曹向丽-高压开关电路及设计与应用.doc

中国石油大学（华东）现代远程教育毕业设计（论文）题 目：高压开关电路的设计与应用 学习中心：重庆信息工程专修学院奥鹏学习中心 年级专业： 0509级电子信息工程 学生姓名： 曹向丽 学 号： 0541580189 指导教师： 杨秀珍 职 称： 讲师 导师单位： 重庆信息工程专修学院 中国石油大学（华东）远程与继续教育学院论文完成时间： 2007 年 5 月 22 日目 录目 录i第1章 前言1第2章 通信电源设计面临的挑战22.1 稳压器的挑战22.2 散热的挑战22.3 输入噪声的挑战22.4 低成本要求的挑战32.5 减小功率晶体管开关损失可以采取的措施32.6 通信电源设计新技术42.6.1 多相技术42.6.2 板载电源5第3章电路原理7第4章 电路设计要点84.1 PWM控制电路84.2变压器驱动电路94.3采样反馈电路9第5章性能测试11第6章结 论12致 谢13参考文献14第1章 前言 随着电源技术的不断发展和成熟，开关电源作为一种体积小、重量轻、高频、高效率的电力变换装置，被广泛用于各个领域。雷达显示器作为雷达系统的“眼睛”要求起其具有高可靠性，而其电源的可靠性则要求更高。为了处理日益增加的、更为复杂的适时计算，当今的通信系统采用了大量的高功率计算IC，包括CPU、FGPA(Field Programmable Gate Array即现场可编程逻辑门阵列)和存储器。对计算速度增长的需要促使时钟频率和供电电流的相应增加，有些设备的供电电流已经超过100A。随着供电电流的增加，而供电电压却反而呈下降的趋势，这主要是因为计算设备此时可以用很好的线宽工艺来制造。此外，低电压、大电流对功耗是十分敏感的，所以对于电源设计者来说，需要采用更先进的新器件、新技术、新材料、新工艺来逐步减小开关电源的体积和重量，改善电气性能指标，提高工作可靠性，降低对电网的污染，消除对其它设备的干扰，增强智能化程度等是其基本发展方向。在复印设备、医学仪器等精密电子系统中，广泛使用高电压、低电流的小功率电源。同时要求电源系统具有重量轻、响应速度快、稳定性好、可靠性高等特点。为了上述满足精密电子系统的要求，设计制作了一种新型高压开关电源。该电源具有稳定性好、响应速度快等优点，能广泛应用于复印设备、医学仪器等精密电子系统中。 第2章 通信电源设计面临的挑战 在当今的许多系统中，通信系统里线路板的成本是最昂贵的。故而尺寸的限制，加上低成本和新技术挑战的压力，使低压、大电流电源的设计成为通信系统设计中最难任务之一。2.1 稳压器的挑战 由于供电电压不断降低，已经达到1V，即使在电源干线上低到mV级的纹波，都可能给计算设备带来很大的影响。而大电流是产生电压纹波的主要根源，包括它在PCB板走线上，或在电源与CPU电源引脚间连接器上产生的10-50mV的电压降。当输出电压在l-1.5V范围内时，这种电压降就显得更为重要。因此，就必须在正向输出干线和输出回路(或负向输出)干线上进行电压采样。另外一个问题是现代的计算设备可以根据系统发出的命令不同而使供电电流瞬间改变，甚至高达20A。这样大幅度的负载变化，伴随着快速的电流转换速率使电压产生过冲。为了处理这些动态负载和减小输出电容，必须采用具有极其快速瞬态响应的电源。2.2 散热的挑战 随着系统复杂性的增加，系统封装的密度也相应增大。散热成为系统硬件设计者必须面对的挑战之一。同时，对电压的稳定性要求苛刻的高性能的计算设备还要求对它供电的电源进行管理。因此，减小电源的功耗，排除PCB和功率器件上的过热点是非常重要的，这可以避免为已经很热的计算设备增加热量。2.3 输入噪声的挑战 由于在许多通信子系统中，负载电源的分布总线通常使用3.3V，3.3V总线上的噪声必须减小，以确保从电源总线上获得功率的逻辑设备正确工作。由于在降压开关电源中输入电流存在波动，这就需要大量的输人电容或LC滤波器用以滤除输入噪声。这样的滤波电路通常会由于输出电流的增加或输人电压的降低而使体积和成本增加。2.4 低成本要求的挑战 成品的电源模块，如“砖型模块”是非常昂贵的。此外，标淮电源模块对大多数应用而言，都远远超过实际所用电源的指标要求。因此，定制一种模块会花费时间和额外的费用，系统设计者应寻找其他节省成本的电源。2.5 减小功率晶体管开关损失可以采取的措施 （1）回能吸收电路：是将缓冲电容上的储能返回电源或负载，或称为无损吸收电路。 （2）有源箱位：是将电容器上的储能，由功率晶体管操作，在所需时间加以利用。 （3）MOSFET与IGBT并联运行:利用了IGBT通态压降小、入们SFET关断速度快的优点组合成一个性能优良的等效开关器件，此方法可应用于各种电路。IGBT工作在软关断状态，但电路属硬开关性质，可用回能吸收电路减小MOSFET的关断损耗。由于其辅助电路简单，只要驱动脉冲配合好，不论在满载或空载，两管的工作都能自动适配，负载电流小时两管电流同时减小。MOSFE中没有过大的峰值电流，可靠性高。没有像零电压开通(ZVS)和零电流转移(ZCT)谐振电路所有的几乎是固定的对应于近于两倍额定负载分量的峰值电流。 （4）零电压开通(ZVS)和零电压转换(ZCT)：主开关管并联一个吸收电容器，减小关断损耗，相当于回能吸收电路；ZVS工作过程是先将电容电压放电到零，再开通主开关管。ZVT是指在主开关管两端并联一个谐振电感与辅助开关管串联通路，来实现零电压开通的电路。（5）零电流关断(ZCS)和零电流转换(ZCT)：ZCS是指先将主开关管的电流减小到零，再关断主开关管;ZCT是指在主开关管两端并联一个谐振电容器、谐振电感与辅助开关管串联通路，来实现零电流关断的电路。2.6 通信电源设计新技术2.6.1 多相技术 为提高电流容量，传统的单相方案采用多个MOSFET并联，再用一个庞大的电感器滤波，这种方法一方面会导致在MOSFET上产生较大的开关损耗，且在电感器和MOSFET焊盘上引起电流堆积，影响PCB板的可靠性；另一方面，由于效率与开关频率都很低，必须使用大输出电感器，使瞬态响应变慢。多相拓扑结构基于现有的单相结构之上，能有效解决单相结构中较大的纹波电压和较慢的瞬态响应之间的矛盾，非常适合低电压大电流精密电源的设计。多相技术的主要优点： 纹波电流的消除使输人电容、输出电感和输出电容的体积及成本降低。 输人纹波电流的消除减少了输人噪声，这对于3.3V分布式总线的应用更具有吸引力。 可达到更快的负载瞬态响应。因为并联输出电感可以改善瞬态响应，比较小的等效电感可以提高输出电流的转换速率。 可获得更高的效率。这是由干多相技术有较低的开关损耗和一致的电流分布，这更有助于减少热量，提高整个系统的可靠性。一般来说相对于普通的单相PWM控制，多相PWM控制DC/DC变换器增加了一个或多个变换器，而且每个变换器的相位相对有一定间隔，如上图的两相PWM控制变换器的两个变换器ON/OFF相对间隔为180。工作中功率被平均分配到两个通道中，从而减小了各相承担的电流，避免了开关管、整流管、输出电感等器件过于疲劳，发热过于集中。并且由于通道之间交叉开闭，电流相互叠加，大大减少了输入、输出电流纹波，减小电磁干扰EMI。多相PWM控制使输入电流有效值减小，可提高效率。在有效瞬态响应模式下，相位是按时间分布的，所获得的电流斜率是所有相位斜率之和，因此可大大缩短调节时间(过渡时间)，提高电源的快速瞬态响应能力。2.6.2 板载电源在低电压大电流电源应用中，由于每个板上的电源额定功率可以根据实际消耗的功率很容易地调整，电源的成本和体积就可以减小。因而板载电源已成为必然趋势，与标准电源模块相比，板载电源具有以下优势：（1）更强的负载调节能力：板载电源不存在电源输出与负载之间的互联电阻和电感，可以获得更好的直流和瞬态调节效果。（2）更高的效率：板载电源消除了电源连接器上的传导损耗，而且可以使用接地层和其它直流电源层传导直流电源，接地层和其它直流电源层的阻抗低于电源模块的阻抗，从而降低了PCB引线上的传导损耗，使电源具有更高的效率。（3）更好的散热管理：对板载电源而言，整个系统电路板起到了散热器的作用，因此，热点位置的温度要比电源模块上的低得多，从而提高了系统的长期可靠性。（4）更低的成本：板载电源的额定功率可以根据实际功率需要来确定，另外，它还节省了大电流连接器，在理想的瞬态调节能力下，仅使用单个或几个输出去耦电容，就能达到理想的性能要求，因此，与标准大功率电源模块相比，板载电源成本更低、体积更小。 第3章电路原理系统原理框图如图3-1所示。高压电源的输入信号来自220V的交流市电，经整流滤波后与PWM脉冲调制器的输出信号一起驱动高频变压器，通过高频变压器得到的高压电源再经整流滤波后，输出直流高压。输出反馈信号经光电隔离后反馈给脉冲调制器，通过与脉冲调制器中误差放大器的基准电压比较，控制脉冲调制器的输出占空比，以调节输出电压。 图3-1系统原理框图 第4章 电路设计要点4.1 PWM控制电路 系统采用的PWM调制器为SG3524型号4的芯片，电路如图4-1所示。在芯片的电源信号入口端并联一电容C2构成一个软启动电路。设计软启动电路的目的是防止在电源突然开通时产生的过大电流对芯片造成冲击。在刚通电时，电容两端电压不能突变，它的电压随外部电源对其充电而逐渐升高，经过一段时间后，电路进入正常工作状态。这样保证了输入电压缓慢地建立起来，确保芯片不受损坏。输出电路的开关功率管选用MOS功率管。由于功率管是在高频状态下工作会产生振荡。为了消除这种寄生振荡，应尽量减少与功率管各管脚的连线长度，特别是栅极引线的长度。若无法减少其长度，可以串联小电阻，且尽量靠近管子栅极。图中R3既是功率管的栅极限流电阻，又与R4一起消除功率管工作时产生的寄生振荡。图4-1PWM电路图4.2变压器驱动电路图4-2高压变压器驱动电路 驱动电路采用单端驱动工作方式，这种电路简单、工作可靠性高。功率管由来自SG3524芯片的信号驱动。11、14脚的单端并联输出。当SG3524输出高电平时，功率管导通，在电感L中储能；输出低电平时，功率管截止，导致流过电感L上的电流突然下降为零，L产生反电势。该反电势的脉冲电压加在高频变压器的输入端，驱动变压器工作。同时，电感L作变压器的阻抗匹配元件。由高频变压器输出的交流电压经二极管VD2、VD3进行整流倍压后，再经C2滤波，得到高压输出。 4.3采样反馈电路反馈回路中，对输出电压信号的取样，采用在输出端并联电阻，再将高压经电阻串联衰减的方法实现。 R3、R4、RW为电压取样反馈电阻。电压经隔离反馈后，从SG3524芯片的1脚输入，控制占空比，进而调节输出电压，达到稳压的目的。其稳压原理是：若输出电压偏高，采样反馈的信号也偏高，与SG3524中误差放大器的基准电压比较后的电压偏低，导致占空比的宽度变窄，引起输出电压下降；反之亦然。RW是可调电阻，通过调节RW来调节输出电压。 第5章性能测试系统的输出电压通过取样电阻RW来调节，改变可变电阻的值可以改变输出电压。图5-1是取样电阻RW为20k时的输出电压波形图。由图中可以看出，输出电压从0V上升到5kV的响应时间为0.5s左右，电源系统具有较快的响应速度。同时，由图（b）中的电压波形局部放大图可见，输出电压为5000V时，其最大电压波动小于5%。 (a) 输出电压响应图 (b) 电压波形局部放大图5-1 可变电阻为20k时的电压输出波形图当RW调节至10k时，电压输出如图5-2，此时输出电压约为2500V。此时高压电源的响应速度有所提高，而稳定性基本不变。 图5-2可变电阻为10k时的电压输出波形图第6章结 论 采用单端反激式变换器，设计制作了一高压开关电源。通过对所制作电源的性能测试可以得出，此高压开关电源具有体积小、稳定性好、响应速度快等优点。能广泛应用于要求高电压、低电流的小型电源系统中。用板载电源的设计技术和多相工作技术可以满足通信系统中所需要的低电压、大电流电源的要求。总之，它与传统方法相比降低了成本，并可以得到更好的性能。对于有隔离的电源，同步整流和副边控制技术也正由于它们的效率高和快速瞬态响应的特性而被普遍采用。 随着这种电源应用量的不断增加，证明其具有较高的工作效率和良好的可靠性，完全满足雷达系统对各分机设计要求。 致 谢 感谢我的指导老师还有所有教过我的老师，他们严谨细致、一丝不苟的作风一直是我工作、学习中的榜样；他们循循善诱的教导和不拘一格的思路给予我无尽的启迪。 感谢我的大学同学对我的帮助和指点。没有他们的帮助和提供资料对于我一个对网络知识一窍不通的人来说要想在短短的几个的时间里学习到网络知识并完成毕业论文是几乎不可能的事情。感谢我的所有同学和朋友对我的支持和关怀。 在论文即将完成之际，我的心情无法平静，从开始进入课题到论文的顺利完成，有多少可敬的师长、同学、朋友给了我无言的帮助，在这里请接受我诚挚的谢意！ 更感谢我的养我的黄土高原，感谢父老乡亲，感谢一把屎一把尿把我喂大的父母。感谢我忘不掉的甘甜的泉水。 参考文献1 陈绪胜.SH412高压开关电源的设计.微电子学，1996，26（2）：75-782 戴晓明，李振国.新型高压开关电源的研制。原子能科学技术，2000，34（2）：125-1273 魏海明，扬兴瑶.实用电子电路500例M，化学工业出版社，20004 沙占友等编特种集成电源最新应用技术M北京：人民邮电出版社，2000.5 陈永真，王国玲.电流连续型三相PFC第14届全国电源技术年会论文集，2001.6 李长明.低损耗的1(;BIJ卞笠)S上七l并联开关在开关电源中的应用.通信电源技术，1997.