推挽式直流开关电源的设计方案解析

　　随着现代通讯技术的飞速发展，对通讯电源的重量、体积、可靠性、效率等提出了更高的要求。而应用于中大功率场合的移相全桥DC/DC变换器具有结构简单、输出功率大、效率高、易实现软开关、功率开关管所承受的电压电流应力小等一系列优点，因此，对它进行研究具有十分重要的意义。本文首先对DC/DC升压变换器的电流触发主电路、输入电路、反馈电路控制芯片、推挽变压器进行了详细的讲解，其中重点对MOS场效应管的损耗问题进行了研究和分析。其次本文也对本实验用到的器件进行了简单的介绍并给出了所需器件的参数，建立了模型并用Protel Altium Designer 6.9仿真软件对系统的稳定性进行了分析。最后根据自己的仿真结果做出了实际电路并进调试一切正常，达到了所需要的效果。

　　1 绪论

　　1.1开关电源的发展历程

　　随着电子技术的发展， DC/DC 电源已经形成一个庞大的工业， 材料、工艺、外封装的不断改进， 使DC/DC产品普遍被工业界采用， 并在军界、医疗、宇航等领域迅速推广。现已有数家产值达数千万美元的公司生产DC/DC电源， 产品从0.5瓦至上千瓦。 从单输出到多输出。也有的公司把自己的DC/DC模块产品组合设计成用户需要的电源系统。

　　激烈的竞争局面， 导致各厂家积极采用先进技术， 使模块以最小的体积达到最高的功率输出，某些新产品的功率密度已可达每立方英寸10瓦。提高效率和输出功率是大家追求的目标， 场效应开关管、肖特基整流管以及磁性材料的改进， 都是关键因素。

　　计算机工业的发展给DC/DC电源提出了新的目标。以往的TTL 电路逻辑电压为5V ， 超大规模集成电路的驱动电流较大， 一个需5A 电流的设计至少要25 瓦输出的电源模块。为节省能源， 新的CMOSIC设计使电压降为3.3V ， 同样需5A 电流则可仅用16.5 瓦的模块。目前一些超大规模集成电路生产厂家有意把电压降至2 .9V 、2.1 V ，以节省电力， 因对DC/DC电源产品带来了新的挑战。目前DC/DC模块的设计人员采用同步整流技术在一定程度上使效率有所提高，但最终的改进尚依赖于半导体元件性能的改善。为解决DC/DC模块的控制电路。使用一定规模的集成电路将使DC/DC模块性能得到革命性的进步［1］。

　　DC/DC模块的外封装的散热也是个关键间题。由于体积的限制，模块外壳需有良好的导热能力， 否则将烧毁内部半导体元件。近几年已有把电路印刷在铝制或陶瓷荃板上的DC/DC产品间世。铝板和陶瓷板导热较好， 给DC/DC模块的发展提供的新的方向。

　　1.2开关电源的分类

　　1.2.1按驱动方式分类

　　1）自激式开关电源开关管起着振荡器器件和功率开关的作用。

　　2）他激式开关电源备有专门独立的振荡电路，使用专用的脉冲调宽控制器PWM芯片就是中一例。

　　1.2.2按能量转换过程的类型分类

　　1）直流—直流（DC-DC）变换器它是将一种直流电转换成另一种或几种直流电。DC-DC变换器是直流开关电源的核心部件，也是非隔离式或隔离式变换器直流电源的重要组成部分。

　　2）逆变器（DC-AC）它是将直流电转换交流电的开关变换器，是交流输出开关电源和不间断电源（UPS）的主要部件。

　　3）开关整流器（AC-DC）它是将交流电转换成直流电能的一种电源装置，这种变换器其变换过程应该理解为交流－直流－交流－直流（AC-DC-AC-DC）。

　　4）交流－交流变换器（AC-AC）它是将一种频率的交流电直接转换成另一种恒频或可变频率的交流电，或是将交流电直接转换成恒频交流电的变换装置。

　　1.2.3按输入与输出是否隔离分类

　　1）隔离式开关变换器它是高频变压器将变换器的一次侧（输入）与二次侧（输出）隔离。这种变换器结构主要有单端正激式变换器，单端反激式变换器，中心抽头式（推挽）变换器，半桥式变换器，全桥式变换器。

　　2）非隔离式开关变换器它是在电气上输入与输出不隔离的。输入与输出公用一个公共端。这种变换器结构主要有降压型（Buck）变换器，升压型（Boost）变换器，降压－升压（Buck-Boost）变换器以及它们的组合变形电路，如Cuk器，Zeta变换器，Sepic变换器等。

　　1.2.4按功率开关管关断和开通工作条件分类

　　1）硬开关变换器功率开关器件是在承受电压或电流应力的情况下接通或关断的。这样不但产生开关损耗，而且形成开关尖峰干扰噪声，需要附加屏蔽，滤波等抗噪声技术，才能满足高精度，高性能用电设备的要求。

　　2）软开关变换器功率开关器件是在不承受电压或电流应力的情况下接通或关断的；或是加在开关管上的电压为零，称零电压开关（ZVS）；或是流过开关管的电流为零，称零电流开关（ZCS）。因开关过程中无电压，电流重叠（理想情况），开关损耗大大降低，而且开关噪声电压小，有利于开关变换器的高频化，小型化。

　　1.3开关电源的特点

　　DC/DC 电源在70 年代即得到应用， 已形成模块化产品。由于DC/DC电路设计相对较简单、费用低， 可以快速的良好设计解决大量复杂问题， 而且已经形成一整套DC/DC电源的设计、测试、生产标准。这就大大简化了电子、电器设备系统设计过程。在较大型设备中（ 如程控交换机） ， 电源往往占据系统费用的20 %左右， 电源设计考虑不周常因电源故障而使整个系统不能正常工作。

　　采用DC/DC供电方式是目前最简单而最易行的办法。在系统的设计初期，即可根据系统内部各级部件电路对不同的电压电流要求， 根据DC/DC模块生产厂家的产品目录找到合适的DC 江兀模块产品。如系统对DC/DC模块有特殊要求， 也可请DC/DC二模块生产厂家进行特殊设计和生产。从而可使设计师以较少的精力考虑电源而把主要精力投入到系统核心部分的设计。采用DC/DC模块化电源即可使这一切成为现实。采用小型化的电源模块可大大减化设备结构， 减小体积重量， 同时， 电源模块所特有的高可靠性使系统的整体可靠性大幅度提高， 更有利于降低设计费用和设备成本。

　　1.4本文主要工作

　　本文的主要工作是分析设计了一种PWM升压型DC/DC变换器的控制芯片。本文共分六个章节详细介绍。

　　第一章介绍了开关电源的发展历程、开关电源的分类和开关电源的特点。

　　第二章阐述了开关电源的基础知识，其中包括了软开关技术、全桥控制技术、电源开关常用的拓扑结构、电源开关的调制方式以及开关电源的控制方式，在此对每一项都进行了详细的介绍的分析。

　　第三章是对主电路进行原理分析，本设计所用器件的选取、重要的变压器制作和硬件抗干扰进行了一系列措施的研究。

　　第四章分析了参与主电路的开关电源控制芯片TL494的设计，本文也对此进行了详细的描述。

　　第五章介绍了开关电源反馈电路的设计。

　　第六章是本文的结论，写出了本人对这次设计的感想和一些看法。