2022年曹向丽高压开关电路的设计与应用.docx

《2022年曹向丽高压开关电路的设计与应用.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《2022年曹向丽高压开关电路的设计与应用.docx（16页珍藏版）》请在淘文阁 - 分享文档赚钱的网站上搜索。

1、中国石油高校（华东）现代远程训练毕业设计（论文）题目： 高压开关电路地设计与应用学习中心： 重庆信息工程专修学院奥鹏学习中心年级专业： 0509 级电子信息工程同学姓名： 曹向丽学 号： 0541580189指导老师： 杨秀珍 职 称： 讲师导师单位： 重庆信息工程专修学院中国石油高校（华东）远程与连续训练学院论文完成时间： 2007 年 5 月 22 日目录目录 i第 1 章前言 1第 2 章通信电源设计面临地挑战 22.1 稳压器地挑战 22.2 散热地挑战 22.3 输入噪声地挑战 22.4 低成本要求地挑战 32.5 减小功率晶体管开关缺失可以实行地措施32.6 通信电源设计新技术 4

2、2.6.1 多相技术 42.6.2 板载电源 5第 3 章 电路原理 7第 4 章电路设计要点 84.1 PWM 掌握电路 84.2 变压器驱动电路 94.3 采样反馈电路 9第 5 章 性能测试 11第 6 章 结论 12致谢 13参考文献 14第 1 章 前言随着电源技术地不断进展和成熟, 开关电源作为一种体积小、重量轻、高频、高效率地电力变换装置 , 被广泛用于各个领域 . 雷达显示器作为雷达系统地“眼睛”要求起其具有高牢靠性, 而其电源地牢靠性就要求更高.为了处理日益增加地、更为复杂地适时运算, 当今地通信系统采纳了大量地高功率运算IC, 包括 CPU、FGPAField Progra

3、mmable Gate Array即现场可编程规律门阵列 和储备器 . 对运算速度增长地需要促使时钟频率和供电电流地相应增加, 有些设备地供电电流已经超过100A. 随着供电电流地增加 , 而供电电压却反而呈下降地趋势 , 这主要是由于运算设备此时可以用很好地线宽工艺来制造. 此外, 低电压、大电流对功耗是特别敏锐地 , 所以对于电源设计者来说 , 需要采纳更先进地新器件、新技术、新材料、新工艺来逐步减小开关电源地体积和重量, 改善电气性能指标, 提高工作牢靠性 , 降低对电网地污染 , 排除对其它设备地干扰 , 增强智能化程度等是其基本进展方向 .在复印设备、医学仪器等精密电子系统中, 广泛

4、使用高电压、低电流地小功率电源 . 同时要求电源系统具有重量轻、响应速度快、稳固性好、牢靠性高等特点 . 为了上述满意精密电子系统地要求 , 设计制作了一种新型高压开关电源 . 该电源具有稳固性好、响应速度快等优点, 能广泛应用于复印设备、医学仪器等精密电子系统中.第 2 章 通信电源设计面临地挑战在当今地很多系统中 , 通信系统里线路板地成本是最昂贵地. 故而尺寸地限制 , 加上低成本和新技术挑战地压力 , 使低压、大电流电源地设计成为通信系统设计中最难任务之一 .2.1 稳压器地挑战由于供电电压不断降低 , 已经达到 1V, 即使在电源干线上低到 mV 级地纹波 , 都可能给运算设备带来很

5、大地影响 . 而大电流是产生电压纹波地主要根源 , 包括它在 PCB板走线上 , 或在电源与 CPU电源引脚间连接器上产生地 10-50mV地电压降 . 当输出电压在 l-1.5V范畴内时 , 这种电压降就显得更为重要 . 因此, 就必需在正向输出干线和输出回路 或负向输出 干线上进行电压采样 . 另外一个问题是现代地运算设备可以依据系统 发出地命令不同而使供电电流瞬时转变 , 甚至高达 20A. 这样大幅度地负载变化, 相伴着快速地电流转换速率使电压产生过冲. 为了处理这些动态负载和减小输出电容 , 必需采纳具有极其快速瞬态响应地电源.2.2 散热地挑战随着系统复杂性地增加, 系统封装地密度

6、也相应增大 . 散热成为系统硬件设计者必需面对地挑战之一. 同时, 对电压地稳固性要求苛刻地高性能地运算设备仍要求对它供电地电源进行治理. 因此, 减小电源地功耗, 排除 PCB和功率器件上地过热点是特别重要地 , 这可以防止为已经很热地运算设备增加热量 .2.3 输入噪声地挑战由于在很多通 信子系统中 , 负载电 源地分 布总 线通 常使 用3.3V,3.3V总线上地噪声必需减小, 以确保从电源总线上获得功率地逻辑设备正确工作 . 由于在降压开关电源中输入电流存在波动, 这就需要大量地输人电容或 LC 滤波器用以滤除输入噪声 . 这样地滤波电路通常会由于输出电流地增加或输人电压地降低而使体积

7、和成本增加.2.4 低成本要求地挑战成品地电源模块 , 如“砖型模块”是特别昂贵地 . 此外, 标淮电源模块对大多数应用而言, 都远远超过实际所用电源地指标要求. 因此, 定制一种模块会花费时间和额外地费用, 系统设计者应查找其他节约成本地电源.2.5 减小功率晶体管开关缺失可以实行地措施（1） 回能吸取电路：是将缓冲电容上地储能返回电源或负载,或称为无损吸取电路 .（2） 有源箱位：是将电容器上地储能 , 由功率晶体管操作 , 在所需时间加以利用 .（3） MOSFET与 IGBT 并联运行 : 利用了 IGBT 通态压降小、入们 SFET关断速度快地优点组合成一个性能优良地等效开关器件,

8、此方法可应用于各种电路 .IGBT 工作在软关断状态 , 但电路属硬开关性质 , 可用回能吸取电路减小 MOSFET地关断损耗 . 由于其帮助电路简洁 , 只要驱动脉冲协作好 , 不论在满载或空载 , 两管地工作都能自动适配 , 负载电流小时两管电流同时减小 .MOSFE中没有过大地峰值电流 , 牢靠性高 . 没有像零电压开通 ZVS和零电流转移 ZCT谐振电路全部地几乎是固定地对应于近于两倍额定负载重量地峰值电流 .（4） 零电压开通 ZVS和零电压转换 ZCT：主开关管并联一个吸取电容器 , 减小关断损耗 , 相当于回能吸取电路； ZVS 工作过程是先将电容电压放电到零 , 再开通主开关管

9、 .ZVT 是指在主开关管两端并联一个谐振电感与帮助开关管串联通路 , 来实现零电压开通地电路 .（5） 零电流关断 ZCS和零电流转换 ZCT ： ZCS 是指先将主开关管地电流减小到零 , 再关断主开关管； ZCT 是指在主开关管两端并联一个谐振电容器、谐振电感与帮助开关管串联通路, 来实现零电流关断地电路.2.6 通信电源设计新技术2.6.1 多相技术为提高电流容量 , 传统地单相方案采纳多个 MOSFET并联, 再用一个巨大地电感器滤波 , 这种方法一方面会导致在 MOSFET上产生较大地开关损耗, 且在电感器和 MOSFET焊盘上引起电流积累 , 影响 PCB板地牢靠性；另一方面 ,

10、 由于效率与开关频率都很低 , 必需使用大输出电感器 , 使瞬态响应变慢 . 多相拓扑结构基于现有地单相结构之上, 能有效解决单相结构中较大地纹波电压和较慢地瞬态响应之间地冲突, 特别适合低电压大电流精密电源地设计 . 多相技术地主要优点：降低.纹波电流地排除使输人电容、输出电感和输出电容地体积及成本输人纹波电流地排除削减了输人噪声 , 这对于 3.3V 分布式总线地应用更具有吸引力 .可达到更快地负载瞬态响应 . 由于并联输出电感可以改善瞬态响应, 比较小地等效电感可以提高输出电流地转换速率.可获得更高地效率 . 这是由干多相技术有较低地开关损耗和一样地电流分布 , 这更有助于削减热量 ,

11、提高整个系统地牢靠性 .一般来说相对于一般地单相 PWM掌握, 多相 PWM掌握 DC/DC变换器增加了一个或多个变换器 , 而且每个变换器地相位相对有肯定间隔, 如上图地两相 PWM掌握变换器地两个变换器 ON/OFF相对间隔为 180 . 工作中功率被平均安排到两个通道中 , 从而减小了各相承担地电流 , 防止了开关管、整流管、输出电感等器件过于疲惫, 发热过于集中 . 并且由于通道之间交叉开闭 , 电流相互叠加 , 大大削减了输入、输出电流纹波, 减小电磁干扰 EMI.多相 PWM掌握使输入电流有效值减小 , 可提高效率 . 在有效瞬态响应模式下 , 相位是按时间分布地 , 所获得地电流

12、斜率是全部相位斜率之和, 因此可大大缩短调剂时间 过渡时间 , 提高电源地快速瞬态响应才能.2.6.2 板载电源在低电压大电流电源应用中 , 由于每个板上地电源额定功率可以依据实际消耗地功率很简洁地调整 , 电源地成本和体积就可以减小. 因而板载电源已成为必定趋势 , 与标准电源模块相比 , 板载电源具有以下优势：（1） 更强地负载调剂才能：板载电源不存在电源输出与负载之间地互联电阻和电感 , 可以获得更好地直流和瞬态调剂成效 .（2） 更高地效率：板载电源排除了电源连接器上地传导损耗, 而且可以使用接地层和其它直流电源层传导直流电源, 接地层和其它直流电源层地阻抗低于电源模块地阻抗 , 从而

13、降低了 PCB引线上地传导损耗 , 使电源具有更高地效率 .（3） 更好地散热治理：对板载电源而言, 整个系统电路板起到了散热器地作用 , 因此, 热点位置地温度要比电源模块上地低得多, 从而提高了系统地长期牢靠性 .（4）更低地成本：板载电源地额定功率可以依据实际功率需要来确 定, 另外, 它仍节约了大电留恋接器 , 在抱负地瞬态调剂才能下 , 仅使用单个或几个输出去耦电容, 就能达到抱负地性能要求 , 因此, 与标准大功率电源模块相比 , 板载电源成本更低、体积更小 .第 3 章电路原理系统原理框图如图3-1 所示. 高压电源地输入信号来自220V地沟通市电 , 经整流滤波后与 PWM脉冲

14、调制器地输出信号一起驱动高频变压器, 通过高频变压器得到地高压电源再经整流滤波后, 输出直流高压 .输出反馈信号经光电隔离后反馈给脉冲调制器, 通过与脉冲调制器中误差放大器地基准电压比较 , 掌握脉冲调制器地输出占空比 , 以调剂输出电压.图 3-1 系统原理框图第 4 章电路设计要点4.1 PWM掌握电路系统采纳地 PWM调制器为 SG3524型号4 地芯片, 电路如图 4-1 所示. 在芯片地电源信号入口端并联一电容C2构成一个软启动电路. 设计软启动电路地目地是防止在电源突然开通时产生地过大电流对芯片造成冲击 . 在刚通电时 , 电容两端电压不能突变 , 它地电压随外部电源对其充电而逐步

15、上升 , 经过一段时间后 , 电路进入正常工作状态 . 这样保证了输入电压缓慢地建立起来 , 确保芯片不受损坏 . 输出电路地开关功率管选用 MOS功率管 . 由于功率管是在高频状态下工作会产生振荡. 为了排除这种寄生振荡 , 应尽量削减与功率管各管脚地连线长度, 特殊是栅极引线地长度 . 如无法削减其长度 , 可以串联小电阻 , 且尽量靠近管子栅极 . 图中 R3 既是功率管地栅极限流电阻 , 又与 R4 一起排除功率管工作时产生地寄生振荡 .图 4-1PWM电路图4.2 变压器驱动电路图 4-2高压变压器驱动电路驱动电路采纳单端驱动工作方式 , 这种电路简洁、工作牢靠性高. 功率管由来自

16、SG3524 芯片地信号驱动 .11 、14 脚地单端并联输出 . 当 SG3524 输出高电平常 , 功率管导通 , 在电感 L 中储能；输出低电平常 , 功率管截止, 导致流过电感 L 上地电流突然下降为零 ,L产生反电势 . 该反电势地脉冲电压加在高频变压器地输入端 , 驱动变压器工作 . 同时, 电感 L 作变压器地阻抗匹配元件 .由高频变压器输出地沟通电压经二极管VD2、VD3 进行整流倍压后, 再经 C2 滤波, 得到高压输出 .4.3 采样反馈电路反馈回路中 , 对输出电压信号地取样 , 采纳在输出端并联电阻 ,再将高压经电阻串联衰减地方法实现 .R3、R4、RW为电压取样反馈电

17、阻. 电压经隔离反馈后 , 从SG3524芯片地 1 脚输入, 掌握占空比 , 进而调剂输出电压 , 达到稳压地目地. 其稳压原理是：如输出电压偏高 , 采样反馈地信号也偏高 , 与 SG3524 中误差放大器地基准电压比较后地电压偏低, 导致占空比地宽度变窄 , 引起输出电压下降；反之亦然 .RW是可调电阻 , 通过调剂 RW来调剂输出电压.第 5 章性能测试系统地输出电压通过取样电阻 RW来调剂 , 转变可变电阻地值可以改变输出电压 . 图 5-1 是取样电阻 RW为 20k 时地输出电压波形图 . 由图中可以看出 , 输出电压从 0V 上升到 5kV 地响应时间为 0.5s 左右, 电源

18、系统具有较快地响应速度 . 同时, 由图（ b）中地电压波形局部放大图可见 ,输出电压为 5000V 时, 其最大电压波动小于 5%.a输出电压响应图b电压波形局部放大图 5-1可变电阻为 20k 时地电压输出波形图当 RW调剂至 10k 时, 电压输出如图 5-2, 此时输出电压约为 2500V.此时高压电源地响应速度有所提高 , 而稳固性基本不变 .图 5-2 可变电阻为 10k 时地电压输出波形图第 6 章结 论采纳单端反激式变换器 ,设计制作了一高压开关电源 .通过对所制作电源地性能测试可以得出 ,此高压开关电源具有体积小、稳固性好、响应速度快等优点 .能广泛应用于要求高电压、低电流地

19、小型电源系统中. 用板载电源地设计技术和多相工作技术可以满意通信系统中所需要地低 电压、大电流电源地要求 .总之,它与传统方法相比降低了成本 ,并可以得到更好地性能 .对于有隔离地电源 ,同步整流和副边掌握技术也正由于它 们地效率高和快速瞬态响应地特性而被普遍采纳.随着这种电源应用量地不断增加 ,证明其具有较高地工作效率和良好地牢靠性,完全满意雷达系统对各分机设计要求 .致谢感谢我地指导老师仍有全部教过我地老师, 他们严谨细致、一丝不苟地作风始终是我工作、学习中地榜样；他们循循善诱地教诲和不拘一格地 思路赐予我无尽地启发 .感谢我地高校同学对我地帮忙和指点 . 没有他们地帮忙和供应资料对于我一

20、个对网络学问一窍不通地人来说要想在短短地几个地时间里学 习到网络学问并完成毕业论文是几乎不行能地事情. 感谢我地全部同学和伴侣对我地支持和关怀 .在论文即将完成之际 , 我地心情无法安静 , 从开头进入课题到论文地顺当完成 , 有多少可敬地师长、同学、伴侣给了我无言地帮忙, 在这里请接受我真诚地谢意！更感谢我地养我地黄土高原 , 感谢父老乡亲 , 感谢一把屎一把尿把我喂大地父母 . 感谢我忘不掉地甘甜地泉水 .参考文献1陈绪胜.SH412 高压开关电源地设计 . 微电子学 ,1996,26 （2）： 75- 782 戴晓明, 李振国. 新型高压开关电源地研制 . 原子能科学技术,2000,34 （2）： 125-1273 魏海明, 扬兴瑶. 有用电子电路 500 例M, 化学工业出版社 ,20004 沙占友等编特种集成电源最新应用技术M 北京：人民邮电出版社,2000.5 陈永真, 王国玲. 电留恋续型三相PFC第 14 届全国电源技术年会论文集,2001.6 李长明. 低损耗地 1 ；BIJ 卞笠S 上七 l 并联开关在开关电源中地应用. 通信电源技术 ,1997.