PWM型半桥开关电源设计说明

PWM型半桥开关电源设计
[摘要]开关电源是现代电力电子设备不可或缺的组成部分，其质量的优劣直接影响子设备性能，其体积的大小也直接影响到电子设备整体的体积。

本设计根据设计任务进行了方案设计，设计了相应的硬件电路，研制了150W(15V、10A)板桥开关电源。

整个系统包括主电路、控制电路和驱动电路三部分容。

系统主电路包括单相输入整流、半桥式逆变、高频交流输出，输出整流、输出滤波几部分。

控制电路包括主电路开关管控制脉冲的产生和保护电路。

论文具体地介绍了主电路、控制电路、驱动电路等各部分的设计及实验过程，包括元器件的选取以及参数计算。

本设计中采用的芯片主要是PWM控制芯片SG3525A、光电耦合芯片PG817和半桥驱动芯片IR2110。

设计过程中充分利用了SG3525A的控制性能，具有宽的可调工作频率，死区时间可调，具有输入欠电压锁定功能和双路输出电流。

介绍了开关电源的相关知识，从开关电源的工作原理，组成，特点等方面进行阐述，把开关电源的分类，主要技术指标，典型结构，技术要点及其开关器件进行了系统的说明，同时在基于PWM技术的基础上。

围绕高频变压器、PWM控制及驱动电路等模块，设计了一台功率为150W、输出电压为+15V的半桥式开关稳压电源，并给出了具体设计步骤。

[关键词]开关电源；半桥；SG3525A；高频变压器；MOSFET
Design of half Bridge Switching Mode Power Supply
Based on PWM technology
LI Qianguang
(Grade 08,Class 2,Major Electric engineering, Electric engineering and automation Dept, Shaanxi University of Technology, Hanzhong 723003,Shannxi)
Tutor: Yan Qunmin
【Abstract】Switching mode power supply (SMPS) is a significant part of the power electronics, which effects the performance and volume of the electronic equipment. The scheme has made a plan of designs based on the task of design, designed corresponding hardware circuit and developed 150W(15V、10A) half-bridge Switch power supply, it also can display voltage.The system included three parts: the main circuit part, the control circuit part and driving circuit. And the main circuit part consisted of one-phase input rectification. The control circuit involved two parts: One is the circuit brings the pulse controls the switches in main circuit, and the other is the protect circuit. And then detailedly recommended the designs of main circuit, control circuit and driving circuit, including selected components and calculated parameter. The CMOS chip that is applied in the design is PWM Controller SG3525、optical coupler Circuit PC817、half bridge drive chipIR2110. The controlled feature of PWM Controller SG3525A is fully utilized in the process of design, which has wide adjustable operating frequency and dead time, input under voltage lock function and twin
channel output current. A half bridge switching modepower supply (SMPW)technology is introduced The detailed design method of high frequency transformer.PWM control and dirce circuit is procided A 150W half birdgs SMPS using this method is design .At last,the experimental waveforms are presented.
【Key words】 SMPS half birdge;SG3525A;high frequency transformer;Mosfet
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目录
绪论 (8)
第一章概述 (9)
1.1 开关电源概述 (9)
1.1.1 开关电源的工作原理 (9)
1.1.2 开关电源的组成 (10)
1.1.3 开关电源的特点 (10)
1.2 开关电源的分类 (11)
1.3 开关电源的主要技术指标 (13)
第二章开关电源的拓扑结构及比较 (15)
2.1 开关电源典型结构 (15)
2.1.1 串联电源典型结构 (15)
2.1.2 并联开关电源结构 (15)
2.1.3 正激电源开关结构 (16)
2.1.4 反激开关电源结构 (17)
2.1.5 半桥开关源结构 (17)
2.1.6 全桥开关电源结构 (18)
2.2 开关电源技术要点 (19)
2.2.1 电源电路的组成及主要特点 (19)
2.2.2 倍压/桥式整流自动切换 (20)
第三章开关电源的控制及PWM技术 (21)
3.1 开关器件 (21)
3.1.1 开关器件的特征 (21)
3.1.2 开关器件的组成 (21)
3.1.3 开关器件的分类 (21)
3.1.4 电力场效应晶体管MOSFET (22)
3.2 PWM调制技术 (24)
3.2.1 PWM逆变电路及其控制方法 (24)
3.2.2 PWM 跟踪控制技术 (26)
3.2.3 PWM整流电路及其控制方法 (27)
第四章 PWM半桥式开关电源的设计 (31)
4.1主电路结构及其工作原理 (32)
4.2 电源系统框图及部分介绍 (32)
4.3 高频变压器设计 (33)
4.4 PWM控制电路 (35)
4.5 隔离驱动线路 (35)
4.6 结论 (36)
PWM型半桥式开关电源总体电路图 (37)
致 (38)
参考文献 (39)
英文文献 (40)
中文翻译 (43)
绪论
随着开关电源在计算机、通信、航空航天、仪器仪表及家用电器等方面的广泛应用，人们对其需求量日益增长，并且对电源的效率、体积、重量及可靠性等方面提出了更高的要求。

为了适应市场需求，全球各开关电源制造厂商不断推出各种性价比很高的产品或模块。

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取代了效率低、又笨又重的线性电源。

PWM半桥式开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。

从另一方面来说，PWM半桥式开关电源的技术追求也日趋高涨和发展趋势亦渐广泛，而且派生出了很多特殊的应用领域研制和开发的难度变得更大了，这就更有很多的研究价值和技术发展的空间了。

开关电源的高频变换电路形式很多，常用的变换电路有推挽、全桥、半桥、单端正激和单端反激等形式。

其中，在半桥式变换器电路中，变压器初级在整个周期中都有电流流过，磁芯利用更加充分。

它克服了推挽式电路的缺点，所使用的功率晶体管耐压要求较低；其次，晶体管的饱和压降也减少到最小；再者，对输入滤波电容电压要求也比较低。

由于以上诸多因素，半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。

本次设计从两个部分进行，第一部分介绍了开关电源基础知识和理论，第二部分具体介绍开关电源的设计步骤和具体电路及元件的设计计算。

开关电源理论部分在第一节分别讲述了开关电源的开关电源的工作原理、开关电源的特点；第二节介绍了开关电源的分类第三节介绍了开关电源的主要技术指标；第四节介绍了开关电源典型结构、串联电源典型结构、并联开关电源结构、正激电源开关结构、反激开关电源结构、半桥开关源结构、全桥开关电源结构；第五节介绍了开关电源技术要点、电源电路的组成及主要特点、倍压/桥式整流自动切换；第六节介绍了开关器件、开关器件的特征、开关器件的组成、开关器件的分类；第七节介绍了PWM调制技术详细说明了PWM逆变电路及其控制方法、PWM跟踪控制技术及PWM整流电路及其控制方法。

设计部分从电源的主电路图，模块框图，高频变压器的设计，PWM控制及驱动电路等进行了详细的说明。

第一章 概述
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。

随着电力电子技术的发展和创新，使得开关电源技术在不断地创新，这一成本反转点日益向低输出电力端移动，这为开关电源提供了广泛的发展空间。

随着开关电源在计算机、通信、家用电器等方面的广泛应用，人们对其需求量增长和效率、体积、重量及可靠性等方面要求更高。

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取代了效率低、又笨又重的线性电源。

在半桥式变换器电路中，变压器初级在整个周期中都流过电流，磁芯利用得更加充分。

它克服了推挽式电路的缺点，所使用的功率晶体管耐压要求低，半桥式变换器在高频开关电源设计中得到广泛的应用。

1.1 开关电源概述
1.1.1 开关电源的工作原理
开关电源的原理可以用图1.1进行说明。

图中输入的直流不稳定电压1U 经过开关S 加至输出端，S 为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关S 按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压1U 变成矩形脉冲电压。

这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压o U
（a ） 电
路
图
；
（
b ）波形图
图1.1 开关电源的工作原理
为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下：
T
T D ON = （1-1） 式中，T 表示开关S 的开关重复周期；Ton 表示开关S 在一个开关周期中的导通时间。

开关电源直流输出电压0U 与输入电压i U 之间有如下关系：
D U U i =0 （1-2）
由式（1-1）和（1-2）可以看出，若开关周期T 一定，改变开关S 的导通时间ON T ，即可改变脉冲占空比D ，从而达到输出电压的目的。

T 不变，只改变ON T 来实现占空比调节的稳压方式叫做脉冲宽度调节（PWM ）。

由于PWM 式的开关频率固定，输出滤波电路比较容易设计，易实现最优化，因此PWM 式的开关电源用的比较多。

1.1.2 开关电源的组成
开关电源的基本组成如图1-2所示。

其中DC/DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是PWM信号、PFM信号或其它信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。

除此以外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路。

图1.2 开关电源的基本组成
DC/DC变换器有多种电路形式，其中控制波形为方波的PWM变换器以及工作波形为准正弦波的谐振变换器应用较为普遍。

1.1.3 开关电源的特点
开关电源具有如下特点：
（1）功耗小、效率高。

开关电源结构原理方框图中的晶体管在激励信号的驱动下，其工作状态处于导通-截止和截止-导通的开关状态，转换速度很快，频率一般为50kHz左右。

在一些技术先进的国家，可以做到几百或者上千kHz。

晶体管V饱和导通时，虽然电流较大，但管压降很小；截止断开时，虽然管压降很大，但通过的电流几乎为零。

这就使得开关晶体管V在其整个工作过程中的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高。

（2）体积小、重量轻。

没有了笨重的工频降压变压器。

由于调整管上的耗散功率大幅度地降低，因而省去了体积和重量都较大的散热片。

由于这两方面的原因，故开关电源的体积小、重量轻。

（3）稳压围宽。

开关电源的输出电压是通过激励信号的占空比来调节的，输入电压的波动变化，可以通过改变占空比的方式来进行补偿，这样在输入电压变化或波动较大时，它仍能保证有较稳定的输出电压。

所以，开关电源的稳压围很宽，稳压效果较好。

此外，改变占空比的方法有脉宽调制型、频率调制型和混合调制型三种。

这样开关电源不仅具有稳压围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多较灵活，设计人员可以根据实际应用的需要和要求，灵活选用各种形式的稳压方法。

（4）滤波效率高，不需要叫大容量的滤波电容。

开关电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz 左右，是线性电源的1000倍，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1000倍。

就是采用半波整流后加电容滤波，效率也提高了500倍。

在相同波纹输出电压的要求下，采用开关电源时，滤波电容的容量只是线性电源中滤波电容容量的1/500~1/1000。

滤波电容容量减小以后，整个电源的体积和重量也相应地有所减小。

（5）电路形式灵活多样。

例如：有自激式和他激式；有调宽型和调频型；有单端式和双端式；
有开关元件为晶体管式和开关元件为可控硅式等等。

设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足各种不同应用场合的开关电源。

1.2 开关电源的分类
为更好、更方便地设计和使用开关电源，在此按电路的输出稳压控制方式、开关电源的触发方式、电路的输出取样方式等多种角度，对开关电源进行分类。

1. 按电路的输出稳压控制方式
按电路的输出稳压控制方式，开关电源可分为脉冲宽度调制（PWM ）式、脉冲频率调制（PFM ）式和脉冲调频调宽式三种。

2. 按开关电源的触发方式
1）自激式开关电源
自激式开关电源利用电源电路中的开关晶体管和高频脉冲变压器构成正反馈环路，来完成自激震荡，使开关电源输出直流电压。

在显示设备的PWM 式开关电源中，自激震荡频率同步于行频脉冲，即使在扫描电路发生故障时，电源电路仍能维持自激震荡而有直流输出电压。

2) 它激式开关电源
它激式开关电源必须有一个震荡器，用以产生开关脉冲来控制开关管，使开关电源工作，输出直流电压。

3. 按电路的输出取样分类
1) 直接输出取样开关电源
直接输出取样电路在光电耦合器尚未应用时,主要在串联开关电源上使用;在光电耦合器使用后,开始在变压耦合并联开关上使用。

图1-3为直接输出取样电路在开关电源中的应用实例。

光电耦合器中三极管集电极电流c I 的大小与发光二极管电流F I 及光电耦合系数h 成正比关系，即
F c hI I (1-4)
当开关电源的输出电压因输入电压升高或负载减轻而升高时，滤波电容C 1两端升高的电压一路经取样电阻R 1、R 2取样后，使光电耦合器V 515的右下脚电压升高，即发光二极管正极电位升高，由于VT 553发射极接有稳压管，其发射极电位不变，所以VT 553加速导通，集电极电位下降，于是V 515的发光二极管发光强度增大，光电三极管阻下降，脉宽调节电路
图1.3 直接输出取样开关电源电路
的VT5、VT1相继导通，开关管VT2导通时间减小，是输出电压下降到正常值采用直接输出取样方式的开关电源，不见安全性好，而且具有便于空载检修、稳压反应速度快、瞬间响应时间短等优点。

图1.4 三端误差取样放大器
由误差取样电路与误差放大电路组成的三端误差取样放大器见图 1.4.该放大器的电路结构不但得到了简化，其可靠性也得到了提高，因此目前视听设备的开关电源大多采用这种三端误差取样放大器的直接取样电路方式。

2)简介输出取样开关电源
图1.5 间接输出取样开关电源电路
图1.5是间接输出取样开关电源电路。

该电路的特点是在开关变压器上专门设置了一个取样绕组，即①-②绕组，取样绕组感应的脉冲电压经V811整流，在滤波电容C815两端产生供养电路取样的直流电压。

由于取样绕组与此取样绕组采用了紧耦合结构，因此滤波电容C815两端电压的高低，就间接反映了开关电源输出电压的高低，所以这种取样方式称为间接输出取样方式。

间接输出取样方式的缺点是响应差，当输出电压因输入电压等原因发生变化时，输出电压的变化需经过开关变压器磁耦合才能反映到取样绕组两端，所以稳压速度低，并且这种开关电源不能空载检修，检修时须在输出端接替代负载。

4. 按其他方式分类
开关电源按功率开关管的连接方式，可分为单端正激开关电源、单端反激开关电源、半桥开关电源和全桥开关电源；按功率开关管与电源供电、储能电感、稳压电压的输出方式，可分为串联开关电源和并联开关电源。

1.3 开关电源的主要技术指标
开关电源主要有以下技术指标：
(1)输入电压变化围：当稳压电源的输入电压发生变化时，使输出电压保持不变的输出电压的变化围。

这个围越宽，表示电源适应外界电压变化的能力越强，电源使用围就越宽。

他和电源的误差放大、反馈调节电路的增益以及占空比调节围有关。

目前开关电源的输入电压变化围已经做到90~270V，可以省去许多电器中的110V/220V转换开关。

(2)输出阻R0：输出电压的变化量ΔU0 与输出电流的变化量ΔI0的比值。

这个比值越小，表示电源输出电压随负载的变化越小，稳压性越好。

(3)效率η：电源输出功率P0与输入功率P i的比值，这个比值越高，开关电源体积越小，同时可靠性也越高。

目前开关电源的效率可达90%以上。

(4)输出纹波电压：由于开关电源的稳压过程是一个不断反馈调节的过程，因此在输出的的直流电压U0会出现一个叠加的波动的纹波电压，即输出纹波电压。

这个电压值越小，表示电源的输出性
能越好。

这个参数的表示方法有两种：一是输出波纹电压的有效值；二是输出波纹电压的峰峰值U pp.
(5)输出电压调节围：由于电源的输出电压只和基准电压与输出取样电路的元器件参数有关，因此，输出电压调节围反应在线性电源上是稳压调整管集电极电流的变化围，反映在开关电源上是开关调整管脉冲占空比D的变化围。

(6)输出电压稳定性：输出电压随负载的变化而变化的特性，这个变化量越小越好。

它主要和反馈调节回路的增益及频响特性有关。

反馈调节回路增益越高，基准电压U e越稳定，输出电压U0的稳定性越好。

(7)输出功率P0：电源能输出给负载的最大功率，他和负载功率有关。

为了保证电源安全，要求输出功率有20％—50％的裕量。

第二章 开关电源的拓扑结构及比较
2.1 开关电源典型结构
2.1.1 串联电源典型结构
串联开关电源原理图如图1.6所示。

开关原件及功率开关晶体管VT 串联在输入与输出之间。

正常工作时，功率开关晶体管VT 在开关脉冲信号的作用下周期性的在导通、界之间交替转换，是输入与输出之间周期性的闭合和断开。

输入不稳定的直流电压通过功率开关晶体管VT 后输出周期性脉冲信号电压，再经脉冲整流滤波后，就可以得到平滑直流输出电压U 0。

U 0和功率开关晶体管VT 的脉冲占空比D 有式（1-2）的关系。

输入交流电压或负载电流的变化，会引起输入直流电压的变化，通过输出取样电路后将得到的取样电压与基准电压比较，其误差值通过误差放大器放大后控制脉冲调宽电路的脉冲占空比D ，达到稳定输出直流电压U 0的目的。

在串联开关电源中，由于功率开关VT 串联在输入电压U i 和输出电压U 0之间，因此对开关耐压要求低。

但由于输入电压和输出电压共用地线，电压输入与输出间不隔离，有可能使电路板底板带 电，使用不安全，更不满足外接AV 输入、影碟机、录放相机的要求。

因此在目前的电子装置和视听设备的电源电路中以较少采用长联开关电源，而更多是采用并联开关电源。

图2.1 串联开关电源原理图
2.1.2 并联开关电源结构
并联开光电源原理图如图1.7所示：其中功率开关管VT 与输入电压。

输出负载并联，输出电压为：
i U U =0D
-11 (1-4)
图1-7所示为一种输出升压型并联开关电源，电路中有一个储能电感，适当利用这个储能电感，可将输出升压型并联开关电源转化为广泛使用的变压器耦合并联开关电源。

图2.2 并联开关电源原理图
变压器耦合并联开关电源原理图如图1.8所示，功率开关管VT与开关变压器初级线圈相串联在电源供电输出端，功率开关管VT再开关冲脉冲的周期性的导通与截止，集电极输出的脉冲电压通过变压器耦合在次级得到脉冲电压这个次级脉冲电压经整流滤波后的到直流输出电压U0。

同样，经过取样电路后将得到的取样电压与基准电压U E进行比较，其误差电压再被误差放大器放大后输出值功率开关管VT，来控制功率开关管VT的导通、截止，达到控制脉冲占空比的目的，从而稳定直流输出电压。

由于采用变压器耦合，因此变压器的初、次级侧以相互隔离，从而使初级侧电路与次级侧
图2.3 变压器耦合并联开关电源原理图
电路的分开，做到次级侧路的不带电，使用安全。

同时由于变压器耦合，因此可以使用多组次级线圈，在次级得到多组直流输出电压。

由于变压器耦合并联开关电源输入端与输出端不共地，即所谓的冷底板供电，因此该开关电源可外接数字通信设备，从而在电子通信设备中得到广泛的使用。

使用中应注意，在并联开关电源中，对功率开关管VT的耐压要求较高，一般高于2~3倍电源供电电压。

2.1.3 正激电源开关结构
正激开关电源是一种更采用变压器耦合的降压型开关稳定电源，其电路图如图1.9所示。

加在变压器N1绕组上的电压振幅等于输入电压U I功率开关管VT导通时间T ON为开关脉冲宽度，变压器次级侧开关脉冲电压经二极管V i整流变为直流。

图2.4 正激开关电源电路
这种开关电源中功率开关管VT 导通时，变压器初级绕组励磁电流最大值为：
DT L U I N i N 1
1 （1-5） 式中，L N1表示变压器初级绕组N 1的电感量；D 表示脉冲占空比；T 表示脉冲开关周期。

正激开关源的特点是，当初级侧的功率开关管VT 导通时，电源输入侧的能量由次级侧二极管V 1经输出电感L 为负载供电；当功率开关管VT 断开时，有续流二极管V 2=继续为负载供电，并由消磁绕组N 3和消磁二极管V 3将初级绕组N 1的励磁回馈到输入端。

2.1.4 反激开关电源结构
反激开关电源结构电路如图1-10所示，当功率开关管VT 导通时，输入侧的电能以磁能的形式储存在变压器的初级线圈N 1中，由于同名端关系，次级侧二极管V 1不导通，负载没有电流流过。

当功率开关晶体管VT 断开时，变压器次级绕组以输出电压U 0为负载供电，并对变压器进行消磁。

反激开关电源电路简单，输出电压U 0即可高与输入电压U i 又可低于输入电压，一般适用在输出
图2.5 反激开关电源电路
功率为200W 以下的开关电源中。

当要求电源开关输出功率更大，如在200W~400W 围时，可采用半桥开关电源，他在一些较大负载的电路中被普遍采用。

2.1.5 半桥开关源结构
半桥开关电源结构电路及波形图如图1.11所示，两个功率开关管VT 1和VT 2在开关脉。