故。2.3 主电路元件参数的选择2.3.1输入电路参数的选择一般而言，通常把单相220V交流电作为中小功率的电源的输入电源； 另外通常把三相220V交流作为大功率电源的输入电源。本次设计的电源使用的是居民标准用电，即220V/50Hz，通过相关全桥整流便可转化为直流电Vin，并且采用滤波电容进而使得该直流电稳定，降低该电流的脉动幅度。2.3.2高频变压器的设计对于通信开关电源而言，其组成部件之一的高频变压器应具备以下几个功能：其一，电气分隔功能；其二，降低电压的功能；其三，具备相应的软开关功能。在开展高频变压器设计工作的时候，应当充分考虑到所有能够改变变压器工作能力的因素，比如磁体的材料、工艺是否达到要求等因素。对于高频变压器而言，在开展相关设计工作的时候，应当做到以下几点：变压器初、次级绕组变比应满足要求，意味着即便输入电源的电压很低，但是经过变压器的作用得到的输出电压仍然能达到要求。在输入的电压达到峰值的时候，即便占空比很高，但是对于磁芯而言，并不会呈现饱和的状态。在处于最高功率的工作状态时，温度没有超过规定的区间。初、次级绕组的损耗应相等，铜损与铁损也应相等，损耗应足够低。初、次级绕组之间的漏感应适当小。符合必要的安全规格。依据上面的几点指标，本次设计主要涉及磁芯的材料、相关的变压器变比计算等方面。2.3.3输出滤波电感的设计对于DC/DC全桥变换器而言，电流在变压以及整流的作用下，转换成方波电压。站在滤波的角度而言，可以将这类作用视为BUCK变换器。处于工作状态的频率是开关频率的两倍左右，因此可以依照BUCK变换器的相关方程进行对应的计算。2.3.4输出滤波电容的选择对于滤波电容而言，在择取的时候除了要计算电容值是否满足，并且应当计算该电容的等效电阻是多大，以及对应的电压耐受极限是多少。因此，可以看出对于输出电容而言，其应当具备较小的ESR，进而能够达到相关的要求，例如负载动态响应等；并且具备较大的ESR，进而能够使得整个电路稳定可靠。此外，电容应当具备一定的富余量，进而能够达到相关的储能要求。相关的计算方程详见下面所示： 令输出电压交流纹波峰峰值为，代入公式得到：电容的等效阻抗为：式中：V为输出电压纹波的有效值；为输出电流纹波的峰峰值，一般为输出电流额定值的20%。代入参数，得到：查电解电容的手册，选用四个容量为220uF/250V的电解电容并联使用。2.3.5功率器件的选择对于主电路而言，其拓扑电路详见图2-3经过整流等相关处理后，能够使得直流电压的峰值达到358V。另外，对于开关而言，其额定的电压的大小通常会大于直流母线中电流的电压值，并且会超过两倍以上。对于本次设计的电路而言，其额电压能够使用700V以上的电源,此外经过滤波后得到的电流的峰值能够达到27.5A,可以推到出原边电流的峰值为A，这也是功率管中最大的电流。由于需要满足两倍的余量要求，因此使用额定电流为20A的开关。在充分考虑电压以及电流的影响下，本次设计的开关管采用IXFX27N80Q，其中漏源电压的数值是800V，允许通过的最大的电流是27A。对于本次设计的开关而言，其频率大小是85KHz ，其中对于二极管的选择采用快恢复二极管。变压器的副边是全波整流电路，加在整流管上的反向电压为=(2×358)/2.75=260V。当整流管闭合以及断开的时候会存在某种程度上的电压波动，在考虑到两倍余量的基础上，应该使用耐压极限超过520V的二极管，而且整流管内的电流大小为27.5A。依据反向的电压值以及用过的最大电流，在选择二极管方面可以考虑使用DSEI60-06C二极管，这种二极管的耐压极限电压为600V，此时通过的电流是60A，并且恢复较快仅为35ns。3 高频开关电源控制电路的硬件设计与实现3.1 移相控制芯片UC38753.1.1 简介UC3875软开关电源移相PWM控制集成电路，对两个半桥开关电路得相位移动控制，实现半桥功率级得恒频PWM控制，借助开关器件得输出电容冲放电，在输出电容放电结束的状态下完成零电压开通。3.1.2 UC3875电气特性可实现0-100%占空比控制实用的开关频率可达2MHz两个半桥输出的导通延时都可单独编程欠压锁定功能软启动控制功能锁定后的过电流比较器在整个工作周期内均可重新启动适用与电压拓扑与电流拓扑4个2A图腾柱式输出级10MHz误差放大器在欠压锁定期间输出自动变为低电平启动电流只有150uA5A基准电压可微调3.2保护电路的设计在电路设计中考虑到了保护设计，其目的在于保护开关电源在通常使用以及发生突发情况时不被损坏。该电路设计时考虑到主电路在发生故障时能够立即中断工作，所以，他既要实现保护自己正常工作，还要保证负载元器件的正常工作，如此一来，一旦电源运行中发生故障时，其本身不会受到损害，其负载元器件亦不会因为这个故障而坏掉，在具体设计过程中，有防止功率管过热设计，还有输出过压与限流的保护设计。图3-4为保护电路图。在设计中，保护电路运用UC3875电流比较器（移相控制芯片中）将保护电路转换后连接到电流检测端C/S+（UC3875里），这些保护电路包括输出电压和电流以及温度等，最终保护全电路平稳运行。3.3辅助电源设计辅助电源的相关电路详见 3.4 本章小结本章将UC3875芯片作为设计核心，设计了高频开关电源的外围电路及其本身的控制电路，随后设计的保护电路实现了保护它不被温度过高、电压过大以及电流过大的作用，设计过程涉及众多元器件，比如电压比较器和电压跟随器以及光电耦合器等，再就是设计了相应的辅助电源。3.6 硬件电路调试模块制作，组装及调试流程图如图5-1所示。Y功电源焊接指示灯亮？成功第一步 ：N功检查测试晶振起振单片机焊接第二步 ：基准电压测试数据采集模块焊接第三步 ：人机模块焊接检测键盘路测，显示测试第四步 ：ISP下载模块焊接警报电路焊接第五步 :检查测试图5-1 硬件调试流程4电路的仿真及分析仿真：输入电压40V，输出电压10V。仿真电路如下：图4-1 仿真电路图4-2为仿真波形图，图(a)为原边电压波形，输出电压为10V，特点是震荡在功率管打开时比较小，其原因在于谐振电感使用的比较小的变压器的漏感。（c）图显示的是变压器副边波形，通过设计吸收回路的相关参数来降低功率管打开时引发的震荡。这两图相比较，可看出变压器副边占空比发生丢失的情况产生。图（b）为原边电流波形图，图（d）显示电压恒定，可看出是直流输出，证明仿真结论正确。(e)是开关管驱动波形，设计为防止相同桥臂导通而引起电流过大导致短路，由图可看出同一臂上两个相同管不能同时驱动，而是驱动不同臂的两个MOSFET管。由图（f）是滞后臂的一个管漏源极的电压波形，由图可知漏源极电压在驱动电压变正时已经归零，此时反并二极管在其内部已经开通，这个时候就是零电压开通；在开关管断开时候，电容抑制了的升高，此时是零电压关段开关管的，从而使得零电压开关开关管在移相控制设计中得以实现。（a）变换器原边电压波形（b）变换器原边电流波形(c) 变换器副边波形（d）输出电压波形（e）开关管的驱动波形（f）滞后臂的一个管漏源极的电压波形图4-2 仿真波形结论我的这篇文章主要研究和设计了36V/25A的开关通信电源，并对其进行了仿真。通过一系列研究讨论后，有以下几点结果：1.认识了当前开关型整流器在通信系统中的状况和它未来将要成长的方向。2.通过本课题的相关设计工作，探究了关于在通讯系统中使用的直流高频开关的特点。该开关电源的大部分电路回路是在借鉴移相全桥电路的基础上，开展相关的设计工作。在输出类型方面，考虑使用全波整流电路。在本次的设计过程中，对于谐振电路方面主要使用变压器的漏感、输出滤波的电感、桥路中的电容，达到了降低开关管耗损的目的，便能够0电压开通功率管。与此同时，还研究讨论了滞后桥臂难以达到零电压的问题。3.在电路控制方面，采用闭环控制这种方式。在关于如何选择控制系统的核心芯片方面，本次设计选择UC3875芯片，这样可以让我设计的开关通信电源性能更加可靠，更加稳定。同时，本文还设计说明了过流、过压、过热这三项保护电路涉及到的电路。4.通过对电路的仿真设计，获得其仿真波形，且分析和说明了波形情况。致谢这篇毕业设计论文完成得到了我的指导老师王抗美对我进行的认真指导。从对本文章课题的选择开始，到资料的收集和整理，到整个研论过程，到最后在论文的研究方法以及成文定稿方面，我都得到了王抗美老师无微不至的帮助，过程中，他耗费了相当大的精力，他以自己真诚的态度，广博的学识，严谨的治学精神教会我认真的意义，在此我真诚表示对老师的感谢。参考文献1侯振义.直流开关电源技术及应用.北京：电子工业出版社,2006.42华伟，周文定.现代电力电子器件及其应用.北京：北方交通大学出版社、清华大学出版社,2002.178-1343周志敏，周纪海，纪爱华.现代开关电源控制电路设计及应用.北京：人民邮电出报社，2005.54 Moussaoui, Z.；Batarseh, I.；Lee, H.;Kennedy, C. 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