DC/DC直流开关电源的设计

摘  要
　　本设计是DC/DC直流开关电源设计,首先将开关电源与线性电源进行对比，总结了开关电源的优点,并对其当前的发展以及在发展中存在的问题进行了描述，然后在对开关电源的整体结构进行了介绍的基础上，对开关电源的主回路和控制回路进行设计：在主回路中整流电路采用单相桥式、功率转换电路采用单端正激功率转换电路、采用增加副边绕组的方法实现多路输出，其中功率转换电路（DC/DC变换器）是开关电源的核心部分，对此部分进行了重点设计；控制电路采用PWM控制，控制器采用开关电源集成控制器GW1524、设计了过压保护电路、电压检测电路和电流检测电路，对各个部分的参数进行了计算并进行了元器件的选型。
　　
【关键词】DC/DC变换器、PWM控制、整流、滤波。

Abstract
　　In this paper,I designed a switch power supply system with three outputs: Compare the switch power with linear power at first , has summarized the advantage of the switch power ,have described its present development and there are natural questions in development. On the basis of the thing that the whole structure to the switch power has made an introduction, to the main return circuit and controlling the return circuit to design of the switch power: The rectification circuit adopts the single-phase bridge type in the main return circuit, the power changes the circuit and adopts and defies the power to change the circuit , realize by increasing the winding of one pair of sides single and well that many ways are exported, it is a key part of the switch power supply that the power changes circuit (DC/DC transformer ), have designed this part especially ; The control circuit adopts PWM to control, the controller adopts the switch power integrated controller GW1524, design the circuit to measure voltage and the circuit to el measure ectric current, selecting type of calculating and carrying on the components and parts the parameter of each part.
　　
Keyword ：DC/DC transformer , PWM control , rectification , straining waves.

1 概述
　　电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。
1.1开关电源的基本原理
　　开关电源就是采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性通断开关，控制开关元件的占空比调整输出电压，开关电源的基本构成如图1-1所示，DC-DC变换器是进行功率变换的器件，是开关电源的核心部件，此外还有启动电路、过流与过压保护电路、噪声滤波器等组成部分。反馈回路检测其输出电压，并与基准电压比较，其误差通过误差放大器进行放大，控制脉宽调制电路，再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间，从而调整输出电压。

1.2开关电源与线性电源的比较
　　是先将交流电经过变压器变压，再经过整流电路整流滤波得到未稳定的直流电压，要达到高精度的直流电压，必须经过电压反馈调整输出电压。它的缺点是需要庞大而笨重的变压器，所需的滤波电容的体积和重量也相当大，而且电压反馈电路是工作在线性状态，调整管上有一定的电压降，在输出较大工作电流时，致使调整管的功耗太大，转换效率低，还要安装很大的散热片。这种电源不适合计算机等设备的需要，将逐步被开关电源所取代。

1.3开关电源的发展与应用
　　当前,开关电源新技术产品正在向以下"四化"的方向发展:应用技术的高频化;硬件结构的模块化;软件控制的数字化;产品性能的绿色化。由此,新一代开关电源产品的技术含量大大提高,使之更加可靠、成熟、经济、实用。
　　开关电源高频化是其发展的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。
　　近年,有些公司把开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去,构成了"智能化"功率模块(IPM),这样缩小了整机的体积,方便了整机设计和制造。为了提高系统的可靠性,有些制造商开发了"用户专用"功率模块(aspM),它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个模块中,使元器件间不再有传统的引线相连,这样的模块经过严格、合理的、热、电、机械方面的设计,达到优化完善的境地。      
　　开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳定电源,它以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备,是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。而当我们把开关电源的研究扩大到可调高电压、大电流时,以及将研究新技术应用于DC/AC变换器,即开拓了大功率应用领域,又使开关电源的应用范围扩大到了从发电厂设备至家用电器的所有应用电力、电子技术的电气工程领域。作为节能、节材、自动化、智能化、机电一体化的基础的开关电源,它的产品展现了广阔的市场前景。例如,发电厂的贮能发电设备、直流输电系统、动态无功补偿、机车牵引、交直流电机传动、不停电电源、汽车电子化、开关电源、中高频感应加热设备以及电视、通讯、办公自动化设备等。
1.4 开关电源当前存在的问题
　　当我们对该技术进行深入研究后却发现它仍然存在着一些问题需要解决，而且有的问题还带有全局性：采用定频调宽的控制方式来设计电源，都以输出功率最大时所需的续流时间为依据来预留开关截止时间的，则负载所需的功率小于电源的最大输出功率时就必然造成了工作电流的不连续；"反峰电压"是开关导通期间存入高频变压器的励磁能量在开关关断时的一种表现，而励磁能量只能在、也必须在开关关断后的截止期间处理掉，既能高效处理励磁能量又能有效限制反峰电压的办法是存在的，那就是要及时地为励磁能量提供一个"低阻抗通道"，并且为励磁能量的通过提供一段时间，但 "单调"控制方法不具备这一条件；高频变压器的磁通复位问题；传统的电流取样方法是在功率回路中串联电阻，效率不高，这个问题向来是电源技术，尤其是以小体积、高功率密度见长的开关电源技术发展的"瓶颈"；高频开关电源的并联同步输出问题。
　　以上的问题看似彼此独立，其实它们之间存在着一定的关联性解决这些问题，也许还是一条艰难而漫长的路。   

2 整流电路的设计
　　整流是将交流电变成脉动直流电的过程。电源变压器输出的交流电经整流电路得到一个大小变化但方向不变的脉动直流电。整流电路是由具有单向导电性的元件例如二极管、晶间管等整流元件组成的。
2.1整流电路的选择
　　单相整流电路有两种：电容输入型电路和扼流圈输入型电路
　　电容输入型的基本电路如图2-1：（a）为半波整流电路（b）为中间抽头的全波整流电路（c）桥式整流电路（d）倍压整流电路。

扼流圈输入型基本电路，用于负载电流I0较大的电路，扼流圈L的作用是抑制尖峰电流。
　　两种基本电路的比较如下：(1)开关电源多采用脉宽调制方式，空载时开关晶体管的导通时间非常短。其导通时间随开关电源的设计方法不同而异，也有采用控制开关晶体管电路的延时进行的间歇开关工作，这时，若采用扼流圈输入型整流电路，接近空载时，扼流固变为临界值，逆流电路由扼梳阂输入型变为业为电容输入型。为此，从满载到空载变动时，整流输出电压变动较大，空载时有可能进入间歇开关领域。(2)开关电源的特点是效率高而体积小，若使用扼流圈时，为提高负载调整率需要接入扼流圈以及阻尼电阻。(3) 扼流圈可能与次级侧滤波回路产生谐振。
　　因此，开关电源的输入整流电路采用电容输入型。

目  录
1 概述 1
1.1开关电源的基本原理 1
1.2开关电源与线性电源的比较 2
1.3开关电源的发展与应用 2
1.4 开关电源当前存在的问题 3
2 整流电路的设计 5
2.1整流电路的选择 5
2.1.1单相半波整流电路 6
2.1.2单相桥式整流电路 7
2.2 防止电流冲击的设计 7
2.3 参数计算以及元器件的选型 8
2.3.1整流管参数计算 9
2.3.2 变压器参数 9
2.3.3 电容参数计算 10
3 DC/DC变换器的设计 11
3.1控制方式的选择 11
3.2 功率转换电路的选择 12
3.2.1 推挽式功率转换电路 12
3.2.2 全桥式功率转换电路 13
3.2.3 半桥式功率转换电路 13
3.2.4 正向激励功率转换电路 14
3.2.5 反向激励功率转换电路 15
3.3单端正激变换器的设计 15
3.3.1工作原理 16
3.3.2能量再生线圈P2的工作原理 17
3.3.3 多路输出的设计 17
3.3.4 变压器设计 17
3.3.5电感的参数计算 19
3.3.6 二极管和电容器的选择 21
3.3.7 开关管的选择 21
4 控制电路的设计 23
4.1控制模式的选择 23
4.1.1电压模式控制 23
4.1.2平均电流模式控制 24
4.1.3 峰值电流模式控制 25
4.1.4滞环电流模式控制 26
4.1.5相加模式控制 27
4.2 开关电源集成控制器 27
4.2.1 GWl524的特点 28
4.2.2 1524 的极限使用值和主要电性能 28
4.2.3 GW1524的内部结构 28
4.2.4 GW1524工作过程 31
4.3电压检测电路 32
4.4电流检测电路 33
4.4.1电阻检测 33
4.4.2电流互感器检测 34
4.5 启动和集成电路供电电路设计 35
4.6 保护电路的设计 36
5 结论及设想 38
致谢 39
参考文献 40
附录1：开关电源原理图 41
附录2：元器件清单 42

附录2：元器件清单

1、变阻器---------------------------------------3个
2、电阻----------------------------------------29个
3、电容-----------------------------------------9个
4、熔断器---------------------------------------1个
5、热敏电阻-------------------------------------1个
6、压敏电阻-------------------------------------1个
7、变压器---------------------------------------2组
8、整流二极管-----------------------------------7个
9、发光二极管-----------------------------------4个
10、稳压二极管----------------------------------4个
11、绝缘栅双极晶体管----------------------------1个
12、单相桥式整流模块----------------------------1片
13、集成芯片------------------------------------3片
14、三极管--------------------------------------2个