发布时间 : 星期二 文章一种buck型开关电源的研究与设计—-正文—-毕业论文设计更新完毕开始阅读
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掌上电脑、数码相机等）的普及程度就往年有了很大的提升，在将来的一段时间内，其市场依旧看好，发展趋势同样明朗。而作为其核心设备的电源，自然也会有一个持续的发展。对其电源系统来说，需要综合考虑成本、体积、噪声、效率等多方面因素。基于这些设计要求，目前在移动信息设备中，通常以线性稳压电源（LDO）和开关电源（SMPS）来实现电源的供给和转换。线性稳压电源具有成本低、体积小、外围电路简洁、结构简单、噪声低等优点，但它难以得到广泛的应用，原因是其串接晶体管的高损耗使它的效率随输入和输出之间电压差的增大而减小，同时它只具备降压功能。同线性稳压器相比，开关电压稳压器具有更高的转换效率，因此在移动便携式设备中得到了广泛的应用。
随着技术的进步，开关电源朝着高频化、高可靠、高稳定、低噪声、抗干扰和实现模块化方向发展。
1、高频化：由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各在开关电源制造商都致力同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（Mn-Zn）材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（Bs）下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。SMT技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小薄。开关电源的高频化就必然对传统的PWM开关技术进行创新，实现ZVS、ZCS的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对联高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。
2、专用化：就通信电源等大功率系统而言，采用集成开关控制器和新型高速开关器件，改善二次整流管的损耗、变压器电容器小型化，从而达到最佳的效率。对于小型便携式电子设备，则主要是单片集成开关电源的形式，采用新型的控制方式和电路结构来减小器件体积、减小待机功耗，提供低输出电压、高输出电流以适应微处理器和便携式电子设备等产品电源系统的供电要求。
3、高可靠：开关电源比线性电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器、开关管及高频变压器等决定电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着手，而不是依赖使用方。美国德州仪器（TI）、安森美（Onsemi）、等公司通过降低结温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其DC/DC开关电源最新的系列产品的可靠性大大提高，产品平均无故障工作时间高达10万小时以上。
4、抗电磁干扰：当开关电源在高频下工作时，噪声通过电源线产生对其它电子设备的干扰，世界各国已有抗电磁干扰的规范或标准，如美国的FCC，德国的VDC等，研究开发抗电磁干扰的开关电源日益显得重要。
5、低噪声：与线性电源相比，开关电源的一个缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以降低噪声。但谐振转换技术也有难点，如很难准确控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场效应管的寄生电容容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。
6、模块化：模块化是开关电源发展的总体趋势，可以用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成N+1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化，其噪声也必将随着增大，而用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术实际应用仍存在着技术问题，故仍需在
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这一领域开展大量的工作，使得多项技术得以实用化。电力电子技术的不断创新，开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。
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二、开关电源的基本拓扑结构
随着PWM技术的日益发展和完善，开关电源凭借其高性价比开拓了市场，得到了广泛的应用。开关电源的电路拓扑结构很多，常用的有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。其中，在半桥电路中，变压器初级在整个周期中都有电流流过，磁芯利用充分，且没有偏磁的问题，所使用的功率开关管耐压要求也较低，开关管的饱和压降减少到了最小，对输入滤波电容使用电压要求也较低。由于以上诸多原因，半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。
开关电源常用的基本拓扑约有14种。如：BUCK开关型调整器拓扑 、BOOST开关调整器拓扑 、反极性开关调整器拓扑 、推挽拓扑 、正激变换器拓扑 、双端正激变换器拓扑 、交错正激变换器拓扑 、半桥变换器拓扑 、全桥变换器拓扑 、反激变换器 、电流模式拓扑和电流馈电拓扑 、SCR振谐拓扑 、CUK变换器拓扑 等。每种拓扑都有其自身的特点和适用场合。一些拓扑适用于离线式(电网供电的)AC/DC变换器。其中有些适合小功率输出(<200W)，有些适合大功率输出；有些适合高压输入(≥220V AC)，有些适合120V AC或者更低输入的场合；有些在高压直流输出(>～200V)或者多组(4～5组以上)输出场合有的优势；有些在相同输出功率下使用器件较少或是在器件数与可靠性之间有较好的折中。较小的输入/输出纹波和噪声也是选择拓扑经常考虑的因素。一些拓扑更适用于DC/DC变换器。选择时还要看是大功率还是小功率，高压输出还是低压输出，以及是否要求器件尽量少等。另外，有些拓扑自身有缺陷，需要附加复杂且难以定量分析的电路才能工作。因此，要恰当选择拓扑，熟悉各种不同拓扑的优缺点及适用范围是非常重要的。以下着重介绍BUCK开关调整器以及BOOST开关调整器。
2.1 BUCK开关型调整器
串接晶体管的笨重的工频变压器以及高功耗使得线性调整器在现代电子应用中逐渐失去了重要地位。同时，高功耗串接元件所需的大体积储能电容和大散热片增大了线性调整器的体积。
随着电子技术的发展，电路的集成化使得电路系统的体积更小。一般的线性调整器输出负载的功率密度仅为0.2~0.3W/in，已不能满足电路系统小型化的要求。而且，数字储存系统需要足够长的保持时间，这也是线性电源所不能够提供的。
取代线性调整器的开关型调整器早在20世纪60年代就开始应用。一般的，这些新的开关电源使用开关晶体管将输入直流电压斩波成方波。方波由占空比调节，并通过低通输出功率滤波得到直流输出电压。
目前高频开关电源的功率密度可达20W/in，而且可以获得与输入隔离的多组输出。它们无需工频变压器，效率达到75%~95%。有些DC/DC变换器功率密度可高达50W/in。
滤波器一般采用输出电容和电感。通过调节占空比，可以控制经过输出电容滤波的电压平均值。方波脉冲经过低通滤波器滤波后得到的直流输出电压等于方波脉冲的平均值。BUCK开关型调整器典型的拓扑及其波形如图2.1所示。
使用合适的LC滤波器可将方波脉冲平滑成无纹波直流输出，其值等于方波脉冲的平均值。整个电路采用输出负反馈，通过检测输出电压并结合负反馈控制占空比，稳定输出电压不受输入网压和负载变化的影响。
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2.1.1 BUCK调整器的基本工作方式
BUCK调整器的基本电路如图2.1所示。晶体管Q1与直流输入电压Vdc串联，通过Q1的硬开通和硬关断，在V1处产生方波电压。采用恒频控制方式，占空比可调，Q1导通时间为Ton，Q1导通时，V1点电压为Vdc（设Q1导通，降压为零），电流通过串接电感L0流入输出端。Q1关断时，电感L0产生反电动势，使V1点电压迅速下降到零，并变负值直至被二极管D1（也称续流二极管）钳位于-0.8V。
设此刻二极管D1压降也为零，则V1点电压波形为矩形波，如图2.1（b）所示，Ton时段电压为Vdc，其余时段电压为零。该方波的电压平均值为VdcTon/T。L0C0滤波器接于V1和V0之间，它使输出点V0成为幅值等于VdcTon/T的无尖峰无纹波的直流电压。
采用电阻R1和R2检测输出电压V0，并将其输入误差放大器（EA）与参考电压Vref进行比较。被放大的误差电压Vea被输入到脉宽调制器（电压比较器）PWM。PWM比较器的另一个输入是周期为T的锯齿波，如图1,4（a）所示，其幅值一般为3V。PWM电压比较器产生矩形波脉冲，即图2.1（c）中的Vwm，它从锯齿波起点开始到锯齿波与误差放大器输出电压交点结束。因此，PWM输出的脉冲宽度Ton与误差放大器输出电压成比例。
PWM脉冲输入到电流放大器并以负反馈方式控制开关管Q1的通断。其逻辑关系是：若输入电压Vdc稍升高，则EA输出电压Vea将降低使锯齿波与Vea交点提前，Q1导通时间Ton缩短使输出电压V0=VdcTon/T保持不变。同理，若Vdc下降，则导通时间Ton正比的延长使V0保持不变。Q1导通时间的改变使采样电压总是等于参考电压，即V0R2/（R2+R1）=Vref。
图2.1 BUCK开关调整器典型的拓扑及其主要波形
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