开关电源的原理与设计

兰州交通大学毕业设计（论文）

摘 要

随着电力电子技术的发展和新型功率元器件的不断出现，开关电源技术得到了飞速的发展，在计算机、通讯、电力、家用电器、航空航天等领域得到广泛应用，取得了显著的成果。

本论文是通过用电源控制芯片M51995AFP设计并制作一种开关电源，该开关电源是通过PWM技术控制开关的占空比来调整输出电压的，以达到稳定输出的目的。

论文主要完成的内容有：

（1）根据设计需要选择开关电源电路；

（2）设计输入整流滤波电路，并确定相关器件参数； （3）基于M51995AFP对开关电源的控制核心部分进行设计； （4）设计输出整流滤波电路，并确定相关器件参数； （5）设计电压反馈电路；

（6）通过实验和计算对设计中的数据进行验证。

本论文对开关电源的滤波、整流、反馈电路等分别作了细致的研究工作，通过实验和计算，掌握了开关电源设计的核心技术，并对设计过程进行了详尽的阐述。

关键词：开关电源；占空比；PWM

I

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Abstract

With the development of the electronic technology and the emerging of new power components, switching power supply has been widely used in computer, communications, electricity, home appliances and aerospace fields, achieving remarkable results.

The purpose of this papers is to design and make a switching power supply based on control chip M51995AFP and PWM Control. This switching power supply could adjust the output voltage by using the duty cycle of PWM Control. Stable output purposes could be attained.

The main content of the papers are:

(1)Choose switching power supply circuit based on the requirement;

(2)Design input rectifier filter circuit and identify the relevant device parameters; (3)Design the core control parts of switching power supply based on M51995AFP; (4)Design rectifier output filter circuit and establish the relevant device parameters; (5)Design voltage feedback circuit;

(6)Validate data of the designing by adoption of experimental and computations. In the thesis , the switching power supply filtering, rectifier and the feedback circuit are studied in details. The main technology of designing switching power supply is obtained by experiments and calculations. The design process is specified also.

Key words: Switching Power Supply; Duty cycle; PWM

II

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目 录

1． 绪论 .............................................................................................................................................. 1

1.1 开关电源的概念和分类 ...................................................................................... 1

1.1.1开关电源的概念 .......................................................................................... 1 1.1.2开关电源的分类 .......................................................................................... 3 1.2 开关电源设计中存在的问题与未来发展 .......................................................... 4

1.2.1开关电源中存在的问题 .............................................................................. 4 1.2.2开关电源的发展趋势 .................................................................................. 5

2． 开关电源元器件的选用 .................................................................................................... 6

2.1 开关晶体管 .......................................................................................................... 6

2.1.1功率开关MOSFET ......................................................................................... 6 2.1.2 绝缘栅双极型晶体管 ................................................................................. 7 2.2 软磁铁氧体磁芯 .................................................................................................. 8

2.2.1磁性材料的基本特性 .................................................................................. 9 2.2.2磁芯的结构与选用 ...................................................................................... 9 2.3 光电耦合器 ........................................................................................................ 10 2.4 二极管 ................................................................................................................ 12

2.4.1开关二极管 ................................................................................................ 13 2.4.2稳压二极管 ................................................................................................ 13 2.4.3快速恢复及超快速恢复二极管 ................................................................ 14 2.5 自动恢复开关 .................................................................................................... 14 2.6 热敏电阻 ............................................................................................................ 15

3． 开关电源的设计基础 ....................................................................................................... 17

3.1 开关电源的控制方式 ..................................................................................................... 17

3.1.1脉宽调制的基本原理 ................................................................................ 17 3.1.2脉冲频率调制的基本原理 ........................................................................ 18 3.2 各类拓扑结构电源分析 .................................................................................... 19 3.3 谐振式电源与软开关技术 ................................................................................ 24

3.3.1电路的谐振现象 ........................................................................................ 24 3.3.2谐振式电源的基本原理 ............................................................................ 25 3.3.3谐振开关的动态过程分析 ........................................................................ 26

III

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3.3.4软开关技术及常见软开关拓扑简介 ........................................................ 30 3.4 其它软开关技术应用及发展概况 .................................................................... 36

4． 开关电源设计 ....................................................................................................................... 38

4.1 开关电源集成控制芯片 .................................................................................... 38

4.1.1芯片管脚排列及说明 ................................................................................ 38 4.1.2芯片基本特性 ............................................................................................ 39 4.1.3芯片工作原理分析 .................................................................................... 40 4.2 开关电源电路分析 ............................................................................................ 47

4.2.1开关电源电路原理图 ................................................................................ 47 4.2.2开关电源各单元电路具体分析 ................................................................ 49

结 论 .................................................................................................................................................... 55 致 谢 .................................................................................................................................................... 56 参 考 文 献 ............................................................................................................................... - 57 -

IV

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1． 绪论

开关电源是近年来应用非常广泛的一种新式电源，它具有体积小、重量轻、耗能低、使用方便等优点，在邮电通信、航空航天、仪器仪表、工业设备、医疗器械、家用电器等领域应用效果显著。

1.1 开关电源的概念和分类

电源是将各种能源转换成为用电设备所需电能的装置，是所有靠电能工作的装置的动力源泉。

1.1.1开关电源的概念

电是工业的动力，是人类生活的源泉。电源是产生电的装置，表示电源特性的参数有功率、电压、电流、频率等；在同一参数要求下，又有重量、体积、效率和可靠性等指标。我们用的电，一般都需要经过转换才能适合使用的需求，例如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换为小功率等。

按照电子理论，所谓AC/DC就是交流转换为直流；AC/AC称为交流转换为交流，即为改变频率；DC/AC称为逆变；DC/DC为直流变交流后再变直流。为了达到转换的目的，电源变换的方法是多样的。自20世纪60年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源（Switching Power Supply）[1]。

开关电源在转换过程中，用高频变压器隔离称之为离线式开关变换器（Off-line Switching Cpnwerter），常用的AC/DC变换器就是离线式变换器。

开关电源通常由六大部分组成，如图1-1所示。

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