开关电源的设计开题报告

开关电源的设计

一、选题的理论意义与实际意义

随着科学技术的不断进步，科学成果也有很大的进展，在开关电源方面的研究也是如此。电力电子已经成为人们生活中必不可或缺的一部分，同时也是经济发展的命脉。电力电子技术的发展导致电力开关器件的性能大幅提高，开关上限频率、功耗也都有了明显的改善。同时，数字控制具有灵活性高、精度高、信号稳定等显而易见的优点而在目前开关电源的研究领域成为热点，数字控制技术在不断地进步、发展和广泛应用。由于高频开关电源具有效率高、寿命长、性能可靠等优点而倍受青睐，成为电源系统中最重要的组成部分之一。

电源开关技术的产生是由于电源电压的变换需要一种基本技术使其变换简单、成本低、容易控制等。电源为所有用电设备不可或缺的重要组成部分，提供动力，是设备的心脏。以前相控电源应用广泛，但是相控电源实现电压变换与电气隔离是靠工频变压器和相控整流器，所以存在规模大、体积重、效率低、功率因数低等种种缺点，也达不到能源要求的标准，另外，它并联运行充电设备与蓄电池导致波纹系数较大，对蓄电池的使用寿命产生影响。

伴随科学技术的飞跃发展，对电源的要求越来越高。直流电源对电子装置供给的电能质量直接对其稳定性产生影响，并且提供的电能效率直接对设备的运营成本产生影响，由此可见直流电源在电子设备中的作用和意义。数字电源市场的需求不断加强，体积小、效率高、具有良好的电磁兼容性是新型电力电子装置的要求。70年代开始，伴随着硬开关技术的发展和应用，高频软开关技术也在不断地被国内外的电源技术界研究。同一年代，最先出现了谐振变换器（Resonant converters），实际上它是负载谐振变换器，对负载的变化敏感。在20世纪80年代谐振开关技术飞速发展，开关频率有增高趋势，有效的降低了开关器件的损耗。按照不同拓扑结构以及谐振开关方式可以将谐振变换器分为负载谐振变换器、准谐振变换器和谐振直流环逆变器。其中准谐振变换器又主要分为零电流开关变换器（Zero-current-switching PWM converters）和零电压开关变换器（Zero-voltage-switching PWM converters），它们都采用PWM调制，对比与传统的硬开关变换器，只增加了一个谐振电感，而电路复杂程度和

成本没有增加的同时还降低了开关管的损耗。采用DSP控制开关电源系统的各个环节，也增加了电源的灵活性和优化电源的输出。

数字电源的出现源于市场的需求。数字器件控制的电源内部参数可以在线调整，电源的动态特性可变，能在负载在相当大的范围内变动时，保证稳定的输出性能。数字电源的智能化特有的适应性和灵活性，能监控、处理和适应系统需求的能力，能满足复杂的电源要求。以前数字电源只是导入UPS（无停电电源）装置、服务器、通信产品、太能电池和功率调节器等这一类基础设施的部分产品中。而近几年在LED照明、产业设备以及部分消费类产品中的应用也在扩展进步。它之所以如此迅速的发展的因素首先包括低价位DSP的出现。单价只有1美元左右并用于数字电源产品中的电源控制IC的出现，使得数字电源控制IC的成本降到与模拟电源控制IC相似的程度。其次，它的最佳应用对象是输出功率为50W-100W以上、频率大约为1MHZ以下的电源。通过DSP微控制器上的A/D转换器来监控输出电压和电流，电压电流的稳定性通过软件控制。

综上所述，数字电源具有高性价比、集成度高、电源管理功能完善等显著优点，是实现智能化电源系统的条件。基于DSP高频开关电源的设计可以改变传统开关电源体积重、外观庞大、灵活性差、效率低等一系列缺点，实现各个环节的监控来提高灵活性和精确性。所以对于高频开关电源设计研究具有现实意义和一定的应用价值。

二、论文综述（综述国内外有关选题的研究动态）

目前，线性电源、开关电源和相控电源是应用最广泛的直流电源，而在开关电源出现之前，线性电源应用于各种电子装置和电气控制设备中，由于直流电源与线性稳压电源相比在性能指标上具有很大的优势，逐步将线性电源取代（除一些对直流输出电压波纹高要求的场合外）。对于相控电源具有电路简单方便控制的优点，但是存在着体积大、输出滤波电感大、频率低导致控制的响应速度慢的缺点，所以相控电路只在很大功率的应用场合采用。开关电源在近年来在电力、通信等各个领域应用，并取得了一定的结果。同时开关频率和功率逐渐随着开关器件和磁性材料性能的改进而提高。电源系统的应用领域伴随电子技术的发展也在不断的扩大，电源供应稳定的电能是电子设备正常运行的基础。各式各样的电子设备种类增多，趋于小型化成本化的同时，对电源的要求也不断增多，如电源的灵活性、体积轻、效率高等。为了缩小开关变换器的体积、提高其功率、改善响应，开关频率大幅提高，高频化成为一种趋势。

但是高频化产生的问题也不可忽略。首先，开关损耗与无源元件的损耗增大；其次，对高频寄生参数的影响增大，高频电磁干扰问题严重。在单纯追求高频化的同时电磁干扰问题也在加剧。

21世纪环境保护的意识在不断增强，绿色电源的概念与此同时被提出。首先电源绿色化体现在节能方面，节能能够减少电源发电对环境的污染。污染是使得总功率因数下降的重要原因。20世纪末功率校正（Power Factor Corrector）方法的诞生为开关电源系统绿色化奠定了基础。功率因数校正（PFC）技术可以分为两种，一种是有源功率因数校正（APFC），另一种是无源功率校正（PPFC）。无源功率因数校正电路的优点有可靠性强的同时结构还简单，不需要进行控制，但缺点是体积重大且成本高，功率因数难以得到提高。有源功率因数校正技术的开关电路采用全控开关器件，校正输入电流的正弦波在不失真的情况下与输入电压相位相同，体积轻小输出电压稳定，因为拥有这一系列的优点而成为电力电子技术领域研究的热点。

在开关电源控制电路中使用DSP采用先进的控制方法和策略提高电源的各种性能指标，灵活控制。目前合理的数字信号性价比为电源的设计提供了优质的可选方案，DSP的应用不仅改变了开关电源固有的一些缺点，提高了集成化程度，而且实现了先进的智能化控制方法。模糊控制策略的良好性能在开关变换器的控制策略中被越来越多的关注。在开关电源硬件设备和频率固定的情况下，控制策略的改变直接影响输出电压，PID算法具有原理简单、控制参数选定简单且相互独立、易于实现等优点，是一种最优的控制算法，因此在开关电源控制中广泛使用。

开关电源从20世纪60年代的线性电源由于存在体积大、效率低、不易实现隔离等一系列缺点而被开关电源所取代。1964年，发表在日本NEO上的两篇文章指明了开关电源小型化的研究方向，并经过近十年的研究和开发取得较好的成果。采用脉冲控制技术实现了开关电源高频化。1973年，美国采用DC-DC转换器作为开关电源的调节器，Buck转换器首先被采用。到上世纪80年代中期，其他形式的转换器逐渐被应用于开关电源中。到目前为止，采用的DC-DC转换器已经增加到14种，可以设计出各种功率的开关电源应用于满足不同性能的不同场合。

开关电源会是稳压电源未来发展的主流趋势，它的发展趋势可表现为：（1）小型高频化。电源供电频率越大，变压器、电感和电容的体积重量越小。从工频50HZ提高到20KHZ，用电设备的体积大概下降到工频设计的5～10%。电源的大小由磁性元件和