曹向麗-高壓開關(guān)電路及設(shè)計(jì)與應(yīng)用.doc

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中國(guó)石油大學(xué)（華東）現(xiàn)代遠(yuǎn)程教育 畢業(yè)設(shè)計(jì)（論文） 題 目：高壓開關(guān)電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用 學(xué)習(xí)中心：重慶信息工程專修學(xué)院奧鵬學(xué)習(xí)中心 年級(jí)專業(yè)： 0509級(jí)電子信息工程 學(xué)生姓名： 曹向麗 學(xué) 號(hào)： 0541580189 指導(dǎo)教師： 楊秀珍 職 稱： 講師 導(dǎo)師單位： 重慶信息工程專修學(xué)院 中國(guó)石油大學(xué)（華東）遠(yuǎn)程與繼續(xù)教育學(xué)院 論文完成時(shí)間： 2007 年 5 月 22 日 目 錄 目 錄 i 第1章 前言 1 第2章 通信電源設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn) 2 2.1 穩(wěn)壓器的挑戰(zhàn) 2 2.2 散熱的挑戰(zhàn) 2 2.3 輸入噪聲的挑戰(zhàn) 2 2.4 低成本要求的挑戰(zhàn) 3 2.5 減小功率晶體管開關(guān)損失可以采取的措施 3 2.6 通信電源設(shè)計(jì)新技術(shù) 4 2.6.1 多相技術(shù) 4 2.6.2 板載電源 5 第3章　電路原理 7 第4章 電路設(shè)計(jì)要點(diǎn) 8 4.1 PWM控制電路 8 4.2　變壓器驅(qū)動(dòng)電路 9 4.3　采樣反饋電路 9 第5章　性能測(cè)試 11 第6章　結(jié) 論 12 致 謝 13 參考文獻(xiàn) 14 第1章 前言 隨著電源技術(shù)的不斷發(fā)展和成熟，開關(guān)電源作為一種體積小、重量輕、高頻、高效率的電力變換裝置，被廣泛用于各個(gè)領(lǐng)域。雷達(dá)顯示器作為雷達(dá)系統(tǒng)的“眼睛”要求起其具有高可靠性，而其電源的可靠性則要求更高。 為了處理日益增加的、更為復(fù)雜的適時(shí)計(jì)算，當(dāng)今的通信系統(tǒng)采用了大量的高功率計(jì)算IC，包括CPU、FGPA(Field Programmable Gate Array即現(xiàn)場(chǎng)可編程邏輯門陣列)和存儲(chǔ)器。對(duì)計(jì)算速度增長(zhǎng)的需要促使時(shí)鐘頻率和供電電流的相應(yīng)增加，有些設(shè)備的供電電流已經(jīng)超過(guò)100A。隨著供電電流的增加，而供電電壓卻反而呈下降的趨勢(shì)，這主要是因?yàn)橛?jì)算設(shè)備此時(shí)可以用很好的線寬工藝來(lái)制造。此外，低電壓、大電流對(duì)功耗是十分敏感的，所以對(duì)于電源設(shè)計(jì)者來(lái)說(shuō)，需要采用更先進(jìn)的新器件、新技術(shù)、新材料、新工藝來(lái)逐步減小開關(guān)電源的體積和重量，改善電氣性能指標(biāo)，提高工作可靠性，降低對(duì)電網(wǎng)的污染，消除對(duì)其它設(shè)備的干擾，增強(qiáng)智能化程度等是其基本發(fā)展方向。 在復(fù)印設(shè)備、醫(yī)學(xué)儀器等精密電子系統(tǒng)中，廣泛使用高電壓、低電流的小功率電源。同時(shí)要求電源系統(tǒng)具有重量輕、響應(yīng)速度快、穩(wěn)定性好、可靠性高等特點(diǎn)。為了上述滿足精密電子系統(tǒng)的要求，設(shè)計(jì)制作了一種新型高壓開關(guān)電源。該電源具有穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)，能廣泛應(yīng)用于復(fù)印設(shè)備、醫(yī)學(xué)儀器等精密電子系統(tǒng)中。 第2章 通信電源設(shè)計(jì)面臨的挑戰(zhàn) 在當(dāng)今的許多系統(tǒng)中，通信系統(tǒng)里線路板的成本是最昂貴的。故而尺寸的限制，加上低成本和新技術(shù)挑戰(zhàn)的壓力，使低壓、大電流電源的設(shè)計(jì)成為通信系統(tǒng)設(shè)計(jì)中最難任務(wù)之一。 2.1 穩(wěn)壓器的挑戰(zhàn) 由于供電電壓不斷降低，已經(jīng)達(dá)到1V，即使在電源干線上低到mV級(jí)的紋波，都可能給計(jì)算設(shè)備帶來(lái)很大的影響。而大電流是產(chǎn)生電壓紋波的主要根源，包括它在PCB板走線上，或在電源與CPU電源引腳間連接器上產(chǎn)生的10-50mV的電壓降。當(dāng)輸出電壓在l-1.5V范圍內(nèi)時(shí)，這種電壓降就顯得更為重要。因此，就必須在正向輸出干線和輸出回路(或負(fù)向輸出)干線上進(jìn)行電壓采樣。另外一個(gè)問(wèn)題是現(xiàn)代的計(jì)算設(shè)備可以根據(jù)系統(tǒng)發(fā)出的命令不同而使供電電流瞬間改變，甚至高達(dá)20A。這樣大幅度的負(fù)載變化，伴隨著快速的電流轉(zhuǎn)換速率使電壓產(chǎn)生過(guò)沖。為了處理這些動(dòng)態(tài)負(fù)載和減小輸出電容，必須采用具有極其快速瞬態(tài)響應(yīng)的電源。 2.2 散熱的挑戰(zhàn) 隨著系統(tǒng)復(fù)雜性的增加，系統(tǒng)封裝的密度也相應(yīng)增大。散熱成為系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)者必須面對(duì)的挑戰(zhàn)之一。同時(shí)，對(duì)電壓的穩(wěn)定性要求苛刻的高性能的計(jì)算設(shè)備還要求對(duì)它供電的電源進(jìn)行管理。因此，減小電源的功耗，排除PCB和功率器件上的過(guò)熱點(diǎn)是非常重要的，這可以避免為已經(jīng)很熱的計(jì)算設(shè)備增加熱量。 2.3 輸入噪聲的挑戰(zhàn) 由于在許多通信子系統(tǒng)中，負(fù)載電源的分布總線通常使用3.3V，3.3V總線上的噪聲必須減小，以確保從電源總線上獲得功率的邏輯設(shè)備正確工作。由于在降壓開關(guān)電源中輸入電流存在波動(dòng)，這就需要大量的輸人電容或LC濾波器用以濾除輸入噪聲。這樣的濾波電路通常會(huì)由于輸出電流的增加或輸人電壓的降低而使體積和成本增加。 2.4 低成本要求的挑戰(zhàn) 成品的電源模塊，如“磚型模塊”是非常昂貴的。此外，標(biāo)淮電源模塊對(duì)大多數(shù)應(yīng)用而言，都遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)實(shí)際所用電源的指標(biāo)要求。因此，定制一種模塊會(huì)花費(fèi)時(shí)間和額外的費(fèi)用，系統(tǒng)設(shè)計(jì)者應(yīng)尋找其他節(jié)省成本的電源。 2.5 減小功率晶體管開關(guān)損失可以采取的措施 （1）回能吸收電路：是將緩沖電容上的儲(chǔ)能返回電源或負(fù)載，或稱為無(wú)損吸收電路。 （2）有源箱位：是將電容器上的儲(chǔ)能，由功率晶體管操作，在所需時(shí)間加以利用。 （3）MOSFET與IGBT并聯(lián)運(yùn)行:利用了IGBT通態(tài)壓降小、入們SFET關(guān)斷速度快的優(yōu)點(diǎn)組合成一個(gè)性能優(yōu)良的等效開關(guān)器件，此方法可應(yīng)用于各種電路。IGBT工作在軟關(guān)斷狀態(tài)，但電路屬硬開關(guān)性質(zhì)，可用回能吸收電路減小MOSFET的關(guān)斷損耗。由于其輔助電路簡(jiǎn)單，只要驅(qū)動(dòng)脈沖配合好，不論在滿載或空載，兩管的工作都能自動(dòng)適配，負(fù)載電流小時(shí)兩管電流同時(shí)減小。MOSFE中沒有過(guò)大的峰值電流，可靠性高。沒有像零電壓開通(ZVS)和零電流轉(zhuǎn)移(ZCT)諧振電路所有的幾乎是固定的對(duì)應(yīng)于近于兩倍額定負(fù)載分量的峰值電流。 （4）零電壓開通(ZVS)和零電壓轉(zhuǎn)換(ZCT)：主開關(guān)管并聯(lián)一個(gè)吸收電容器，減小關(guān)斷損耗，相當(dāng)于回能吸收電路；ZVS工作過(guò)程是先將電容電壓放電到零，再開通主開關(guān)管。ZVT是指在主開關(guān)管兩端并聯(lián)一個(gè)諧振電感與輔助開關(guān)管串聯(lián)通路，來(lái)實(shí)現(xiàn)零電壓開通的電路。 （5）零電流關(guān)斷(ZCS)和零電流轉(zhuǎn)換(ZCT)：ZCS是指先將主開關(guān)管的電流減小到零，再關(guān)斷主開關(guān)管;ZCT是指在主開關(guān)管兩端并聯(lián)一個(gè)諧振電容器、諧振電感與輔助開關(guān)管串聯(lián)通路，來(lái)實(shí)現(xiàn)零電流關(guān)斷的電路。 2.6 通信電源設(shè)計(jì)新技術(shù) 2.6.1 多相技術(shù) 為提高電流容量，傳統(tǒng)的單相方案采用多個(gè)MOSFET并聯(lián)，再用一個(gè)龐大的電感器濾波，這種方法一方面會(huì)導(dǎo)致在MOSFET上產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗，且在電感器和MOSFET焊盤上引起電流堆積，影響PCB板的可靠性；另一方面，由于效率與開關(guān)頻率都很低，必須使用大輸出電感器，使瞬態(tài)響應(yīng)變慢。多相拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)基于現(xiàn)有的單相結(jié)構(gòu)之上，能有效解決單相結(jié)構(gòu)中較大的紋波電壓和較慢的瞬態(tài)響應(yīng)之間的矛盾，非常適合低電壓大電流精密電源的設(shè)計(jì)。多相技術(shù)的主要優(yōu)點(diǎn)： 紋波電流的消除使輸人電容、輸出電感和輸出電容的體積及成本降低。 輸人紋波電流的消除減少了輸人噪聲，這對(duì)于3.3V分布式總線的應(yīng)用更具有吸引力。 可達(dá)到更快的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。因?yàn)椴⒙?lián)輸出電感可以改善瞬態(tài)響應(yīng)，比較小的等效電感可以提高輸出電流的轉(zhuǎn)換速率。 可獲得更高的效率。這是由干多相技術(shù)有較低的開關(guān)損耗和一致的電流分布，這更有助于減少熱量，提高整個(gè)系統(tǒng)的可靠性。 一般來(lái)說(shuō)相對(duì)于普通的單相PWM控制，多相PWM控制DC/DC變換器增加了一個(gè)或多個(gè)變換器，而且每個(gè)變換器的相位相對(duì)有一定間隔，如上圖的兩相PWM控制變換器的兩個(gè)變換器ON/OFF相對(duì)間隔為180。工作中功率被平均分配到兩個(gè)通道中，從而減小了各相承擔(dān)的電流，避免了開關(guān)管、整流管、輸出電感等器件過(guò)于疲勞，發(fā)熱過(guò)于集中。并且由于通道之間交叉開閉，電流相互疊加，大大減少了輸入、輸出電流紋波，減小電磁干擾EMI。多相PWM控制使輸入電流有效值減小，可提高效率。在有效瞬態(tài)響應(yīng)模式下，相位是按時(shí)間分布的，所獲得的電流斜率是所有相位斜率之和，因此可大大縮短調(diào)節(jié)時(shí)間(過(guò)渡時(shí)間)，提高電源的快速瞬態(tài)響應(yīng)能力。 2.6.2 板載電源 在低電壓大電流電源應(yīng)用中，由于每個(gè)板上的電源額定功率可以根據(jù)實(shí)際消耗的功率很容易地調(diào)整，電源的成本和體積就可以減小。因而板載電源已成為必然趨勢(shì)，與標(biāo)準(zhǔn)電源模塊相比，板載電源具有以下優(yōu)勢(shì)： （1）更強(qiáng)的負(fù)載調(diào)節(jié)能力：板載電源不存在電源輸出與負(fù)載之間的互聯(lián)電阻和電感，可以獲得更好的直流和瞬態(tài)調(diào)節(jié)效果。 （2）更高的效率：板載電源消除了電源連接器上的傳導(dǎo)損耗，而且可以使用接地層和其它直流電源層傳導(dǎo)直流電源，接地層和其它直流電源層的阻抗低于電源模塊的阻抗，從而降低了PCB引線上的傳導(dǎo)損耗，使電源具有更高的效率。 （3）更好的散熱管理：對(duì)板載電源而言，整個(gè)系統(tǒng)電路板起到了散熱器的作用，因此，熱點(diǎn)位置的溫度要比電源模塊上的低得多，從而提高了系統(tǒng)的長(zhǎng)期可靠性。 （4）更低的成本：板載電源的額定功率可以根據(jù)實(shí)際功率需要來(lái)確定，另外，它還節(jié)省了大電流連接器，在理想的瞬態(tài)調(diào)節(jié)能力下，僅使用單個(gè)或幾個(gè)輸出去耦電容，就能達(dá)到理想的性能要求，因此，與標(biāo)準(zhǔn)大功率電源模塊相比，板載電源成本更低、體積更小。 第3章　電路原理　 系統(tǒng)原理框圖如圖3-1所示。高壓電源的輸入信號(hào)來(lái)自220V的交流市電，經(jīng)整流濾波后與PWM脈沖調(diào)制器的輸出信號(hào)一起驅(qū)動(dòng)高頻變壓器，通過(guò)高頻變壓器得到的高壓電源再經(jīng)整流濾波后，輸出直流高壓。輸出反饋信號(hào)經(jīng)光電隔離后反饋給脈沖調(diào)制器，通過(guò)與脈沖調(diào)制器中誤差放大器的基準(zhǔn)電壓比較，控制脈沖調(diào)制器的輸出占空比，以調(diào)節(jié)輸出電壓。 圖3-1系統(tǒng)原理框圖 第4章 電路設(shè)計(jì)要點(diǎn) 4.1 PWM控制電路　 系統(tǒng)采用的PWM調(diào)制器為SG3524型號(hào)[4]的芯片，電路如圖4-1所示。在芯片的電源信號(hào)入口端并聯(lián)一電容C2構(gòu)成一個(gè)軟啟動(dòng)電路。設(shè)計(jì)軟啟動(dòng)電路的目的是防止在電源突然開通時(shí)產(chǎn)生的過(guò)大電流對(duì)芯片造成沖擊。在剛通電時(shí)，電容兩端電壓不能突變，它的電壓隨外部電源對(duì)其充電而逐漸升高，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間后，電路進(jìn)入正常工作狀態(tài)。這樣保證了輸入電壓緩慢地建立起來(lái)，確保芯片不受損壞。輸出電路的開關(guān)功率管選用MOS功率管。由于功率管是在高頻狀態(tài)下工作會(huì)產(chǎn)生振蕩。為了消除這種寄生振蕩，應(yīng)盡量減少與功率管各管腳的連線長(zhǎng)度，特別是柵極引線的長(zhǎng)度。若無(wú)法減少其長(zhǎng)度，可以串聯(lián)小電阻，且盡量靠近管子?xùn)艠O。圖中R3既是功率管的柵極限流電阻，又與R4一起消除功率管工作時(shí)產(chǎn)生的寄生振蕩。 圖4-1　PWM電路圖 4.2　變壓器驅(qū)動(dòng)電路 圖4-2　高壓變壓器驅(qū)動(dòng)電路 　 驅(qū)動(dòng)電路采用單端驅(qū)動(dòng)工作方式，這種電路簡(jiǎn)單、工作可靠性高。功率管由來(lái)自SG3524芯片的信號(hào)驅(qū)動(dòng)。11、14腳的單端并聯(lián)輸出。當(dāng)SG3524輸出高電平時(shí)，功率管導(dǎo)通，在電感L中儲(chǔ)能；輸出低電平時(shí)，功率管截止，導(dǎo)致流過(guò)電感L上的電流突然下降為零，L產(chǎn)生反電勢(shì)。該反電勢(shì)的脈沖電壓加在高頻變壓器的輸入端，驅(qū)動(dòng)變壓器工作。同時(shí)，電感L作變壓器的阻抗匹配元件。 由高頻變壓器輸出的交流電壓經(jīng)二極管VD2、VD3進(jìn)行整流倍壓后，再經(jīng)C2濾波，得到高壓輸出。 4.3　采樣反饋電路　 反饋回路中，對(duì)輸出電壓信號(hào)的取樣，采用在輸出端并聯(lián)電阻，再將高壓經(jīng)電阻串聯(lián)衰減的方法實(shí)現(xiàn)?！　? R3、R4、RW為電壓取樣反饋電阻。電壓經(jīng)隔離反饋后，從SG3524芯片的1腳輸入，控制占空比，進(jìn)而調(diào)節(jié)輸出電壓，達(dá)到穩(wěn)壓的目的。其穩(wěn)壓原理是：若輸出電壓偏高，采樣反饋的信號(hào)也偏高，與SG3524中誤差放大器的基準(zhǔn)電壓比較后的電壓偏低，導(dǎo)致占空比的寬度變窄，引起輸出電壓下降；反之亦然。RW是可調(diào)電阻，通過(guò)調(diào)節(jié)RW來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。 第5章　性能測(cè)試 系統(tǒng)的輸出電壓通過(guò)取樣電阻RW來(lái)調(diào)節(jié)，改變可變電阻的值可以改變輸出電壓。圖5-1是取樣電阻RW為20kΩ時(shí)的輸出電壓波形圖。由圖中可以看出，輸出電壓從0V上升到5kV的響應(yīng)時(shí)間為0.5s左右，電源系統(tǒng)具有較快的響應(yīng)速度。同時(shí)，由圖（b）中的電壓波形局部放大圖可見，輸出電壓為5000V時(shí)，其最大電壓波動(dòng)小于5%。 (a) 輸出電壓響應(yīng)圖 (b) 電壓波形局部放大 圖5-1 可變電阻為20kΩ時(shí)的電壓輸出波形圖 當(dāng)RW調(diào)節(jié)至10kΩ時(shí)，電壓輸出如圖5-2，此時(shí)輸出電壓約為2500V。此時(shí)高壓電源的響應(yīng)速度有所提高，而穩(wěn)定性基本不變。 圖5-2可變電阻為10kΩ時(shí)的電壓輸出波形圖 第6章　結(jié) 論 采用單端反激式變換器，設(shè)計(jì)制作了一高壓開關(guān)電源。通過(guò)對(duì)所制作電源的性能測(cè)試可以得出，此高壓開關(guān)電源具有體積小、穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。能廣泛應(yīng)用于要求高電壓、低電流的小型電源系統(tǒng)中。用板載電源的設(shè)計(jì)技術(shù)和多相工作技術(shù)可以滿足通信系統(tǒng)中所需要的低電壓、大電流電源的要求?？傊?，它與傳統(tǒng)方法相比降低了成本，并可以得到更好的性能。對(duì)于有隔離的電源，同步整流和副邊控制技術(shù)也正由于它們的效率高和快速瞬態(tài)響應(yīng)的特性而被普遍采用。 隨著這種電源應(yīng)用量的不斷增加，證明其具有較高的工作效率和良好的可靠性，完全滿足雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)各分機(jī)設(shè)計(jì)要求。 致 謝 感謝我的指導(dǎo)老師還有所有教過(guò)我的老師，他們嚴(yán)謹(jǐn)細(xì)致、一絲不茍的作風(fēng)一直是我工作、學(xué)習(xí)中的榜樣；他們循循善誘的教導(dǎo)和不拘一格的思路給予我無(wú)盡的啟迪。 感謝我的大學(xué)同學(xué)對(duì)我的幫助和指點(diǎn)。沒有他們的幫助和提供資料對(duì)于我一個(gè)對(duì)網(wǎng)絡(luò)知識(shí)一竅不通的人來(lái)說(shuō)要想在短短的幾個(gè)的時(shí)間里學(xué)習(xí)到網(wǎng)絡(luò)知識(shí)并完成畢業(yè)論文是幾乎不可能的事情。感謝我的所有同學(xué)和朋友對(duì)我的支持和關(guān)懷。 在論文即將完成之際，我的心情無(wú)法平靜，從開始進(jìn)入課題到論文的順利完成，有多少可敬的師長(zhǎng)、同學(xué)、朋友給了我無(wú)言的幫助，在這里請(qǐng)接受我誠(chéng)摯的謝意！ 更感謝我的養(yǎng)我的黃土高原，感謝父老鄉(xiāng)親，感謝一把屎一把尿把我喂大的父母。感謝我忘不掉的甘甜的泉水。 參考文獻(xiàn) [1] 陳緒勝.SH412高壓開關(guān)電源的設(shè)計(jì).微電子學(xué)，1996，26（2）：75-78 [2] 戴曉明，李振國(guó).新型高壓開關(guān)電源的研制。原子能科學(xué)技術(shù)，2000，34（2）：125-127 [3] 魏海明，揚(yáng)興瑤.實(shí)用電子電路500例[M]，化學(xué)工業(yè)出版社，2000 [4] 沙占友等編．特種集成電源最新應(yīng)用技術(shù)[M]．北京：人民郵電出版社，2000. 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