毕业设计(论文)一种高功率因素开关电源的研究与设计.pdf
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1、I江聂大学歹 JIANGSU UNIVERSITY本科毕业论文一种高功率因素开关电源的研究与设计Research and Design of A Switching Power Supply With High Power Factor学院名称:_专业班级:学生姓名:_指导教师姓名:_指导教师职称:讲师一种高功率因素开关电源的研究与设计专业班级:学生姓名:指导教师:职称:讲师摘要随着人们对电源质量的更高要求,高效型、小体积和低污染的开关电源已成 为研发的主流技术。本文将PFC技术、准谐振DC/DC变换与同步整流技术相结 合,设计出一款低磁污染的开关电源,既保证了较高的功率因数,改善了对电网 的
2、影响,又能保证高效率,且控制简单,可靠实用,因而具有一定的应用价值。本文首先阐述了开关电源、功率因数校正技术和同步整流技术的发展及现状,对DC/DC变换的拓扑结构进行了选择,确定了带有隔离的准谐振(Quas i-Reso nant)反激型电路,可以有效地降低损耗;接着本文对几种常见的PFC拓扑电路进行分 析对比,从中选择了 BOOST型电路,对工作在临界状况下的电路进行了分析,采 用跟随输入电压的升压变换新技术,减小了电感体积,同时降低了开关管的电压 应力,既简单又有效地实现了功率因数校正,并发现此技术值得推广;由于反激 型变换器的效率般都较低,所以本文在传统同步整流技术基础上对其加以改进,设
3、计出一种新颖、高效的同步整流方案。对于宽电压范围启动过冲问题,木位设 计出一种防止过冲的启动控制电路。最后为降低电磁干扰(Electr o magnetic Inter fer ence,EMI)设计出开关电源电路输入端的EM1滤波电路。文中对部分电路用Or CAD PspiceA/D仿真软件进行了仿真,选取了元器件,制作样机进行了硬件调试,分析试验数据并。仿真波形对比,实验结果令人满意,实现了高功率因数,整机效率明显提高,因此本文设计的开关电源电路有较高的 推广应用价值。文末还明确了下一步工作的重点o关键词:开关电源;功率因数校正;同步整流;仿真实验HResearch and Design
4、of A Switching Power Supply With High Power FactorABSTRACT With peoples more demand for quality of power,the power supply with high efficiency,little bulk and low contamination have became mainstream of research and development.This paper attempts to associate PFC technology with Quasi-Resonant DC/D
5、C Converter and Synchronous Rectifier technology,to work out a novel switching power supply with higher efficiency and low contamination,which both achieved high power factor,improved effecting on electrical network and ensured high efficiency.Furthermore,it is easy to be realized and controlled in
6、circuit,therefore it has great value of application.Firstly,future development of switching power supply,power factor correcting and synchronous rectifier technology is described,and isolation of Quasi-Resonant Flyback Converter is selected from several topology of DC/DC,which may reduces power loss
7、 effectively.Next several common topology of PFC are contrasted with their performance,and BOOST circuit elected is analyzed with operating in critical mode,which adopts new technology of output voltage following along with changing of input,not only can bulk of inductance lessen,but also can voltag
8、e stress of switching tube decrease,and reaches power factor correcting easily and effectively,this technology should be extended.Because efficiency of Flyback Converter is lower commonly,so this paper improves on technology of common Synchronous Rectifier and schemes out a new high efficiency schem
9、e of Synchronous Rectifier.About current surge when start in wide voltage,corresponding control circuit of start-up is designed in this paper.Finally,to depress Electromagnetic Interference(EMI),EMI filter is designed at input of switching power supply specially.Simulates parts of circuit using simu
10、lation software of OrCAD Pspice A/D,selects circuit components,designs and debuggs sample.And then the data from experiment is analyzed and compared with simulating waveforms,experimental result is satisfying,high power factor is realized and technology of output voltage following along with changin
11、g of input is came true successfully.conversion efficiency is improved obviously.The aim and direction of next task has been put forward at the end of this paper.Key words:Switching Power Supply:Power Factor Correction:Synchronous Rectifier:Simulation and experimentsin目录摘要第一章绪论.11.1 线性电源和开关电源的对比.11.
12、1.1 线性电源.11.1.2 开关电源.11.2 开关电源发展概况.21.2.1 发展简史.21.2.2 国内发展现状.31.2.3 目前面临的问题.31.3 功率因数校正技术简介.41.3.1 功率因数校正的由来.41.3.2 谐波的危害及功率因数校正的意义.61.3.3 功率因数校正技术的分类.71.4 同步整流技术概况.91.4.1 同步整流技术的作用.91.4.2 同步整流技术的分类.101.5 本课题的工作内容.12第二章有源功率因数校正电路.132.1 总体方案设计及技术指标.132.1.1 技术指标.132.1.2 总体方案设计.132.2 拓扑电路的选择.142.3 Boos
13、t变换器丁.作原理.152.4 CRM工作模式下APFC主电路结构框图.162.5.1 控制芯片的选择.182.5.2 有源功率因数校正控制芯片TDA486 3简介.182.6有源功率因数校正电路的设计.192.6.1 有源功率因数校正主电路的设计.192.6.2 有源功率因数校正控制电路的设计.25第三章二次变换设计.293.1 拓扑结构的选择.293.2 Flyback变换器的原理.293.3 Flyback变换器的控制芯片.303.3.1 控制芯片 NCP1 20 7.313.4.1 变压器的设计.323.4.2 主开关管的选择.353.4.3 MOSFET的驱动和缓冲电路.353.4.
14、4 输出滤波电路设计.363.4.5 控制芯片外围电路设计.373.4.6 电压反馈调节器.38IV3.5 开关电源启动控制及吸收电路.393.5.1 启动控制电路设计.393.5.2 吸收电路参数计算.403.6 同步整流电路设计.423.6.1 电流驱动同步整流技术的丁.作原理.423.6.2 同步整流电路设计.433.7 开关电源的电磁兼容性.443.7.1 EMI 和 EMC.443.7.2 EMI 设计.45第四章电源系统的仿真及结果分析.484.1 APFC电路仿真波形及分析.484.2 DC/DC电路仿真波形及分析.50第五章设计总结与问题讨论.525.1 本文完成的主要工作.5
15、25.2 设计工作的总结.525.3 值得进一步探讨的问题.53致谢.54参考文献:.55附录.56v江苏大学本科毕业论文第一章绪论随着社会信息和工业技术的不断发展,作为电子电路、电器和电动设备的工 作动力的电源装置的需求量日益增长,并对其体积、重量、效率、可靠性和性能 等方面提出了更高的要求。1.1 线性电源和开关电源的对比按功率管的T作方式划分,直流电源主要分为两类:线性电源和开关电源,线性电源中的功率管T作在线性放大区,开关电源则是在线性电源的基础上发展 起来的,其功率管作在开关状态,在很大程度上克服了线性电源的缺点,但其 自身也有一定的不足。1.1.1 线性电源线性电源的工作过程为:T
16、频电压先经工频变压器降压后,进行整流滤波,然后经过功率管放大输出,冉将取样电压和基准电压比较后经驱动电路驱动功率 管进行输出电压调整,最后输出纹波电压和性能符合要求的直流电压。线性电源的优点是:电压稳定度及负载稳定度高;输出纹波电压很小;电路瞬态响应速度快;电路结构简单,故障率低,便于维修;由于功率 管工作在放大区,非开关状态,故没有工作频率,因此没有高频开关干扰。线性电源的缺点是:由于功率管工作在放大区,为需要输出大功率时,功 率管本身功耗随着输出功率的增大而增加,因此,整个电源损耗大、效率低;需 要工频变压器,使得电源体积大、重量重,效率大大降低;为了滤掉低频纹波 分量,需要较大的滤波电容
17、。1.1.2 开关电源开关电源(SPS,Switching Po wer Supply)是功率管工作在开关状态的稳压电 源。图1.1给出了基本的开关电源原理框图,实际上,开关电源包括隔离型和非隔 离型,图中所示为非隔离型电路框图。开关电源的核心是一个直流变换器,可以 把一种宜流电压变换成多种性能不同的直流电压。其作过程为:单相交流电压第一章绪论经整流滤波后,通过功率管的开关形成脉动宜流电压,再经滤波电路输出较 平稳的直流电压。为了达到稳定度较高的直流电压,对输出电压取样和基准电压 进行比较放大后,再反馈到脉宽调制器,而后经脉宽调制器输出合适占空比或频 率的驱动信号来调整功率管的开关,以达到输出
18、电压的稳定。开关电源的优点:功耗小、效率高;体积小、重量轻;可以做到宽 范围电压输入,稳定电压输出;滤波器的体枳大为减小。开关电源也存在一些缺点:较为严重的电磁干扰。电路结构相对于线 性电源复杂,故障率较高,维修困难。1.2 开关电源发展概况1.2.1 发展简史20世纪50年代末期,美国科学家罗耶(GH.Ro yer)首先发明了利用磁芯的 饱和来进行自激振荡的晶体管直流变换器,为线性电源向开关电源转化奠定了理 论基础。60年代末,随着晶闸管及其派生器件的出现,开关电源逐渐取代了晶体 管线性稳压电源,诞生了无工频变压器稳压开关电源,效率可达到65%70%,而 线性电源仅为30%40%。从而使电源
19、的体积和重量大为减小,效率提高。70年代后期,随着各种功率晶体管、高频电容、开关二极管、高频变压器磁 芯等器件被成功地研制出,使开关电源的发展走上了通过提高工作频率实现小型 化的道路。不难看出,开关电源的发展是与当今经济社会发展对科学技术的要求分不开 的,开关电源的高效性适应了当今能源问题严峻的状况;它的高频化适应了现代 化装置和设备对电源轻、薄、短、小的严格要求;它的控制器高度集成化,适应 2江苏大学本科毕业论文了任何电控设备对电源的高可靠性要求。1.2.2 国内发展现状我国的晶体管立流变换器及开关稳压电源的研制工作始于60年代初期,到60 年代中期进入实用阶段,70年代初开始研制无工频变压
20、器开关稳压电源。近10多 年来,许多研究机构、高校和工厂研制出多种类型的开关电源,并广泛用于电子 计算机、通讯和彩色电视机等领域,效果较好。工作频率为100kHz200kHz的高 频开关稳压电源于90年代初试制成功,已走向应用阶段。90年代后,随着国外控 制芯片的发展和引进,200kHz以上工作频率的开关电源研制也逐步走向成熟,并 在许多领域替代了T作频率较低的开关电源。H前国内正在致力于研制高工作频 率、多功能化、高效率的开关电源。虽然我国科技人员在开关电源研制方面取得了长足的进展,但。发达国家相 比,仍存在着较大差距,尤其是开关电源PWM控制芯片,因为现有开关电源所用 的PWM芯片儿乎全部
21、来自于国外。根据有关资料报道,西方发达国家一经提高开 关电源的工作频率至1MHz,共至几十MHz,并已应用。由于我国半导体技术和 加工工艺还落后于西方发达国家,致使我国自行研制的开关电源中有许多重要器 件还依赖进口。要缩小西方发达国家在开关电源研制方面的差距,尚需加快研 发的步伐。1.2.3 目前面临的问题随着半导体技术和微电子技术的高速发展,集成度高、功能强的大规模集成 电路不断出现,使得电子设备的体积和重量不断下降,这势必要求体积更小、重 量更轻、效率更高的开关稳压电源来满足电子设备的口益微小型化。这是面临的 第一个问题。提高开关稳压电源的效率就是要提高其工作频率。但T.作频率提高后,对整
22、 个电路中的元器件又提出了新的要求。进一步研究并生产出适合高频工作的开关 管、高频电容器、变压器、储能电感和高频整流二极管等无器件、是开关电源面 临的第二个问题。开关电源高频化后,因开关管的开关速度提高,会受到电路中分布电感和电 容或二极管存储电荷效应而产生较大的浪涌和噪声,再通过电路中元器件进一步 产生较强的尖峰干扰和谐波干扰,加之变压器在高频变换状态下由于漏感、寄生 3第一章绪论电感等因素产生的电磁干扰,都可能对电路中的元器件及电网造成污染。因此,克服开关电源产生的各种噪声干扰,是开关电源面临的第三个问题。1.3 功率因数校正技术简介1.3.1 功率因数校正的由来交直流(AC/DC)变换器
23、是电子产品不可缺少的部分,图1.2所示是最简单 的AC/DC变换器,它是由普通二极管整流桥实现,其输出是不可调节的直流电压,一个大电容Cd用来滤除低 频纹波。在图中,可选模型为:整流二极管为D1N4007,电解 电容Cd为80F/400V,输入交 流电源为220V/50Hz o利用 Or CAD PSpiccA/D仿真工具可 得出输入电流波形和电流谐波220V/50HZDIN4007本80四/400、图L2简单的电容滤波AC/DC变换电路分布图,分别如图1.3和1.4所示。可见,由于此整流滤波电路是由非线性元件和 储能元件组成:二极管和电解电容,整流二极管的导通角很小,输入电流波形为 脉冲状,
24、因此,虽然输入交流电压是正弦波,但输入交流电流波形却发生严重畸 变。由此产生的谐波电流对电网污染严重而且使输入端功率因数下降,导致无功 功率增大。图1.3输入电流波形图图1.4输入电流谐波分布功率因数尸尸通常定义为:(1-1)其中尸为有功功率,定义为4江苏大学本科毕业论文P UI】co s。(1-2)S为视在功率,即端口电压、电流有效值的乘积:S=UI(1-3)式(1-2)和式(1-3)中,U、/分别为、,的有效值,力为电流基波分量,m 为基波电流与输入电压。的相位差,为输入电压的瞬时值,/.为输入电流的瞬时 值。设交流输入电压为正弦,输入电流为非正弦。输入电流有效值/为:式中,小/2,,4分
25、别为电流基波分量、二次谐波、次谐波电流的有效值。设基波电流八落后,相位差为8。则功率因数可表示为:PF=Ulx co s。/5r=/,co s。/(1-5)故式(IT)定义的功率因数可由下式确定:PF=-yC(1-6)式中,八为基波电流有效值和总电流有效值之比,称为基波因数,而co s力称为 位移因数或基波功率因数。可见,功率因数是由基波电流相移和电流波形畸变这 两个因素共同决定。要研究AC/DC变换电路中输入功率因数与谐波的关系,还要引入一个概念,就是“总谐波畸变(To tal Har mo nics Disto r tio n),简称THD。定义为:THD=t-(1-7)式中,/h为所有谐
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