推挽式直流開關電源的設計方案解析

　　隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，對通訊電源的重量、體積、可靠性、效率等提出了更高的要求。而應用于中大功率場合的移相全橋DC/DC變換器具有結(jié)構(gòu)簡單、輸出功率大、效率高、易實現(xiàn)軟開關、功率開關管所承受的電壓電流應力小等一系列優(yōu)點，因此，對它進行研究具有十分重要的意義。本文首先對DC/DC升壓變換器的電流觸發(fā)主電路、輸入電路、反饋電路控制芯片、推挽變壓器進行了詳細的講解，其中重點對MOS場效應管的損耗問題進行了研究和分析。其次本文也對本實驗用到的器件進行了簡單的介紹并給出了所需器件的參數(shù)，建立了模型并用Protel Altium Designer 6.9仿真軟件對系統(tǒng)的穩(wěn)定性進行了分析。最后根據(jù)自己的仿真結(jié)果做出了實際電路并進調(diào)試一切正常，達到了所需要的效果。

　　1 緒論

　　1.1開關電源的發(fā)展歷程

　　隨著電子技術(shù)的發(fā)展， DC/DC 電源已經(jīng)形成一個龐大的工業(yè)， 材料、工藝、外封裝的不斷改進， 使DC/DC產(chǎn)品普遍被工業(yè)界采用， 并在軍界、醫(yī)療、宇航等領域迅速推廣。現(xiàn)已有數(shù)家產(chǎn)值達數(shù)千萬美元的公司生產(chǎn)DC/DC電源， 產(chǎn)品從0.5瓦至上千瓦。 從單輸出到多輸出。也有的公司把自己的DC/DC模塊產(chǎn)品組合設計成用戶需要的電源系統(tǒng)。

　　激烈的競爭局面， 導致各廠家積極采用先進技術(shù)， 使模塊以最小的體積達到最高的功率輸出，某些新產(chǎn)品的功率密度已可達每立方英寸10瓦。提高效率和輸出功率是大家追求的目標， 場效應開關管、肖特基整流管以及磁性材料的改進， 都是關鍵因素。

　　計算機工業(yè)的發(fā)展給DC/DC電源提出了新的目標。以往的TTL 電路邏輯電壓為5V ， 超大規(guī)模集成電路的驅(qū)動電流較大， 一個需5A 電流的設計至少要25 瓦輸出的電源模塊。為節(jié)省能源， 新的CMOSIC設計使電壓降為3.3V ， 同樣需5A 電流則可僅用16.5 瓦的模塊。目前一些超大規(guī)模集成電路生產(chǎn)廠家有意把電壓降至2 .9V 、2.1 V ，以節(jié)省電力， 因?qū)C/DC電源產(chǎn)品帶來了新的挑戰(zhàn)。目前DC/DC模塊的設計人員采用同步整流技術(shù)在一定程度上使效率有所提高，但最終的改進尚依賴于半導體元件性能的改善。為解決DC/DC模塊的控制電路。使用一定規(guī)模的集成電路將使DC/DC模塊性能得到革命性的進步［1］。

　　DC/DC模塊的外封裝的散熱也是個關鍵間題。由于體積的限制，模塊外殼需有良好的導熱能力， 否則將燒毀內(nèi)部半導體元件。近幾年已有把電路印刷在鋁制或陶瓷荃板上的DC/DC產(chǎn)品間世。鋁板和陶瓷板導熱較好， 給DC/DC模塊的發(fā)展提供的新的方向。

　　1.2開關電源的分類

　　1.2.1按驅(qū)動方式分類

　　1）自激式開關電源開關管起著振蕩器器件和功率開關的作用。

　　2）他激式開關電源備有專門獨立的振蕩電路，使用專用的脈沖調(diào)寬控制器PWM芯片就是中一例。

　　1.2.2按能量轉(zhuǎn)換過程的類型分類

　　1）直流—直流（DC-DC）變換器它是將一種直流電轉(zhuǎn)換成另一種或幾種直流電。DC-DC變換器是直流開關電源的核心部件，也是非隔離式或隔離式變換器直流電源的重要組成部分。

　　2）逆變器（DC-AC）它是將直流電轉(zhuǎn)換交流電的開關變換器，是交流輸出開關電源和不間斷電源（UPS）的主要部件。

　　3）開關整流器（AC-DC）它是將交流電轉(zhuǎn)換成直流電能的一種電源裝置，這種變換器其變換過程應該理解為交流－直流－交流－直流（AC-DC-AC-DC）。

　　4）交流－交流變換器（AC-AC）它是將一種頻率的交流電直接轉(zhuǎn)換成另一種恒頻或可變頻率的交流電，或是將交流電直接轉(zhuǎn)換成恒頻交流電的變換裝置。

　　1.2.3按輸入與輸出是否隔離分類

　　1）隔離式開關變換器它是高頻變壓器將變換器的一次側(cè)（輸入）與二次側(cè)（輸出）隔離。這種變換器結(jié)構(gòu)主要有單端正激式變換器，單端反激式變換器，中心抽頭式（推挽）變換器，半橋式變換器，全橋式變換器。

　　2）非隔離式開關變換器它是在電氣上輸入與輸出不隔離的。輸入與輸出公用一個公共端。這種變換器結(jié)構(gòu)主要有降壓型（Buck）變換器，升壓型（Boost）變換器，降壓－升壓（Buck-Boost）變換器以及它們的組合變形電路，如Cuk器，Zeta變換器，Sepic變換器等。

　　1.2.4按功率開關管關斷和開通工作條件分類

　　1）硬開關變換器功率開關器件是在承受電壓或電流應力的情況下接通或關斷的。這樣不但產(chǎn)生開關損耗，而且形成開關尖峰干擾噪聲，需要附加屏蔽，濾波等抗噪聲技術(shù)，才能滿足高精度，高性能用電設備的要求。

　　2）軟開關變換器功率開關器件是在不承受電壓或電流應力的情況下接通或關斷的；或是加在開關管上的電壓為零，稱零電壓開關（ZVS）；或是流過開關管的電流為零，稱零電流開關（ZCS）。因開關過程中無電壓，電流重疊（理想情況），開關損耗大大降低，而且開關噪聲電壓小，有利于開關變換器的高頻化，小型化。

　　1.3開關電源的特點

　　DC/DC 電源在70 年代即得到應用， 已形成模塊化產(chǎn)品。由于DC/DC電路設計相對較簡單、費用低， 可以快速的良好設計解決大量復雜問題， 而且已經(jīng)形成一整套DC/DC電源的設計、測試、生產(chǎn)標準。這就大大簡化了電子、電器設備系統(tǒng)設計過程。在較大型設備中（ 如程控交換機） ， 電源往往占據(jù)系統(tǒng)費用的20 %左右， 電源設計考慮不周常因電源故障而使整個系統(tǒng)不能正常工作。

　　采用DC/DC供電方式是目前最簡單而最易行的辦法。在系統(tǒng)的設計初期，即可根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部各級部件電路對不同的電壓電流要求， 根據(jù)DC/DC模塊生產(chǎn)廠家的產(chǎn)品目錄找到合適的DC 江兀模塊產(chǎn)品。如系統(tǒng)對DC/DC模塊有特殊要求， 也可請DC/DC二模塊生產(chǎn)廠家進行特殊設計和生產(chǎn)。從而可使設計師以較少的精力考慮電源而把主要精力投入到系統(tǒng)核心部分的設計。采用DC/DC模塊化電源即可使這一切成為現(xiàn)實。采用小型化的電源模塊可大大減化設備結(jié)構(gòu)， 減小體積重量， 同時， 電源模塊所特有的高可靠性使系統(tǒng)的整體可靠性大幅度提高， 更有利于降低設計費用和設備成本。

　　1.4本文主要工作

　　本文的主要工作是分析設計了一種PWM升壓型DC/DC變換器的控制芯片。本文共分六個章節(jié)詳細介紹。

　　第一章介紹了開關電源的發(fā)展歷程、開關電源的分類和開關電源的特點。

　　第二章闡述了開關電源的基礎知識，其中包括了軟開關技術(shù)、全橋控制技術(shù)、電源開關常用的拓撲結(jié)構(gòu)、電源開關的調(diào)制方式以及開關電源的控制方式，在此對每一項都進行了詳細的介紹的分析。

　　第三章是對主電路進行原理分析，本設計所用器件的選取、重要的變壓器制作和硬件抗干擾進行了一系列措施的研究。

　　第四章分析了參與主電路的開關電源控制芯片TL494的設計，本文也對此進行了詳細的描述。

　　第五章介紹了開關電源反饋電路的設計。

　　第六章是本文的結(jié)論，寫出了本人對這次設計的感想和一些看法。