dc-dc电源模块设计

 

  【绘芯滑轨屏推荐】开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）控制IC和MOSFET构成。随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术也在不断地创新。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。本文首先概述了开关电源的发展概况以及未来的发展趋势。第二章具体分析各小功率模块电源设计方案的优缺点，最后选用buck电路。第三章是具体电路各部分的实现，通过protel充分论证其合理性。第四章详细描述pcb板布线，雕刻等硬件的调试。最后一章是对dc-dc电源模块设计实践中遇到的困难不足的修正与总结。

关键词： 开关电源 模块电源 软开关 同步整流  PSIM

                              

                 Abstract

 

The switching power supply is the use of modern electronic technology, the control switch turn-on and turn off time ratio, maintain a stable output voltage power supplies, switching power supply from the general pulse width modulation (PWM) control IC and MOSFET. With the development and innovation of power electronics technology, the switching power supply technology is constantly innovating. At present, the switching power supply is widely used in almost all electronic equipment with the characteristics of small size, light weight and high efficiency. In this paper, the development situation and future development trend of switching power supply are summarized. The second chapter is the concrete analysis

The advantages and disadvantages of each power module design scheme, and finally choose the buck circuit. The third chapter is the realization of each part of the circuit, through the Protel fully demonstrate its rationality. The fourth chapter describes in detail the PCB board wiring, sculpture and other hardware debugging. The last chapter is the revision of the difficulties encountered in the design of DC-DC power module.

Key words: switching power supply module soft switching synchronous rectification PSIM

 

第一章 绪论

1.1开关电源的发展概况

据了解，目前在全球模块电源市场上，技术上最领先的是美国，典型的企业包括PowerOne和Victor。从技术水平上，美国的水平至少领先日本和中国10年，而中日的技术在同一水平线上。工艺上，美国领先更多，这方面我国和日本也有差距。美国公司可以以更小的产品体积，提供更大的电压转换比，更高的频率和更大电流输出，并能保证产品性能稳定。目前著名的国外品牌产品有Vicor，LAMBDA，ERICSSON公司。国产的模块电源供应商有新雷能，迪赛，24所等。开关电源的发展趋势如下：

①逐渐淘汰线性电源
     高频开关电源在技术上较线性电源具有很大优势，节省了用来制造工频变压器的材料和空间，体积小、质量轻、可靠性高且性价比好，易于实现各种不同功率的输出。随着高频开关电源开关频率的不断提高及高频滤波技术的同步发展，原来困扰开关电源的输出纹波大等问题得以克服，开关电源的输出纹波可与线性电源相媲美，促使在各行业逐渐淘汰线性电源。
②开关频率已达MHz级
    频开关电源自20世纪70年代突破20 kHz以来，随着技术的进步，其产品的频率一路飙升到500kHz～1MHz。世界上很多国家都在致力于MHz级的高频开关电源的研究。我国在这方面的研究较为滞后，但是已经取得了一定的成果。
③小型化发展迅速
    通过对高频开关电源原理的分析和实际应用证明，电源使用的电容、电感、变压器的体积和质量与电源工作频率的平方根成反比。依据这个原理，高频开关电源的频率提高必然促成了体积的减小。电源小型化能使产品轻便、节省材料消耗和降低成本，具有很重要的经济价值。
④效率得到较大提高
     由于各种新技术的运用，世界上高频开关电源的效率达到95%以上，国内应用软开关技术制造的6kW通信开关电源的效率已达到了93%。
⑤提高频率和减少体积不可避免面临许多难题
    随着开关频率的提高，必将带来很多负面影响，包括开关元件和无源元件损耗的增加、元件高频寄生参数和电磁干扰EMI等，都必须兼顾考虑。
⑥软开关技术发展应用日趋成熟
     由于软开关技术在理论上可以将开关损耗降 低为零，因此该技术始终是研究的热点。其电路 可分为:准谐振电路、零开关PWM电路和零转换PWM电路。目前发展应用成熟的技术包括:有源钳位ZVS软开关技术和全桥移相ZVS软开关技术，效率可达90%以上。
⑦软开关与硬开关结合技术取得较好效果
      开关技术的出现并没有使硬开关技术逐渐没落，相反通过与软开关技术结合，焕发出新的活力。如零电流变换(ZCT)和零电压变换(ZVT)技术，兼有软开关的开关损耗小、EMI低、频率高、效率高、节能效果好等优点和硬开关的开关管电压、电流容量定额小和易于实现滤波等优点。

⑧同步整流技术极大提高了开关电源的转换效率
     同步整流技术通过使用导通电阻极低(不大于3mΩ)的MOSFET，替代传统的二极管作为逆变后的整流器件，通过控制器产生与整流电压相位同步的栅极驱动信号控制同步整流器正常工作，这种方法可以极大降低整流损耗，主要应用于低压大电流功率变换器中。

⑨高频有源功率因数校正(PFC)技术有效提高功率因数
     高频开关电源就像是交流电网上的非线性负载，所产生的高次谐波电流从输电线辐射出去而污染电网，造成很大危害。PFC技术能有效地减少高频开关电源对电网的污染，主要运用的是有源PFC技术。高频有源PFC技术使电源输入电流实现正弦化，且与输入电源保持同相位，达到谐波抑制的目的。目前，主要的有源PFC技术包括两级PFC技术和单级PFC技术两种。

⑩电磁兼容性(EMC)的设计技术有效降低高频开关电磁干扰

     由于高频开关电源的结构特点，伴随着开关电源开关操作时急剧的电压和电流变化而产生的浪涌和噪声，将作为传导噪声或辐射噪声传递至设备的外部，从而引发电磁干扰(EMI)问题。EMC设计技术可以有效地解决这个问题。目前抑制电源EMI的三种重要的新技术包括周期扩频、随机扩频和混沌扩频。周期调频已应用于商品电源中，而后两种调频技术正在发展之中。

⑪电源电路、电源系统的模块化提升了电源品质

     目前，为了便于设计人员灵活使用各功能模块，提高制造效率、降低成本、减小体积和提高可靠性，制造商将PFC、ZVS、ZCS、PWM控制、并联均流控制和移相全桥控制等控制功能集成在专用芯片内，把功率开关器件同控制、驱动、保护、检测等电路封装在一个模块内构成电力电子器件模块。此外，制造商将控制、功率半导体器件和信息传输等功能全部集成在一个模块中，通过取消传统连线和电、热、结构的优化设计，达到缩小体积、降低寄生参数和提高产品可靠性的目的。

⑫单台功率输出不高限制国内大功率电源领域的应用

     目前，国内的大功率高频开关电源产品稀少且性能欠佳，而且单机容量大于20 kW的大功率高频开关电源在国内外极为少见，单机输出电流一般在1000A以下。这些问题造成高频开关电源在国内电化学和冶金等需要大功率(几百千瓦或几兆瓦以上)电源的领域还未得到应用。构成高频开关电源主功率电路的最基本、最重要的两大要素:电力电子器件和磁性器件的输出功率不高，是目前阻碍功率提升的主要瓶颈。

⑬分布式电源系统极大提升电源输出功率

    分布式高频开关电源系统通过电源模块并联运行的方式，采用系统均流、N+M冗余设计和热插拔技术，使得每个变换器处理较小的功率以降低电应力，突破了单台输出功率不够大的瓶颈，将输出功率提升到几十千瓦甚至几百千瓦，大大提高了系统的可靠性。此外，这种系统能扩展出多种功率输出，降低了开发成本。

⑭PWM反馈回路的数字控制技术得到实际应用

      基于电子设计自动化(EDA)技术、单片机技术和数字信号处理器(DSP)技术等数字技术开发的数字电源通过软件和硬件设计，可以替代模拟电路，实现PWM反馈回路的数字控制。DSP可通过内置PID算法生成数字PWM波形控制主 功率变换器;配合A/D转换和CPLD等芯片检测系统电流、电压和温度参数，经内部处理调整PWM信号输出，实现调节电源输出和各种保护功能，还可以对同步整流电路进行精确的同步控制。

⑮基于数字技术开发的电源管理与通信功能提高产品性能
     数字高频开关电源能通过接口电路，外接键盘和液晶显示器，进行人机交互操作;通过串口RS485、RS232或CAN总线等接口与上位机进行数据的通信，实现遥测遥控。数字电源的网络接口，便于实现在线维护、自检和升级，极大提高了产品的可靠性和使用寿命。

⑯数字技术方便产品设计

    各种功能的集成数字电路、数字控制芯片以及先进的EDA技术、单片机技术和DSP技术使得设计人员能够摆脱以往繁复的模拟电路设计，专注于电源产品的质量、性能和功能的完善。通过运用计算机辅助设计(CAD)手段，包括TOPs-witch(PROTEL)、DXP等电路设计软件，可以提高电源产品的开发效率，缩短研发周期。目前流行的Pspice和Matleb等仿真软件不能完全仿真高频开关电源的高频寄生参数，只能在前期研究中提供参考，无法做到完全的仿真设计。

   

1.2模块电源的关键技术

       (一)高频化—缩小体积，提高功率密度

提高模块电源的功率密度，最主要的方法就是提高模块电源的开关频率来减小无源元件的体积和重量。传输同样的能量，提高模块电源的工作频率，则每个周期传输的能量将减小，这样则可以减小储存和传输能量器件的值，反映在实物上则是可以使用体积较小的滤波电容、滤波电感和开关变压器，从而减小模块电源的体积。

(二)软开关技术—降低开关器件的开关损耗，在高频条件下高效率运行

对于传统的变换器，开关器件通常工作在硬开关状态，当开关频率达到1MHz以上时，开关损耗就会变得很严重，需要更大的散热器，这将会抵消由于开关频率提高带来的无源元件体积的减小。硬开关是指开关器件工作在硬开关状态，由于开关器件不是理想器件，在导通时开关管的电压必然有一个下降的时间，同时它的电流也将经历一个上升时间达到负载电流，在这段时间里，电压和电流波形交叠，产生损耗，称之为导通损耗。同理，在开关器件关断的时候，电流波形与电压波形同样存在交叠，称为关断损耗。在一定条件下，每个周期开关器件的导通、关断损耗是一定的，随着开关频率的升高，总的开关损耗随之升高，电源的效率就降低，同时随着损耗的增加，器件的工作温度将升高，需要更大的散热器。在开关过程中，开关器件承受的di/dt或du/dt较大，由于电路中寄生电感、电容的存在，使开关器件因承受过高的电压或过大的电流或称为开关浪涌而损坏，同时产生大的电磁干扰。利用谐振的原理, 使开关器件中的电压或电流按照正弦或准正弦规律变化。当开关器件电流过零时器件关断(或使电压降为零时器件开通)，从而减少开关损耗。应用软开关技术，能缓解硬开关导致的严重损耗、容性开通、感性关断、二极管反向恢复以及EMI 等问题。

 (三)同步整流技术--提高电源效率以及功率密度

    同步整流(Synchronous Rectification，简称SR)是在20 世纪末问世的。它是采用通态电阻极低的专用功率MOSFET 取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术，能显著提高开关电源在低电压、大电流输出时的效率。高频DC/DC PWM 开关变换器的输出通常采用功率整流二极管进行整流，开关变换器对整流二极管管的要求：正向压降小，反向漏电流小，反向恢复时间短等。比较适合的功率整流二极管有PN结双极二极管、快速恢复二极管、超快速恢复二极管、肖特基二极管。对于低压大电流输出的开关电源，为进一步提高其效率，采用传导阻抗小的MOSFET 作为整流器，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称为同步整流，减小电路中的传导损耗，提高变换器效率

平面变压器技术

 

 

 

1.3本课题研究的主要目的和内容

  

课题意义：随着现代电力电子技术和计算机等技术的高速发展，各种电力电子设备逐渐渗透到各行各业中去，电源是各种电力电子设备的心脏。开关电源的发展方向是高频、高效、高可靠性、低噪声、抗干扰与模块化等。其中，直流——直流（DC/DC）变换器占据了越来越多的市场份额。DC/DC模块相继进入各种电子、电器设备领域。通过对DC/DC电源模块的设计与研究，掌握DC/DC电源模块的基本原理及应用，熟悉电源模块电路设计的实际流程，基于高变换效率,低成本与高可靠性的原则，重点利用软开关技术来实现电源模块的标准化设计。

       研究内容：要求设计一款小功率，高效率的DC/DC模块，设计相关硬件电路并进行功能证。 能熟悉论题涉及的理论体系，较好地应用文献资料，应用Multisim或protel等作为辅助设计工具，充分论述设计理由与特点，对设计电路进行硬件功能验证，对验证结果进行必要分析与说明，论文理论分析严密。

 

 

第二章小功率模块电源设计方案选择

 

非隔离开关电源       2.1Buck型变换器  

 

 

 

 

 

 

Buck-Boost电路工作原理

 

根据L的伏秒平衡原则：Vin*DT=(Vo+2Vd)*(1-D)T

Vo=Vin*D/(1-D)-2Vd

根据L在(1-D)T时间的基本方程

L*ΔIo=(Vo-2Vd)(1-D)T

ΔIo=(Vo-2Vd)(1-d)T/L

 

 

 

隔离开关电源

                                          谐振复位 

                   2.2正激变换器

                                 2.3反激变换器          有源钳位          

                   2.4桥式变换器        

                    

 

 

         

    

反激变换器

 

 

工作原理: ：在开关管VT 导通期间，输入电压Vi 加在一次电感L1上，流过原边的电流iN1 线性增加，高频变压器将电能转换成磁能储存在电感L1 中。因二次绕组同名端与一次绕组同名端相反，使得整流二极管VD 因反偏而截止，二次侧无电流流过，负载仅由输出滤波电容C 提供电能。在开关管VT 关断期间， 流过原边的电流iN1 变为零， 其变压器二次侧感应电压使续流二极管VD 正偏而导通， 储存在变压器原边电感L1 中的磁能通过互感耦合到L2，变压器释放能量，流过变压器副边的电流i N2 线性减小。可见，反激变换器的高频变压器实际是一个初级与次级紧密耦合的电感器。

显然，对于反激变换器，当晶体管导通时，高频开关变压器的初级电感线圈储存能量；而当晶体管关断时，初级线圈中储存的能量才通过次级线圈释放给负载，即反激变换器在开关管导通期间储存能量，而在开关管关断期间才向负载传递能量。

 

 

 

 

 

 

 

 

      正激变换器

 

 

工作原理

开关管Q按PWM方式工作，D1是输出整流二极管，D2是续

流二极管，Lf是输出滤波电感，Cf是输出滤波电容。变压器 有三个绕组，W1原边绕组，W2副边绕组，W3复位绕组。开关管Q导通，电源电压VIN加在原边绕组上，变压器铁芯磁通φ增加，则变压器铁芯磁通增量：

 

W1*dφ/dt=Vin

ΔΦ(+)=Vin/W1*Ton=Vin/W1*Ton/T*T=Vin/W1*T

由   Vin=Lm*dim/dt   得变压器原边磁化电流：

 Im=Vin/Lmdt=Vin/Lm*t

 式中LM是原边绕组的励磁电感。副边绕组W2上的电压为：

Uw2=W2/W1*Vin  

此时整流二极管D1导通，续流二极管D2截止，流过滤波电感Lf的电流增加：

W2/W3*Vin-Vo=Lf*diLF/dt

  显然这和BUCK变换器中开关管Q导通时一样。

变压器原边绕组电流：

Iw1=W1/W2*ilf+Im

Q关断，变压器原边绕组和副边绕组中都没有电流流过，此 时变压器通过复位绕组进行磁复位，励磁电流iM从复位绕组 W3经过二极管D3回馈到输入电源中去。此时整流管D1关断，

流过电感Lf电流通过续流二极管D2续流，复位绕组电压：

Uw3=-Vin

此时整流管关断，流过电感Lf电流通过续流二极管D2续流，显然和BUCK变换器类似。在此开关状态中，加在Q上的电压为： 

Vq=Vin+W1/W3*Vin=Vin(1+W1/W3)

电源VIN反向加在复位绕组W3上，故铁芯被去磁，铁芯的磁通φ减小,铁芯磁通φ的减小量：

ΔΦ(-)Vin/W3(Tr-Ton)

式中Tr-ton是去磁时间。励磁电流iM从原边绕组中转移到复位绕组中，并开始线性减小：

Iw3=im=W1/W3[Vin/Lm*ton-W1/W3*Vin/Lm(t-ton)]

在Tr时刻，Iw3=Im=0，变压器完成磁复位。Q关断状态中，所有绕组均没有电流，它们的电压为零。滤波电感电流经续流二极管续流。在此时Q上的电压为:

 Vq=Vin

由于在正激变换器中磁通必须复位，得：

 Vin/W3*ton=Vin/W3(Tr-Ton)

 整理得： ton=W1/W3*(Tr-ton)

如果W1>W3，则去磁时间小于开通时间 ton>Tr-ton

 即开关管的工作占空比    ton/T>0.5          。 如果W1<W3 ，则去磁时间大于开通时间  ton<Tr-ton

即开关管的工作占空比     ton/T<0.5         。 

W1>W3，Q管电压大于2倍输入电压W1<W3，Q管电压小于2倍输入电压。 为了充分提高占空比和减小Q两端电压，必须折衷选择。一般选W1=W3，这时    Tr-ton=toff ，ton/T=o.5  ，而Q管电压等于2倍输入电压。

 由于单端正激变换器Forword变换器实际上是一个隔离的BUCK变换器，因此其输入和输出关系为：                                                     

                  

Vo=W2/W1*Vin*φ

 

 

2.5各设计优缺点对比分析与主电路选择

 

 

	变压器复位方式	原边开管电压应力	输出特性	占空比范围	输出纹波频率	输出纹波电流	适应范围
反激	输出电压复位	Vds=Vin/(1-D)	Vo=VinD/ n(1-D)	0<D<1	f	ΔIo=Io/1-D	小功率，宽范围输入，多路输出
谐振复位正激	谐振电容电压复位	Vds=Vin+Vc	Vo=VinD/ n	0<D<1	f	ΔIo=Vo(1-D)T /Lo	小功率，低电压输入
有源钳位正激	钳位电容电压复位	Vds=Vin/(1-D)	Vo=VinD/ N	0<D<1	f	ΔIo=Vo(1-D)T/ Lo	中小功率，宽范围输入，高效率
半桥	正负半周工作，自动复位	Vin	Vo=VinD/ n	0<D<0.5	2f	ΔIo=Vo(1-2D)T/ 2Lo	较大功率，较小输入范围

 

 

①正激式变换器潜在的损耗过大，为了使变压器复位，必须设计复位电路， RCD复位电路是有损的，虽然可以采用有源钳位技术能有效的解决这一问题，但对于正激式变换器整体而言，输出级有两个二极管、一个输出电感和一个输出电压，处理同样的输出功率，相比反激式变换器，正激式变换器占用的空间要大很多，故电源的效率、功率密度都要小。

 

②反激式变换器输出不需要电感， 但对于单输出的反激式变换器， 这部分体积与其变压器相比相近，反激式变换器由于其完全不同的两种工作，使得反馈回路设计复杂，且理论上次级不能开路，否则会产生过大的输出电压；反激式变换器是恒功率输出的，其断续方式适合于要求恒定电流输出的应用，而连续方式适合于恒定电压输出的应用，模块电源的输出电压要求是3.3V 的恒定电压，故应采用适合恒定电压输出的连续方式， 而因连续工作方式本身的特性(其传递函数具有右半平面零点)，必须大幅减小误差放大器带宽才能使反馈回路稳定[10]，并且反激式变换器没有输出电感，故输出电压的纹波较大，为了减小输出电压的纹波，必须增大输出电容的值，则必须使用较大体积的电容。

③桥式变换器多用于大功率DC-DC电源模块

④相比前两者， Buck 型变换器的设计简单，主电路使用的元器件较少，产生损耗的源主要来自于主开关和续流二极管。从该模块电源的参数看，占空比、输入电压范围以及主开关可能承受的电压、电流应力将在一个合理范围内， 且Buck 型变换器的输出电压纹波较小，可以控制到很高的精度。

             

 

综上所述，主电路选择为Buck型电路

 

  

第三章DC/DC电源模块的具体各部分设计以及原理说明（protel）

 

 

 

Buck 型变换器的设计包括两部分内容，即主电路部分和反馈部分。开关器件的选择

 

 

 

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