毕业设计（论文）开题报告

信息工程系    应用专业   

 

题  目：低功率开关直流稳压电源设计

本课题来源及研究现状：

发展史

1、国际发展状况

   发展史 1955年美国的科学家罗那（G.H.Royer）首先研制成功了利用磁芯的饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器。此后，利用这一技术的各种形式的精益求精直流变换器不断地被研制和涌现出来，从而取代了早期采用的寿命短、可靠性差、转换效率低的旋转和机械振子示换流设备。由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态，所以由此而制成的稳压电源输出的组数多、极性可变、效率高、体积小、重量轻，因而当时被广泛地应用于航天及军事电子设备。由于那时的微电子设备及技术十分落后，不能制作出耐压高、开关速度较高、功率较大的晶体管，所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入，并且转换的速度也不能太高。 60年代，由于微电子技术的快速发展，高反压的晶体管出现了，从此直流变换器就可以直接由市电经整流、滤波后输入，不再需要工频变压器降压了，从而极大地扩大了它的应用范围,并在此基础上诞生了无工频降压变压器的开关电源。省掉了工频变压器，又使开关稳压电源的体积和重量大为减小，开关稳压电源才真正做到了效率高、体积小、重量轻。 70年代以后，与这种技术有关的高频，高反压的功率晶体管、高频电容、开关二极管、开关变压器的铁芯等元件也不断地研制和生产出来，使无工频变压器开关稳压电源得到了飞速的发展，并且被广泛地应用于电子计算机、通信、航天、彩色电视机等领域，从而使无工频变压器开关稳压电源成为各种电源的佼佼者。

2、国内发展情况

 我国的晶体管直流变换器及开关稳压电源研制工作开始于60年代初期，到60年代中期进入实用阶段，70年代初期开始研制无工频降压变压器开关稳压电源。1974年研制成功了工作频率为10kHz、输出电压为5V的无工频降压变压器开关稳压电源。近10多年来，我国的许多研究所、工厂及高等院校已研制出多种型号的工作频率在20kHz左右，输出功率在1000W以下的无工频降压变压器开关稳压电源，并应用于电子计算机、通信、电视等方面，取得了较好的效果。工作频率为100kHz—200kHz的高频开关稳压电源于80年代初期就已开始试制， 90年代初期就已试制成功。目前正在走向实用阶段和再进一步提高工作频率。许多年来，虽然我国在无工频降压开关稳压电源方面作了巨大的努力，并取得了可喜的成果，但是，目前我国的开关稳压电源技术与一些先进的国家相比仍有较大的差距。此外，这些年来，我国虽然把无工频变压器开关稳压电源的工作频率从数十kHz提高到了数百kHz，把输出功率由数十瓦提高到了数百瓦甚至数千瓦，但是，由于我国半导体技术与工艺跟不上时代的发展，导致我们自己研制和生产出的无工频变压器开关电源中的开关管大部分采用的仍是进口的晶体管。所以我国的开关稳压电源事业要发展，要赶超世界先进水平，最根本的是要提高我国的半导体技术和工艺。

优缺点

1、开关稳压电源的优点:

      [1].功耗小，效率高。在图1中的开关稳压电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通—截止和截止—导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右，在一些技术先进的国家，可以做到几百或者近1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。 [2].体积小，重量轻。从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。 [3].稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。 [4].滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500b倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500—1/1000。 [5].电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式，有调宽型和调频型，有单端式和双端式等等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合的开关稳压电源。

2、开关稳压电源的缺点

开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。目前，由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距，因而造价不能进一步降低，也影响到可靠性的进一步提高。所以在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中，开关稳压电源还不能得到十分广泛的普及及使用。特别是对于无工频变压器开关稳压电源中的高压电解电容器、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件，在我国还处于研究、开发阶段。在一些技术先进国家，开关稳压电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在一些问题，不能十分令人满意。这暴露出开关稳压电源的又一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。对此，如果设计者和制造者不予以充分重视，则它将直接影响到开关稳压电源的推广应用。当今，开关稳压电源推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。

开关稳压电源的种类：

 现在，电子技术和应用迅速地发展，对电子仪器和设备的要求是：性能上，更加安全可靠，在功能上，不断地增加。在使用上自动化程度越来越高。在体积上，要日趋小型化。这使采用具有众多优点的开关稳压电源就显得更加重要了。所以，开关稳压电源在计算机、通信、航天、彩色电视等方面都得到了越来越广泛的应用，发挥了巨大的作用，这大大促进了开关稳压电源的发展，从事这方面研究和生产的人员也在不断地增加，开关稳压电源的品种和类型也越来越多。

(1)按激励方式划分

1、他激式

　　电路中转设激励信号的振荡器。

2、自激式

开关管兼作振荡器中的振荡管。

(2)按调制方式划分

1、脉宽调制型

　　振荡频率保持不变，通过改变脉冲宽度来改变和调节输出电压的大小，有时通过取样电路、耦合电路等构成反馈闭环回路，来稳定输出电压的幅度。

2、频率调制型

　　占空比保持不变，通过改变振荡器的振荡频率来调节和稳定输出电压的幅度。

3、混合调制型

通过调节导通时间的振荡频率来完成调节和稳定输出电压幅度的目的。

(3)按开关管电流的工作方式划分

1、开关型

　　用开关晶体管把直流变成高频标准方波，电路形式类似于他激式。

2、谐振型

开关晶体管与LC谐振回路将直流变成标准正弦波，电路形式类似于自激式。

(4)按开关晶体管的类型划分

1、晶体管型

采用晶体管作为开关管。

2、可控硅型

　　采用可控硅作为开关管，这种电路的特点是直接输入交流电，不需要一次整流部分。

(5)按储能电感与负载的连接方式划分

1、串联型

　　储能电感串联在输入与输出电压之间。

2、并联型

　　储能电感并联在输入与输出电压之间。

(6)按晶体管的连接的连接方式划分

1、单端式

　　仅使用一个晶体管作为电路中的开关管，这种电路的特点是价格低，电路结构简单，但输出功率不能提高。

2、推挽式

　　使用两个晶体管，将其连接成推挽功率放大器形式。这种电路的特点是开关变压器必须具有中心抽头。

3、半桥式

　　使用两个晶体管，将其连接成半桥形式。它的特点是适应于输入电压较高的场合。

4、全桥式

使用四个开关晶体管，将其连接成全桥形式。它的特点是输出的功率比较大。

(7)按输入与输出的电压大小划分

1、升压式

　　输出电压比输入电压高，实际就是并联型开关稳压电源。

2、降压式

　　输出电压比输入电压低，实际就是串联型开关稳压电源。

(8)按工作方式划分

1、可控整流型

所谓可控整流型开关稳压电源，是指采用可控硅整流元件作为调整开关管，可由交流市电电网直接供电，也可用变压器变压后供电。(这种供电方式在开关稳压电源刚兴起的初期常常采用，目前基本上不太采用。)在可工作的半波内，截去正弦曲线的前一部分，这一部分所占角度称为截止角，导通的正弦曲线的后一部分称为导通角。依靠调节导通角的大小，可达到调整输出电压和稳定电压的目的。

2、斩波型

　　斩波型开关稳压电源是指直流供电，输入直流电压加到开关电路上，在开关电路的输出端得到单向的脉动直流，经过滤波得到与输入电压不同的稳定的直流电压，电路还从输出电压取样，经过比较、放大、控制脉冲发生电路产生的脉冲信号，用以控制调整开关的导通时间和截止时间的长短或开关的工作频率，最后达到稳定输出电压的目的。电路的过压保护电路也是依据这一部分提供的取样信号来进行工作的。

3、隔离型

这种形式的开关电源是在输入回路与逆变电路之间，经过高频变压器(也可称为开关变压器)，利用磁场的变化实现能量的传递，没有电流间的直接流通，隔离型开关稳压电源采用直流供电，经过开关电路，将直流电变成频率很高的交流电，再经变压器隔离、变压(升压或降压)，然后经整流器整流，最后就可以得到新的、极性和数值各不相同的多组直流输出电压。电路从输出端取样，经放大后反馈至开关控制端，控制驱动电路的工作，最后达到稳定输出电压的目的。这种形式的开关稳压电源在实际稳压电源中应用最为广泛。

(9)按电路结构划分

1、散件式

　　整个开关稳压电源电路都是采用分立元器件组成的，它的电路结构较为复杂，可靠性较差。

　2、集成电路式

整个开关稳压电源电路或电路的一部分是由集成电路组成的，这种集成电路通常为厚膜电路。有的厚膜集成电路中包括开关晶体管，有的则不包括开关晶体管。这种电源的特点是电路结构简单、调试方便、可靠性高。彩色电视机中常采用这种开关电源。

以上五花八门的开关稳压电源的品种都是站在不同的角度，以开关稳压电源不同的特点命名的。尽管各种电路的激励方法、输出直流电压的调节手段、储能电感的连接方式、开关管器件种类以及串并联结构等各不相同，但是它们最后总可以归结为串联型开关稳压电源和并联型开关稳压电源这两大类。这两大类也正是作者对开关稳压电源的划分方法。

目前正在克服的困难

      随着半导体技术和微电子技术的高速发展，集成度高、功能强大的大规模集成电路的不出现，使得电子设备的体积在不断地缩小，重量在不断地减轻，所以从事这方面研究和生产的人们对开关稳压电源中的开关变压器还感到不是十分理想，他们正致力于研制出效率更高、体积更小、重量更轻的开关变压器或者通过别的途经取代开关变压器，使之能够满足电子仪器和设备微小型化的需要，这是从事开关稳压电源研制的科技人员目前正在克服的一个困难。

开关稳压电源的效率是与开关管的变换速度成正比的，并且开关稳压电源中由于采用了开关变压器以后，才能使之由一组输入得到极性、大小各不相同的多组输出。要进一步提高开关稳压电源的效率，就必须提高电源的工作频率。但是，当频率提高以后，对整个电路中的元器件又有了新的要求。例如，高频电容、开关管、开关变压器、储能电感等都会出现新的问题。进一步研制适应高频率工作的有关电路元器件，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第二个问题。

工作在线性状态的线性稳压电源，具有稳压和滤波的双重作用，因而串联线性稳压电源不产生开关干扰，且波纹电压输出较小。但是在开关稳压电源中的开关管工作在开关状态，其交变电压和电流会通过电路中的元件产生较强的尖峰干扰和谐振干扰。这些干扰就会污染市电电网，影响邻近的电子仪器及设备的正常工作。随着开关稳压电源电路和抑制干扰措施的不断改进，开关稳压电源的这一缺点得到了一定的克服，可以达到不妨碍一般的电子仪器、家用电器的正常工作的程度。但是在一些精密电子仪器中，由于开关稳压电源的这一缺点，却使它得不到使用。所以，克服开关稳压电源的这一缺点，进一步提高它的使用范围，是从事开关稳压电源研制科技人员要解决的第三个问题

设计（论文）提纲及进度安排：

1、20##年3月28日-4月3日 查找资料，攥写开题报告；

2、20##年4月4日-4月10日 方案设计及可行性分析；

3、20##年4月11日-4月17日 系统软硬件设计阶段；

4、20##年4月18日-4月24日 系统调试阶段、攥写毕业论文。

主要参考文献和书目：1  高曾辉,于相旭.单端反激式开关电源的稳定性分析.重庆大学学报.2001.01
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5  叶慧贞.开关稳压电源.北京国防工业出版社.1990
6  朱小龙,滕国仁.脉宽集成控制器UC3842在开关电源中的应用.华北矿业高等专科学校学报. 2001.06

7  何希才.新型开关电源设计与应用［M］.北京：科学出版社，2001
8  沙占友.新型开关电源的设计与应用［M］.北京：电子工业出版社，2001

9  张乃国，李厚福：小功率电源变压器，7lI昌霄电出版让

10 叶慧贞：开关稳压电源，国防工业出版社。

11 李成章：电源，电子丁业出版社。

12 牛田佳宁云鹤集成开关电源的设计制作调试与维修人民邮电出版社出版发行

指导教师审核意见：

教研室主任签字：         年     月     日

 

注：本表可自主延伸

附件1：毕业论文封面格式如下：

 

第二篇：开关电源 文献综述

开关电源

---文献综述

引言

在计算机，电子仪表和通讯系统中应用极为广泛的开关电源，在近半个世纪的发展过程中，因具有轻小，高效等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，成为电子电源中的主流产品。人们在开关电源的技术领域里，一边开发相关电子技术，一边开发新型功率材料和元器件，两者相互促进推动着开关电源向轻小薄低噪声高可靠抗干扰方向发展，每年超过两位数的增长率。

开关电源分为AC/DC和DC/AC两大类。主要应用于计算机，通讯办公室，控制设备，电子仪器等投资类产品及电视机，摄像机，VCD，电子游戏机等消费类产品。目前全球开关电源制造商约500家。据国外专家预计，世界开关电源的销量额将由19xx年的84亿美元猛增至19xx年得166亿美元，刺激开关电源市场进一步扩大并将继续推动开关电源技术进步的主要用户是计算机及外围设备，另外，快速发展的通讯及消费市场也正逐渐引起开关电源制造商的关注。因此，研究开关电源是非常有必要的，对于我们以后的发展是很有帮助的。

因此，本文将围绕开关电源的高效性，可靠性，模块化，稳定性，低噪声，抗电磁干扰及应用等方面展开详细论述，论述是将借鉴近年来大量的文献，以此增加说服力。

正文

开关电源的功率和效率问题 为了使开关电源轻，小，薄，高频化（开关电源频率达兆赫级）是必然发展趋势。而高频化有必然使传统的PWM开关功耗加大，效率降低，噪声也提高了，达不到高频，高效的预期效益，因此实现零电压导通，零电流关断软开关技术成为开关电源的主流。采用软开关技术可使效率达到85%~88%。

开关电源是电源的发展方向，但是开关电源功率因数很低，它的输入电流波形严重畸变，所含谐波对电网有干扰，股提高功率因数，抑制谐波，减小对电网的干扰是重要的课题。通常抑制谐波，改善功

率因数的三种常用方法是串联谐振滤波器，并联谐振滤波器，升压式变换器。其中有源式升压式变换器是提高功率因数的最好的方法。 高可靠性 开关电源比连续工作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，电解电容器，光耦合器及排风扇等的寿命决定着电源的寿命。追求寿命的延长要从设计方面着手，而不是依赖于用方。大部分通过降低结温，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1000000h以上。

稳定性 开关电源设计重点有两点：一是磁路设计，二是稳定性设计，重点解决的是输出电压的品质问题。稳定型设计的好坏直接决定开关电源启动特性，输入电压越变响应特性，负载跃变响应特性，高低温稳定性，生产和调试难易度。解决控制环路稳定性的方法有一，分析法，在总体分析时，要求所有的参数要精确地等于规定值是不可能的，尤其是电感值，在整个电流变化范围内，电感值不可能保持常数。二，经验法 这种方法是控制环路采用具有低频主导极点的过补偿控制放大器组成闭路来获得初始稳定性。然后采用瞬时脉冲负载方法来补偿网络进行动态优化，这种方法快而有效。

抗电磁干扰能力 开关电源产生的对外干扰，如电源线谐波电流，电源线传导干扰等，可以用减小抗干扰源方法解决。开关电源的电磁干扰抑制措施主要有：（1）屏蔽技术，利用屏蔽技术来阻挡或减小电磁能量传输的一种重要技术，在开关电源中，可发出电磁波的原件是指变压器，电感器，功率器件等，通常在其周围用铜板或铁板作为屏蔽等。（2）EMI滤波，在抑制开关电源传导干扰方面，具有明显效果由于电源线中同时存在共模干扰和差模干扰，所以滤波器有共模和差模滤波电路综合构成。(3)接地技术，为电路或系统提供一个零电位参考点，接地有三种基本类型：安全接地，工作接地，屏蔽接地。安全接地是以安全为目的的保护地线，常与金属机壳机架连接。工作接地是指为设备中各个电路提供稳定的零点电位。为了抑制干扰，电缆，变压器等屏蔽需要接地，相应的称为屏蔽地线。

开关电源的应用 一 电视用高压开关电源设计 一种用于数字彩电的小功率高压开关电源的基本工作原理，该开关电源采用了高压发生电路与行扫描相分离的独立结构。独立振荡器产生的开关信号提供给开关管，推动高压变压输出CRT管所需要的阳极高压，并通过对阳极高压取样，控制振荡信号频率，以达到稳定高压的目的，彻底解决了大屏幕显像管所需的阳极高压及其稳定性问题。这种设计在阳极高压为30KV，输出电流在2.5mA时，阳极电压跌落在0.3KV以下，该开关电源具有体积小，输出高压稳定的特点，特别适用于CRT管数字彩电显像管阳极所需高压或高压稳定性要求较高的设备。

二 利用开关电源解决侧色色差计的稳定性问题 国产测量仪器长期以来一直存在着稳定性与可靠性差的问题。传统的解决方法是采用串联型稳压电源但其效率低，存在着体积大且笨重的工频变压器，发热多散热慢。开关稳压电路主要有开关调整管，储能变压器，稳压控制电路，激励脉冲产生电路组成，它直接丈220V/50Hz交流电整流成约300V的直流电压，然后进行直流—直流变换，丈300V直流电压变换成各种所需值得直流输出电压。根据测色色差计的要求，选择自激式开关稳压电源，即RCC式变换电路。这种电路适合50W以下输出容量的电源，而采用自激式，无需振荡电路，元件少结构简单。在开关电源的工作下，解决了长期以来测色色差计在的难题，使其成为了一个实用，可靠且较为先进的测色计量仪器。

文献综述结论 开关电源的未来发展特别光明，开关电源正接近成为理想电源，现在新格式的数码音源和数字放大器发展很快，必将成为未来的主流。而数字功放的核心就是开关放大电路，自然而然就只有开关电源能与之门当户对了。从特征和潜力来看门开关电源是有可能成为我们心目中的理想电源的。它具有高能，高效，低失真，低内阻，高精度，高稳定度，等优点，必将成为未来电源的流。 参考文献

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