DCDC开关电源设计方案报告.doc
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1、DC-DC 开关电源设计摘要:伴随开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面广泛应用, 大家对其需求量日益增加, 而且对电源效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高要求。开关电源以其效率高、体积小、重量轻等优势在很多方面逐步替换了效率低、又笨又重线性电源。电力电子技术发展,尤其是大功率器件IGBT和MOSFET快速发展,将开关电源工作频率提升到相当高水平,使其含有高稳定性和高性价比等特征。开关电源技术关键用途之一是为信息产业服务。本文介绍了一款基于PWM技术DC-DC开关稳压电源。输出纹波小,电压稳定可靠.关键词:开关电源,DC-DC,AP1501A,高频变压器Abstract
2、: With the switching power supply in the computer, communications, aerospace, instruments and household appliances such as extensive use of the growing demand of its people, and the efficiency of the power, volume, weight and reliability, raised more high demand. Switching power supply with its high
3、 efficiency, small size and light weight advantages of gradually replaced in many ways inefficient, heavy, clunky, linear power supply. The development of power electronics technology, particularly high-power IGBT and MOSFET devices the rapid development of the switching power supply operating frequ
4、ency up to very high level where it has a high stability and high cost performance and other characteristics. Switching power supply technology is one of the main uses for the information industry services. This article describes a technique based on the PWM DC-DC switching power supply. Output ripp
5、le voltage is stable and reliable. Keywords: switching power supply, DC-DC, AP1501A, high frequency transformer 目录1序言11.1课题背景11.1.11 开关电源三个关键发展阶段11.2开关电源技术亮点21.2.1功率半导体器件性能21.2.2开关电源功率密度21.3DC-DC发展概况31.3.1DC/DC转换器对工艺技术提出新要求31.3.2DC/DC转换器对电路设计新要求41.3.3DC/DC控制器向数字多相发展51.4本论文内容及研究意义62开关电源分类及关键应用62.1开关电
6、源分类62.1.1常见开关电源型式62.1.2DC/DC 变换72.2开关电源关键应用技术72.2.1高频磁性元件72.2.2软开关技术72.2.3同时整流技术82.2.4功率因数校正(PFC)变换器82.2.5电磁兼容性82.2.6系统集成技术93系统方案设计93.1系统框图93.2DC-DC芯片选型103.2.1DC-DC选型基础标准103.3本系统DC-DC选型104系统硬件设计114.1电路原理介绍114.2AP1501A介绍114.3220V转DC12V电路设计124.3.1AC-DC电压变换电路原理图设计124.4DC-DC原理图设计134.5效率分析及计算135结论和展望146鸣
7、 谢157参考文件158附 录:总电路图161 序言1.1 课题背景开关稳压电源(以下简称开关电源)问世后,在很多领域逐步替换了线性稳压电源和晶闸管相控电源。早期出现是串联型开关电源,其主电路拓扑和线性电源相仿,但功率晶体管工作于开关状态。伴随脉宽调制(PWM)技术发展,PWM开关电源问世,它特点是用20kHz载波进行脉冲宽度调制,电源效率可达65%70%,而线性电源效率只有3040。所以,用工作频率为20 kHzPWM开关电源替换线性电源,可大幅度节省能源,从而引发了大家广泛关注,在电源技术发展史上被誉为20kHz革命。 伴随超大规模集成(ultra-large-scale-integrat
8、ed-ULSI)芯片尺寸不停减小,电源尺寸和微处理器相比要大得多;而航天、潜艇、军用开关电源和用电池便携式电子设备(如手提计算机、移动电话等)更需要小型化、轻量化电源。所以,对开关电源提出了小型轻量要求,包含磁性元件和电容体积重量也要小。另外,还要求开关电源效率要更高,性能愈加好,可靠性更高等。这一切高新要求便促进了开关电源不停发展和进步。 1.1.1 1 开关电源三个关键发展阶段 40多年来,开关电源经历了三个关键发展阶段。 第一个阶段是功率半导体器件从双极型器件(BPT、SCR、GT0)发展为MOS型器件(功率MOS-FET、IGBT、IGCT等),使电力电子系统有可能实现高频化,并大幅度
9、降低导通损耗,电路也更为简单。 第二个阶段自20世纪80年代开始,高频化和软开关技术研究开发,使功率变换器性能愈加好、重量更轻、尺寸更小。高频化和软开关技术是过去20年国际电力电子界研究热点之一。 第三个阶段从20世纪90年代中期开始,集成电力电子系统和集成电力电子模块(IPEM)技术开始发展,它是当今国际电力电子界亟待处理新问题之一。 1.2 开关电源技术亮点 1.2.1 功率半导体器件性能 1998年,Infineon企业推出冷MOS管,它采取“超级结”(Super-Junction)结构,故又称超结功率MOSFET。工作电压600800V,通态电阻几乎降低了一个数量级,仍保持开关速度快特
10、点,是一个有发展前途高频功率半导体器件。 IGBT刚出现时,电压、电流额定值只有600V、25A。很长一段时间内,耐压水平限于12001700V,经过长时间探索研究和改善,现在IGBT电压、电流额定值已分别达成3300V1200A和4500V1800A,高压IGBT单片耐压已达成6500V,通常IGBT工作频率上限为2040kHz,基于穿通(PT)型结构应用新技术制造IGBT,可工作于150kHz(硬开关)和300kHz(软开关)。 IGBT技术进展实际上是通态压降,快速开关和高耐压能力三者折中。伴随工艺和结构形式不一样,IGBT在20年发展进程中,有以下多个类型:穿通(PT)型、非穿通(NP
11、T)型、软穿通(SPT)型、沟漕型和电场截止(FS)型。 碳化硅(SiC)是功率半导体器件晶片理想材料,其优点是禁带宽、工作温度高(可达600)、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、PN结耐压高等,有利于制造出耐高温高频大功率半导体器件。 能够预见,碳化硅将是二十一世纪最可能成功应用新型功率半导体器件材料。 1.2.2 开关电源功率密度 提升开关电源功率密度,使之小型化、轻量化,是大家不停追求目标。这对便携式电子设备(如移动电话,数字相机等)尤为关键。使开关电源小型化具体措施有以下多个。 一是高频化。为了实现电源高功率密度,必需提升PWM变换器工作频率、从而减小电路中储能元件体积重
12、量。 二是应用压电变压器。应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。压电变压器利用压电陶瓷材料特有“电压-振动”变换和“振动-电压”变换性质传送能量,其等效电路如同一个串并联谐振电路,是功率变换领域研究热点之一。 三是采取新型电容器。为了减小电力电子设备体积和重量,须设法改善电容器性能,提升能量密度,并研究开发适合于电力电子及电源系统用新型电容器,要求电容量大、等效串联电阻(ESR)小、体积小等。 1.3 DC-DC发展概况近几年因为数据业务飞速发展和分布式供电系统不停推广,DC/DC转换器应用越来越广,其增幅已经超出了一次电源。 伴随半导体工艺、封装技术和高频软开关大量使用
13、,DC/DC转换器功率密度越来越大,转换效率越来越高。据专业电源市场调研企业VDC企业估计,全球DC/DC转换器出货量由20亿增加到25亿(见图1)。在全球DC/DC转换器市场快速增加同时,以下多个发展趋势值得关注:低电压大电流需求推进模块电源不停发展。比如数据通讯领域中5V输出所占百分比从30%下降到11%。 非隔离式DC/DC转换器比隔离式增加愈加快。 分布式电源比集中式电源发展快,其中IBA系统会成为关键方法。 DC/DC转换器对工艺技术提供新要求,并采取部分创新封装。 混合集成技术、高频化技术不停发展将造成功率密度深入提升。 设计日趋标准化,控制电路倾向于采取数字控制方法。 控制器件向
14、多相位发展,现在已经有6相产品。 我们将对其中部分趋势展开分析,并对用户选择DC/DC转换器提供提议。 1.3.1 DC/DC转换器对工艺技术提出新要求 DC/DC转换器发展和半导体集成、封装技术和电路拓扑发展联络紧密,并对半导体工艺提出了新要求,包含: 1. 降低热阻,改善散热 即使中大功率DC/DC转换器效率有了很大提升,但因为功率密度较大,假如发烧元件热量不能立即散出,就会严重影响模块寿命,甚至会因为过热造成失效。为改善散热,现在中大功率转换器大全部采取多块基板叠合封装技术,控制电路采取一般印制板置于顶层,而功率电路采取导热性能优良板材置于底层。早期中大功率转换器前后采取陶瓷基板、直接键
15、合铜技术(Direct Copper Bond,DCB)和绝缘金属基板(Insutalted Mental Substrate,IMS)来改善散热。现在,前两种已极少采取,而绝缘金属基板方法因为绝缘性能好、机械强度高、导热性能好而得到一致认可,成为转换器结构主流及提升转换器功率密度关键。 伴随分布式供电方法大量利用和系统小型化需求越来越多,用户在使用时不期望给转换器添加散热器,而靠系统强制风冷给转换器进行散热,所以敞开式高效低造型转换器成为发展主流。这种转换器采取一块多层厚铜箔PCB替换常规多块PCB层叠结构,经过多层厚铜箔PCB为载体将功率器件、磁性器件和控制电路集成在一起。这种结构能够降低
16、磁性器件焊点或消除焊点、降低寄生参数、提升转换器效率;另外经过电路和器件合适选择,多层厚铜箔线路合适分布,能够使转换器模块温度均匀分布,提升模块可靠性。缺点就是对外界散热条件依靠比较大,使用时要求比较大功率降额。伴随系统散热问题处理,这种结构转换电源将会得到越来越广泛使用。 2. 混合集成技术采取 为提升功率密度,多年开发DC/DC转换模块无一例外地采取表面贴装技术。而转换器中器件关键分为控制器件和功率器件,要提升功率密度就必需从这两方面入手。因为控制电路不能提供输出功率,所以应尽可能减小其所占体积;同时伴随集成电路工艺发展,由分立器件组成控制电路可被集成为一个控制芯片,从而深入提升转换器功率
17、密度。但因为功率器件设计时考虑是几百伏电压、几百安电流、闪电式诱发瞬变和每微秒几百安负载瞬变,研制完美性能功率器件是较困难,而要大量生产就愈加困难。所以为深入减小体积,混合集成技术发展也很快,它指直接购置裸片,经组装成为功效模块后封装,焊接于印制板上。这一方法功率密度更高,寄生参数更小,因为采取相同材料基片,不一样器件热匹配愈加好,提升了转换模块抗冷热冲击能力。 3. 采取扁平变压器和磁集成技术 在中大功率转换器中,为满足标准高度要求,大部分生产厂家自己定做磁芯。扁平磁芯变压器绕组制作存在一定难度,但采取这种磁芯能够深入减小体积、缩短引线长度、减小寄生参数。为减小焊点接触电阻,采取多层印制板磁
18、集成技术多年来也得到了广泛应用。 1.3.2 DC/DC转换器对电路设计新要求 DC/DC转换器对电路设计也出了新要求,包含高频化、软开关和低压输出等技术。 1. 高频化技术 为缩小开关转换器体积、提升功率密度、改善动态响应速度,小功率DC/DC转换器开关频率将由现在200-500KHz提升到1MHz以上。但高频化又会产生新问题,如:开关损耗和无源元件损耗增大、高频寄生参数和高频EMI等问题,这必需经过合理设计进行抑制。 2. 软开关技术 为提升效率,多种软开关技术得到大量应用,包含无源无损(吸收网络)软开关技术和ZVS/ZCS谐振、准谐振、恒频零开关技术等有源软开关技术。目标是为了减小开关损
19、耗和开关应力,以实现高效率高频化。 3. 低压输出技术 现在大量低压器件应用,如PDA、远程控制器、数码相机和手机等便携式设备,全部是用电池经DC/DC变换进行供电。其特点是负载改变大,多数情况下工作低于备用模式,长久轻载运行。这就要求DC/DC变换器含有以下特征:a)负载改变整个范围内效率高。b)输出电压低,CMOS电路损耗和电压平方成正比,供电电压低,则电路损耗小。c)功率密度高。这种模块采取集成芯片封装形式。低压输出技术关键是怎样提升转换器效率,降低转换器纹波,提升系统响应速度。 1.3.3 DC/DC控制器向数字多相发展 控制器件作为DC/DC转换器中关键器件之一,向数字多相化发展已成
20、为肯定趋势。单芯片多相控制器和类似产品成为组成高电流DC/DC转换器和200A电压调整模块(VRM)基础元素。所以,控制器供给商也在为推出多相产品而比拼。比如安森美近期推出NCP5316芯片,该芯片每相工作频率最高达1MHz,据安森美称它是业内第一个4/5/6相控制器。 美信推出MAX8525是一个隔行扫描2到4相器件,每相工作频率最高为1.2MHz,也能够在VRM10主/从配置下达成2至8相。该企业表示,MAX8525含有平均电流模式控制器电流共享精度,和峰值电流模式控制器瞬时响应。在4相模式运行时,有效开关频率高达4.8MHz,8相模式下更是高达9.6MHz。 为了处理用传统拓扑架构搭建可
21、升级系统所面临困难,国际整流器企业(IR)在去年早些时候推出Xphase架构,在这方面向前前进了一步。该设计含有面向n相系统内置同时。在含有板外控制/同时MOSFET经典操作中,一个6相转换器效率可达84%。 其它产品包含飞兆半导体FAN53168,它能够工作在4相模式,面向VRM/VRD10应用;SemtechSC4201,这是一个最多含有4相控制多相连接控制器,每相工作频率为2MHz。 在低压便携应用方面,凌特推出了LTC3425 DC/DC控制器,它最多含有4相,输入为0.54.5V时,提供3A和5V输出,用于便携式电脑和接口电子器件。 1.4 本论文内容及研究意义开关电源体积小、效率高
22、,被誉为高效节能电源,现己成为稳压电源主导产品。当今开关电源正向着集成化、智能化方向发展。高度集成、功效强大开关型稳压电源代表着开关电源发展主流方向。本论文关键围绕目前流行集成开关电源芯片进行了小功率开关型稳压电源特征研究。2 开关电源分类及关键应用2.1 开关电源分类 边开发开关变频技术,大家开关电源技术领域是边开发相关电力电子器件。二者相互促进推进着开关电源每十二个月以逾越两位数字增加率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰方向发展。开关电源可分为 AC/DC 和 DC/DC 两大类, DC/DC 变换器现已实现模块化,且设计技术及生产工艺在中国外均已幼稚和标准化,并已得到用户认可,但 A
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