推挽式直流開關(guān)電源的設(shè)計(jì)方案解析

　　隨著現(xiàn)代通訊技術(shù)的飛速發(fā)展，對(duì)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(yīng)用于中大功率場(chǎng)合的移相全橋DC/DC變換器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、輸出功率大、效率高、易實(shí)現(xiàn)軟開關(guān)、功率開關(guān)管所承受的電壓電流應(yīng)力小等一系列優(yōu)點(diǎn)，因此，對(duì)它進(jìn)行研究具有十分重要的意義。本文首先對(duì)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(jìn)行了詳細(xì)的講解，其中重點(diǎn)對(duì)MOS場(chǎng)效應(yīng)管的損耗問題進(jìn)行了研究和分析。其次本文也對(duì)本實(shí)驗(yàn)用到的器件進(jìn)行了簡(jiǎn)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(duì)系統(tǒng)的穩(wěn)定性進(jìn)行了分析。最后根據(jù)自己的仿真結(jié)果做出了實(shí)際電路并進(jìn)調(diào)試一切正常，達(dá)到了所需要的效果。

　　1 緒論

　　1.1開關(guān)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(gè)龐大的工業(yè)， 材料、工藝、外封裝的不斷改進(jìn)， 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(lǐng)域迅速推廣。現(xiàn)已有數(shù)家產(chǎn)值達(dá)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(shè)計(jì)成用戶需要的電源系統(tǒng)。

　　激烈的競(jìng)爭(zhēng)局面， 導(dǎo)致各廠家積極采用先進(jìn)技術(shù)， 使模塊以最小的體積達(dá)到最高的功率輸出，某些新產(chǎn)品的功率密度已可達(dá)每立方英寸10瓦。提高效率和輸出功率是大家追求的目標(biāo)， 場(chǎng)效應(yīng)開關(guān)管、肖特基整流管以及磁性材料的改進(jìn)， 都是關(guān)鍵因素。

　　計(jì)算機(jī)工業(yè)的發(fā)展給DC/DC電源提出了新的目標(biāo)。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(dòng)電流較大， 一個(gè)需5A 電流的設(shè)計(jì)至少要25 瓦輸出的電源模塊。為節(jié)省能源， 新的CMOSIC設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)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(jìn)尚依賴于半導(dǎo)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(jìn)步［1］。

　　DC/DC模塊的外封裝的散熱也是個(gè)關(guān)鍵間題。由于體積的限制，模塊外殼需有良好的導(dǎo)熱能力， 否則將燒毀內(nèi)部半導(dǎo)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(dǎo)熱較好， 給DC/DC模塊的發(fā)展提供的新的方向。

　　1.2開關(guān)電源的分類

　　1.2.1按驅(qū)動(dòng)方式分類

　　1）自激式開關(guān)電源開關(guān)管起著振蕩器器件和功率開關(guān)的作用。

　　2）他激式開關(guān)電源備有專門獨(dú)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(guān)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(guān)變換器，是交流輸出開關(guān)電源和不間斷電源（UPS）的主要部件。

　　3）開關(guān)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(yīng)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(guān)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(guān)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(gè)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(guān)管關(guān)斷和開通工作條件分類

　　1）硬開關(guān)變換器功率開關(guān)器件是在承受電壓或電流應(yīng)力的情況下接通或關(guān)斷的。這樣不但產(chǎn)生開關(guān)損耗，而且形成開關(guān)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(shè)備的要求。

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

　　1.3開關(guān)電源的特點(diǎn)

　　DC/DC 電源在70 年代即得到應(yīng)用， 已形成模塊化產(chǎn)品。由于DC/DC電路設(shè)計(jì)相對(duì)較簡(jiǎn)單、費(fèi)用低， 可以快速的良好設(shè)計(jì)解決大量復(fù)雜問題， 而且已經(jīng)形成一整套DC/DC電源的設(shè)計(jì)、測(cè)試、生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)。這就大大簡(jiǎn)化了電子、電器設(shè)備系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程。在較大型設(shè)備中（ 如程控交換機(jī)） ， 電源往往占據(jù)系統(tǒng)費(fèi)用的20 %左右， 電源設(shè)計(jì)考慮不周常因電源故障而使整個(gè)系統(tǒng)不能正常工作。

　　采用DC/DC供電方式是目前最簡(jiǎn)單而最易行的辦法。在系統(tǒng)的設(shè)計(jì)初期，即可根據(jù)系統(tǒng)內(nèi)部各級(jí)部件電路對(duì)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(duì)DC/DC模塊有特殊要求， 也可請(qǐng)DC/DC二模塊生產(chǎn)廠家進(jìn)行特殊設(shè)計(jì)和生產(chǎn)。從而可使設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)。采用DC/DC模塊化電源即可使這一切成為現(xiàn)實(shí)。采用小型化的電源模塊可大大減化設(shè)備結(jié)構(gòu)， 減小體積重量， 同時(shí)， 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(shè)計(jì)費(fèi)用和設(shè)備成本。

　　1.4本文主要工作

　　本文的主要工作是分析設(shè)計(jì)了一種PWM升壓型DC/DC變換器的控制芯片。本文共分六個(gè)章節(jié)詳細(xì)介紹。

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

　　第二章闡述了開關(guān)電源的基礎(chǔ)知識(shí)，其中包括了軟開關(guān)技術(shù)、全橋控制技術(shù)、電源開關(guān)常用的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、電源開關(guān)的調(diào)制方式以及開關(guān)電源的控制方式，在此對(duì)每一項(xiàng)都進(jìn)行了詳細(xì)的介紹的分析。

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

　　第四章分析了參與主電路的開關(guān)電源控制芯片TL494的設(shè)計(jì)，本文也對(duì)此進(jìn)行了詳細(xì)的描述。

　　第五章介紹了開關(guān)電源反饋電路的設(shè)計(jì)。

　　第六章是本文的結(jié)論，寫出了本人對(duì)這次設(shè)計(jì)的感想和一些看法。