降压型PWM_AC-DC开关电源设计

1.引 言

1.1开关电源的概念

开关电源(Switch Mode Power Supply，SMPS)是以功率半导体器件为开关元件，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。开关电源和线性电源相比，二者的成本都随着输出功率的增加而增长，但二者增长速率各异。线性电源成本在某一输出功率点上，反而高于开关电源，这一点称为成本反转点。开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。

开关电源中应用的电力电子器件主要为二极管、IGBT和MOSFET。一般由脉冲宽度调制(PWM)控制IC和MOSFET构成。开关电源电路主要由整流滤波电路、DC-DC控制器(内含变压器)、开关占空比控制器以及取样比较电路等模块组成。

1.1.1 PWM技术简介[1]

脉冲宽度调制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的缩写，简称脉宽调制，脉冲宽度调制是一种模拟控制方式，其根据相应载荷的变化来调制晶体管栅极或基极的偏置，来实现开关稳压电源输出晶体管或晶体管导通时间的改变，这种方式能使电源的输出电压在工作条件变化时保持恒定，是利用微处理器的数字输出来对模拟电路进行控制的一种非常有效的技术。广泛应用在从测量、通信到功率控制与变换的许多领域中。

脉冲宽度调制(PWM)基于采样控制理论中的一个重要结论，即冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。在控制时对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的规则对各脉冲的宽度进行调制,既可改变逆变电路输出电压的大小,也可改变输出频率.PWM运用于开关电源控制时首先保持主电路开关元件的恒定工作周期(T=ton+toff)，再由输出信号与基准信号的差值来控制闭环反馈，以调节导通时间ton，最终控制输出电压(或电流)的稳定。

PWM的一个优点是从处理器到被控系统信号都是数字形式的，无需进行数模转换。让信号保持为数字形式可将噪声影响降到最小。噪声只有在强到足以将逻辑1改变为逻辑0或将逻辑0改变为逻辑1时，也才能对数字信号产生影响。

对噪声抵抗能力的增强是PWM相对于模拟控制的另外一个优点，而且这也是在某些时候将PWM用于通信的主要原因。从模拟信号转向PWM可以极大地延长通信距离。在接收端，通过适当的RC或LC网络可以滤除调制高频方波并将信号还原为模拟形式。

1.1.2 降压型DC-DC开关电源原理简介[2]

将一种直流电压变换成另一种固定的或可调的直流电压的过程称为DC-DC交换完成这一变幻的电路称为DC-DC转换器。根据输入电路与输出电路的关系，DC-DC 转换器可分为非隔离式DC-DC转换器和隔离式DC-DC转换器。降压型DC-DC 开关电源属于非隔离式的。

降压型DC-DC转换器主电路图如下：

其中，功率IGBT为开关调整元件，它的导通与关断由控制电路决定;L和C为滤波元件。驱动VT导通时，负载电压Uo=Uin，负载电流Io按指数上升;控制VT关断时，二极管VD可保持输出电流连续，所以通常称为续流二极管。负载电流经二极管VD续流，负载电压Uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。为了使负载电流连续且脉动小，通常串联L值较大的电感。至一个周期T结束，在驱动VT导通，重复上一周期过程。当电路工作于稳态时，负载电流在一个周期的初值和终值相等。负载电压的平均值为

式中，ton为VT处于导通的时间，toff为VT处于关断的时间;T为开关管控制信号的周期，即ton+toff;α为开关管导通时间与控制信号周期之比，通常称为控制信号的占空比。从该式可以看出，，占空比最大为1，若减小占空比，该电路输出电压总是低于输入电压，因此将其称为降压型DC-DC转换器。负载电流的平均值为

若负载中电感值较小，则在VT管断后，负载电流会在一个周期内衰减为零，出现负载电流断续的情况。因此有降压DC-DC开关电源有非连续电流模式(DCM)和连续电流模式(CCM)两种工作模式。波形图如下所示：

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1.2 开关电源的发展简介[3]

能源在每个国家中的地位都是举足轻重，关乎兴衰的，所以如何开发并合理

利用能源是一个重要的课题。特别对于我国这样的能源消耗大国和贫乏国，更是

如此。我国、美国和俄罗斯等大国始终把能源技术列为国家关键性的科技领域。

能源技术的其中一个重要方面就是电力电子技术，这是一门结合了微电子学、

电机学、控制理论等多种学科的交叉性边沿学科，它利用功率半导体器件对电网

功率、电流、电压、频率、相位进行精确控制和处理，使得电力电子装置小型化、

高频化、智能化，效率和性能得以大幅度提高。

开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换，经过变

换电能，可以满足各种对参数的要求。这些变换包括交流到直流(AC-DC，即整流)，直流到交流(DC-AC，即逆变)，交流到交流(AC-AC，即变压)，直流到直流(DC-DC)。广义地说，利用半导体功率器件作为开关，将一种电源形式转变为另一种电源形式的主电路都叫做开关变换器电路;转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源(SwitchingPower Supply)。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引起社会各方面的重视而得到迅速推广。

电源管理芯片实际上也是指具有自动控制环路和保护电路的DC-DC变换芯片，是开关电源的核心控制芯片。电源管理芯片在90年代中后期问世，由于替换了大部分分立器件，使开关电源的整体性能得到大幅度提高，同时降低了成本，因而显示出强大的生命力。

我国开关电源起源于1970年代末期，到1980年代中期，开关电源产品开始

推广应用。那时的开关电源产品采用的是频率为20 kHz以下的PWM技术，其效

率只能达到60%~70%。经过20多年的不断发展，新型功率器件的研发为开关电

源的高频化莫定了基础，功率MOSFET和IGBT的应用使中、小功率开关电源工

作频率高达到400kHz(AC/DC)和1MHz(DC/DC)。软开关技术的出现，真正实现了

开关电源的高频化，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了开关电源的

效率。目前，采用软开关技术的国产开关电源，其效率已达到93%。但是，目前

我国的开关电源技术与世界上先进的国家相比仍有较大的差距。

1.2.1 开关电源的发展史

开关电源的发展历史可以追溯到几十年前，可分为下列几个时期：

1.电子管稳压电源时期(1950年代)。此时期主要为电子管直流电源和磁饱

和交流电源，这种电源体积大、耗能多、效率低。

2.晶体管稳压电源时期(1960年代-1970年代中期)。随着晶体管技术的发

展，晶体管稳压电源得到迅速发展，电子管稳压电源逐渐被淘汰。

3.低性能稳压电源时期(1970年代-1980年代末期)。出现了晶体管自激式

开关稳压电源，工作频率在20kHz以下，工作效率60%左右。随着压控率

器件的出现，促进了电源技术的极大发展，它可使兆瓦级的逆变电源设计

简化，可取代需要强迫换流的晶闸管，目前仍在使用。功率MOSFET的出现，

构成了高频电力电子技术，其开关频率可达l00kHz以上，并且可并联大电

流输出。

4.高性能的开关稳压电源时期(1990年代~至今)。随着新型功率器件和脉

宽调制(PWM)电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用

出现了小体积、高效率、高可靠性的混合集成DC-DC电源。

1.3 开关电源的发展展望

1.半导体和电路器件是开关电源发展的重要支撑。

2.高频、高效、低压化、标准化是开关电源主要发展趋势：

1)低电压化

半导体工艺等级在未来十年将从0.18微米向50纳米工艺迈进，芯片所需最低电压最终将变为0.6V，但输出电流将朝着大电流方向发展。

2)高效化

应用各种软开关技术，包括无源无损软开关技术、有源软开关技术，如ZVS/ZCS谐振、准谐振;恒频零开关技术;零电压、零电流转换技术及目前同步整流用MOSFET代替整流二极管都能大大地提高模块在低输出电压时的效率，而效率的提高使得敞开式无散热器的电源模块有了实现的可能。

3)大电流、高密度化

4)高频化

为了缩小开关电源的体积，提高电源的功率密度并改善其动态响应，小功率

DC-DC变换器的开关频率已将现在的200～500kHz提高到1MHz以上，但高频

化又会产生新的问题，如开关损耗以及无源元件的损耗增大，高频寄生参数以及

高频电磁干扰增大等。

5)在封装结构上正朝着薄型，甚至超薄型方向发展

2.降压型PWM AC-DC开关电源设计的基本要求

设计一款降压型PWM AC-DC开关电源，设计参数如下：

输入参数：

1.输入交流电压：单相AC220V

2.输入电压变动范围： 20%

3.输入频率：50Hz 2Hz

输出参数：

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1.输出直流电压：24V

2.输出功率：约200W

设计基本要求:

1.设计主电路;

2.设计控制电路和保护电路;

3.计算主电路电力电子器件参数;

4.绘制主电路、控制电路和保护电路电路图;

5.绘制完整电路图。

3.电路总体方案的设计及相关原理

电源有一种输入，即单相220V交流电压，设计输入电压变动范围为 20%。有一种输出：24V直流电压，输出功率约为200W。交流220V经过一个滤波整流电路后得到直流电压，送入DC-DC降压斩波电路，控制电路提供控制信号控制IGBT的关断，调节直流电压的占空比，最后经过LC滤波电路的到所需电压。通过对输出电压的取样，比较和放大，调节控制脉冲的宽度，以达到稳压输出的目的。开关电源原理框图如下：

整流部分是利用具有单向导通性的二极管构成桥式电路来实现的;滤波部分是利用电容电感器件的储能效应，构成LC电路来实现的;降压部分是利用降压斩波电路来实现，控制方式为脉宽调制控制(PWM)，即在控制时对半导体开关器件的导通和关断进行控制,使输出端得到一系列幅值相等而宽度不相等的脉冲,用这些脉冲来代替正弦波或其他所需要的波形。本次设计的开关电源控制时首先保持主电路开关元件的恒定工作周期(T=ton+toff)，再由输出信号与基准信号的差值来控制闭环反馈，以调节导通时间ton，最终控制输出电压(或电流)的稳定。

4.主电路设计及参数计算

4.1 主电路的设计

主电路主要完成对交流的整流滤波，对直流电压降压和滤波三个工作。

整流电路图设计如下：

工作时的波形图如下：

将整流后的得到的直流电压送入降压斩波电路，通过脉宽调制控制调节输出电压平均值，在经过LC滤波电路是电压稳定。降压斩波电路设计如下图：

脉宽调制控制型号有IGBT驱动电路发出;RCD保护电路用以缓冲IGBT在高频工作环境下关断时因为正向电流迅速降低而由线路电感在器件两端感应出的过电压。

工作时的波形图如下：

4.2 主电路的参数确定

设计输入电流为频率50Hz的单相220V交流电，其脉冲周期为：

经过整流后得到的是只有正半部分的正弦波幅值与输入电压一样，但周期为输入电压一般，即

设计输出电压为直流24V稳压，电流为8A直流。占空比α通常取0.4~0.45，该电路取α=0.42，考虑IGBT和二极管的导通压降取0.8V，电感压降取0.2V。于是可以得到：

设计输出功率为200W，所以可以确定：

又由于Uin2=Uo1，确定电阻R1=100Ω，一次侧与二次侧线圈匝数比N1/N2=2，可以确定整流滤波电路中的回路电流及分压电阻R0为：

对于整流滤波电路中的四个二极管VD1、VD2、VD3、VD4，它们承受的反向最大峰值电压为输入电压Uin最大值的一半，约为77.8V;流过的最大平均电流约为0.5952A。所以我们可以选择正向平均电流I(AV)大于0.62A，反向重复峰值电压Urrm大于156V的电力二极管用来构成全桥。[!--empirenews.page--]

对于斩波电路中的电力二极管VD，承受的最大反向重复峰值电压约为84.2V，最大正向平均电流I(AV)约为8.33A，所以我们可以选择正向平均电流I(AV)大于8.5A，反向重复峰值电压Urrm大于169V的电力二极管作为续流二极管。

对于斩波电路中的IGBT VT，集射极承受的最大电压Uce约为84.2V，流过的最大电流值约为8.33A，则最大耗散功率约为701.2W。所以我们可以选择最大集射极间电压大于85V，最大集电极电流大于8.5A，最大集电极功耗大于723W的IGBT。

综上所述，主电路的主要参数如下：

所用电力二极管和IGBT的导通压降约为0.8V，电感压降约为0.2V

1.整流滤波电路部分：

一次侧与二次侧线圈匝数比N1/N2：2

输入电压Uin：单相220V交流

输出电压Uo1：59.52V直流

回路电流平均值Io1：0.5952A

电阻R0：81.8Ω

电阻R1：100Ω

电力二极管VD1、VD2、VD3、VD4参数：

正向平均电流I(AV)≥0.62A，反向重复峰值电压Urrm≥156V

2.降压斩波电路部分：

输入电压Uin2：59.52V直流

输出电压Uo：24V稳压直流

回路电流平均值(输出电流)Io2：8.33A

输出功率：200W

电阻R2：2.88Ω

占空比α：0.42

电力二极管：

正向平均电流I(AV)≥8.5A，反向重复峰值电压Urrm≥169V

IGBT参数：

最大集射极间电压Uces≥85V，最大集电极电流Ic≥8.5A

最大集电极功耗Pcm≥723W

5.控制电路、驱动电路及保护电路的设计

5.1 控制及驱动电路设计[4]

本文设计的开关电源的控制及驱动电路的核心为三菱公司的M579系列驱动器。电路图如下所示：

该集成驱动器的内部包含有检测电路、定时及复位电路和电气隔离环节，可在发生过电流时能快速响应但慢速关断IGBT。输出的正驱动电压为+15V，负驱动电压为-10V。

5.2 保护电路的设计

本文设计的电源电路主要需要对IGBT在开通时采取di/dt保护和在关断时采取过电压保护，可选择复合缓冲电路作为IGBT的保护电路，电路图如下：

6.课程设计总结

通过本次课程设计，使我更加深刻地理解了直流斩波电路以及开关电源，了解了开关电源的基本结构、设计过程和实现的功能。使我了解到开关电源在电子设备、电力设备和通信系统的直流供电中得到广泛应用，在高频开关电源中，DC-DC变换是其核心。随着半导体技术的发展，高集成度，功能强大的大规模集成电路不断出现，使电子设备不断缩小，重量不断减轻，相应地要求系统供电电源的体积和重量相应减小，如何减小开关电源的体积，提高其效率，是将在在设计开关电源的过程需要着重考虑的一个方面。

本文首先对开关电源的发展历史、当下发展状况以及将来的发展趋势作了简要的介绍，随后阐述了降压型AC-DC开关电源的核心部分——DC-DC转换器(降压斩波电路)的拓扑结构及其工作原理，描述了DC-DC转换器的控制方法——脉宽调制控制(PWM)，并详细介绍了该控制方法的基本原理。在此基础上设计了一款基于电压控制模式的PWM降压型AC-DC开关电源，设计的内容包括主电路的设计、控制及驱动电路的设计和保护电路的设计，每个部分均给出设计电路图，重点分析了主电路的工作原理，并给出设计参数。

参考文献

[1]. 王兆安、黄俊. 电力电子技术. 机械工业出版社.2000

[2]. 赵同贺.开关电源设计技术与应用实例. 人民邮电出版社.2007

[3]. (美) Raymond A. Mack Jr. 开关电源入门.人民邮电出版社.2007

[4]. 童诗白、华成英.模拟电子技术(第四版).高等教育出版社.2006

[5]. 王水平. PWM控制与驱动器使用指南及应用电路. 西安电子科技大学出 办社.2005

[6]. 王兆安.电力电子交流技术(第4版).机械工业出版杜.2007

[7].脱立芳.降压型PWMDC_DC开关电源技术研究.西安电子科技大学硕士学位论文.2008

附录

本文所设计的降压型PWM AC-DC开关电源完整电路图如下：

[1] 1.1.1小节部分引用于(美) Raymond A. Mack Jr.的《开关电源入门》

[2] 1.1.2小节部分引用于王兆安编写的《电力电子交流技术(第4版)》和王兆安与黄俊共同编写的《电力电子技术》[!--empirenews.page--]

[3] 1.2节部分引用于脱立芳的硕士学位论文《降压型PWMDC_DC开关电源技术研究》和赵同贺的《开关电源设计技术与应用实例》

[4] 5.1节参考了王水平.编写的《PWM控制与驱动器使用指南及应用电路》和童诗白、华成英共同编写的《模拟电子技术第四版》