目 录
摘要……………………………………………………………1 前言……………………………………………………………1
1开关型稳压电源概论 …………………………………… 5
1.1开关稳压电源的结构和核心 …………………………………… 5
1.2开关稳压电源的特点 ………………………………………………7
1.3 开关稳压电源的实现原理………………………………………… 9
2开关稳压电源设计 ……………………………………………… 14
2.1设计框图 ………………………………………………14
2.2开始设计 ………………………………………………15
致谢 …………………………………………………………… 24
附录 …………………………………………………………… 25
参考文献 ……………………………………………………… 26
开关型稳压电源的设计
— 一种5~15v输出的开关电源
摘 要： 本文设计的是采用半桥电路的开关稳压电源，其输入电压为交流220V±20％，输出电压为直流5～15V，最大电流40A，工作频率50kHz。重点说明了 电源的设计思想，工作原理及特点。
关键词：脉宽调制；半桥变换器；电源
前言：
在科研、生产、实验等应用场合，经常用到电压在5～15V，电流在5～40A的电源。而一般实验用电源最大电流只有5A、10A。为此可以设计一种电压5V～15V连续可调，输出电流最大40A的开关稳压电源。采用半桥电路，所选用开关器件为功率MOS管，开关工作频率为50kHz，设计目标：重量轻、体积小、成本低等。
1 开关型稳压电源概论
1.1开关稳压电源的结构和核心
图1画出了开关稳压电源的原理图及等效原理框图，它是由全波整流器，开关管V，激励信号，续流二极管Vp，储能电感和滤波电容C组成。实际上，开
关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。这里我们对直流变换器和逆变器作如下解释。
逆变器，它是把直流转变为交流的装置。逆变器通常被广泛地应用在采用电平或电池组成的备用电源中。
其中上面的部分电路是换能电路，即如下：
开关型稳压电路的换能电路作用：将输入直流电压转换成脉冲电压，再将脉冲电压经LC滤波转换成直流电压。当uB为高电平时，T饱和导通，D因承受反偏电
压而截止，等效电路如图（b）所示，电感L存储能量，电容C充电；发射极电位uE=UI-UCES≈UI。
当uB为低电平时，T截止，此时虽然发射极电流为零，但是L释放能量，其感
生电动势使D导通，等效电路如图（c）所示，与此同时C放电，负载电流方向不变，uE=-UD≈0。
占空比：在uB的一个周期T内，Ton为调整管导通时间，Toff为调整管截止时间，
占空比q=Ton/T。改变占空比q，即可改变输出电压的大小。有关这部分，会在原
理部分再作深入分析。
开关电路，开关电源的核心部分，主要由精密电压比较芯片、PWM芯片、开关管、驱动变压器、主开关变压器组成。精密电压比较芯片将直流输出部分的反馈电压与基准电压进行比较，PWM芯片根据比较结果通过驱动变压器调整开关管的占空比，进而控制主开关变压器输出给直流部分的能量，实现“稳压”输出。使用驱动变压器的目的是为了隔离高压（300V）区与低压区（最高12V），避免开关管击穿后高压电可能对低压设备造成的危害，也令PWM芯片无需接触高压信号，降低了对元件规格的要求。
脉冲变压器耦合型开关稳压电源主要的直流（高压到低压）转换方式有5种，分别是：
单端反激式——传输功率20～100W，适用于小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备中的控制电源；
单端正激式——传输功率50～200W，适用于小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备中的控制电源；
推换式——传输功率100～500W，适用于控制设备，计算机等电源；
半桥式——传输功率100～5000W，适用于焊机，超声电源，计算机电源等； 全桥式——传输功率500～30kW，适用于焊机、高频感应加热，交换机等；
其中适合作为计算机电源使用的主要为推换式与半桥式，而推换式多用于小型机、UPS等，我们常见的电源产品则基本都采用半桥式变换。近年由于半导体元件加工工艺的进步，也有少数产品采用了原本受到功率限制无法使用在个人计算机或服务器上的单端正激式变换方式。
这次设计的电源采用的就是半桥式。
1．2 开关稳压电源的特点
1．2．1开关稳压电源的优点
[1].功耗小，效率高。在图1中的开关稳压电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通—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，可以做到几百或者近1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。
[2].体积小，重量轻。从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。
[3].稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。
[4].滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的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500b倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500—1/1000。
[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，有单端式和双端式等等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合
1．2．2 开关稳压电源的缺点
开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。
目前，由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距，因而造价不能进一步降低，也影响到可靠性的进一
步提高。所以在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中，开关稳压电源还不能得到十分广泛的普及及使用。特别是对于无工频变压器开关稳压电源中的高压电解电容器、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件，在我国还处于研究、开发阶段。在一些技术先进国家，开关稳压电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在一些问题，不能十分令人满意。这暴露出开关稳压电源的又一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。对此，如果设计者和制造者不予以充分重视，则它将直接影响到开关稳压电源的推广应用。当今，开关稳压电源推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。
1．3 开关稳压电源的实现原理
1．3.1 开关稳压电源的原理
开关型稳压电源的原理可用图1.3.1的电路加以说明。它由调整管、滤波电
路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等部分构成。
图 1.3.1 开关型稳压电源原理图
三角波发生器通过比较器产生一个方波vB，去控制调整管的通断。当调整管
导通时，向电感充电。当调整管截止时，必须给电感中的电流提供一个泄放通路。续流二极管D即可起到这个作用，有利于保护调整管。根据电路图的接线，当三角波的幅度小于比较放大器的输出时，比较器输出高电平，（输出波形中电位水平高于高电平最小值的部分，对方波而言，相当方波存在的部分）。对应调整管
的导通时间为ton；反之为低电平，（输出波形中电位水平低于低电平最大值的
部分，对方波而言，相当方波不存在的部分）。对应调整管的截止时间为toff 。
为了稳定输出电压，应按电压负反馈方式引入反馈，以确定基准源和比较放大器的连线。设输出电压增加，FVO增加，比较放大器的输出VF减小，比较器方
波输出toff增加，调整管导通时间减小，输出电压下降。起到了稳压作用。
各点波形见图1.3.2。由于调整管发射极输出为方波，有滤波电感的存在，使输出电流iL为锯齿波，趋于平滑。输出则为带纹波的直流电压。 忽略电感的
直流电阻，输出电压VO即为v
E的平均分量。于是有
q称为占空比，方波高电平的时间占整个周期的百分比。在输入电压一定时，输出电压与占空比成正比，可以通过改变比较器输出方波的宽度（占空比）来控
制输出电压值。这种控制方式称为脉冲宽度调制（PWM）。
图1.3.2开关电源波形图
由以上分析可以得出如下结论：
1． 调整管工作在开关状态，功耗大大降低，电源效率大为提高；
2． 调整管在开关状态下工作，为得到直流输出，必须在输出端加滤波器； 3． 可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值；
4． 在许多场合可以省去电源变压器；
5． 由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体积可大大减
由这些原理及分析出来的特点，可以预见可以设计出一种高效率的电源。
1.3.2 开关稳压电源的一般工作过程
简单的说，电源的作用是把交流电网的电能转换为低压直流电，来驱动我们的设备。 主要的转换过程为：
高压市频交流-（整流、滤波）>高压直流-（调制）>高压高频交流-（变压）>低压高频交流-（整流、滤波）>低压直流
1、220交流电进入电源，首先经过扼流线圈和电容，滤除高频杂波和同相干扰信号。这些扼流线圈和电容就组成了一级EMI滤波电路。
一级EMI滤波电路
2、通过一级EMI电路后，再由电感线圈和电容组成的二级EMI电路进一步滤除
高频杂波。
二级EMI滤波电路
3、这一步主要是将高压交流电转化为高压直接电，由全桥电路整流和大容量的滤波电容滤波来完成。
高压滤波电容
4、把直流电转化为高频率的脉动直流电，这一步由开关电路来完成。开关电路由两个开关管组成，通过它们的轮流导通和截止来达到转换目的。
5、把得到的脉动直流电，送到高频开关变压器进行降压。再由二极管和滤波电容组成的低压滤波电路进行整流和滤波就得到了电脑上使用的纯静的低压直流
电。
低压滤波电容
在对以上原理进行了解的研究后，对于设计开关稳压电源显然有了一定的基础，以下就是一种开关电源的设计。
2 开关稳压电源设计
2．1设计步骤框图
↓
↓
↓
↓
↓
↓ ↓
↓
↓
↓
2．2开始设计
2．2．1主要技术指标
1）交流输入电压AC220V±20％；
2）直流输出电压5～15V可调；
3）输出电流0～40A ；
4）输出电压调整率≤1％；
5）纹波电压Up p≤50mV；
2．2．2黑箱预先估算
输出最大功率：15×40=600W
输入功率：Pout/效率=600W/0.80=750W
功率开关损耗：（750W-600W）×0.4=60W
续流二极管损耗：（750W——600W）×0.6=90W
输入平均电流
低电压输入：750W/（220×0.8）=4.2A
高电压输入：750W/（220×1.2）=2.8A
220V输入时：750/220=3.4A
估计峰值电流：1.4×40A=56A
要求的工作频率：50khz
2．2．3基本工作原理及原理框图
该电源的原理框图如图2.1所示。
220V交流电压经过EMI滤波及整流滤波后，得到约300V的直流电压加到半 桥变换器上，用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率MOS管，通过功率变压器的耦合和隔离作用在次级得到准方波电压，经整流滤波反馈控制后可得到 稳定的直流输出电压。
图2.1
2．2．4 EMI滤波及整流滤波电路
交流EMI滤波及整流滤波电路如图2.2所示。
图2.2交流EMI滤波及输入整流滤波电路
电子设备的电源线是电磁干扰（EMI）出入电子设备的一个重要途径，在设备
电源线入口处安装电网滤波器可以有效地切断这条电磁干扰传播途径，本电源滤波器由带有IEC插头电网滤波器和PCB电源滤波器组成。IEC插头电网滤波器主要是阻止来自电网的干扰进入电源机箱。PCB电源滤波器主要是抑制功率开关转换时产生的高频噪声。 交流输入220V时，整流采用桥式整流电路。如果将JTI跳线短连时，则适用于110V交流输入电压。由于输入电压高，电容器容量大，因此在接通电网瞬间会产生很大的浪涌冲击电流，一般浪涌电流值为稳态电流的数十倍。这可能造成整流桥和输入保险丝的损坏，也可能造成高频变压器磁芯饱和损坏功率器件，造成高压电解电容使用寿命降低等。所以在整流桥前加入由电阻R1和继电器K1组成的输入软启动电路。
2．2．5 半桥式功率开关变换器
电源采用半桥式变换电路，如图2.6所示，其工作频率50kHz，在初级一侧的主要部分是Q4和Q5功率管及C34和C35电容器。Q4和Q5交替导通、截止，在高频变压器初级绕组N1两端产生一幅值为U1/2的正负方波脉冲电压。能量通过变压器传递到输出端，Q4和Q5采用IRFP460功率MOS管。
2．2．6 驱动电路
驱动电路如图2.3所示。TL494输出50kHz的脉冲信号，通过高频脉冲变压器耦合去驱动功率MOS管。次级脉冲电压为正时，MOS管导通，在此期间Q7截止，由其构成的泄放电路不工作。当次级脉冲电压为零时，则Q7导通，快速泄放MOS管栅级电荷，加速MOS管截止。R70是用于抑制驱动脉冲的尖峰，R68、D15、R67可以加速驱动并防止驱动脉冲产生振荡。D17和与它相连的脉冲变压器绕组共同构成去磁电路。
图2.3驱动电路原理
2．2．7功率变压器的设计
1）工作频率的设定
工作频率对电源的体积、重量及电路特性影响很大。工作频率高，输出滤波电感和电容体积减小，但开关损耗增高，热量增大，散热器体积加大。因此根据元器件及性价比等因素，将电源工作频率进行优化设计，本例为fs=50kHz。 T=1/fs=1/50kHz=20μs 2）磁芯选用
①选取磁芯材料和磁芯结构
选用R2KB铁氧体材料制成的EE型铁氧体磁芯。其具有品种多，引线空间大，接线操作方便，价格便宜等优点。 ②确定工作磁感应强度Bm
R2KB软磁铁氧体材料的饱和磁感应强度Bs=0.47T，考虑到高温时Bs会下降，同时为防止合闸瞬间高频变压器饱和，选定Bm=1/3Bs=0.15T。
③计算并确定磁芯型号
磁芯的几何截面积S和磁芯的窗口面积Q与输出功率Po存在一定的函数关系。对于半桥变换器，当脉冲波形近似为方波时为SQ=（1）
式中：η——效率；
j——电流密度，一般取300～500A/cm2； Kc——磁芯的填充系数，对于铁氧体Kc=1；
Ku——铜的填充系数，Ku与导线线径及绕制的工艺及绕组数量等有关，一般为0.1～0.5左右。
各参数的单位是：Po—W，S—cm2，Q—cm2，Bm—T，fs—Hz，j—A/cm2。 取Po=640W，Ku=0.3,j=300A/cm2,η=0.8,Bm=0.15T,代入式（1）得SQ===4.558cm4 由厂家手册知，EE55磁芯的S=3.54cm2,Q=3.1042cm2,则SQ=10.9cm4，EE55磁芯的SQ值大于计算值，选定该磁芯。 3)计算原副边绕组匝数
按输入电压最低及输出满载的情况（此时占空比最大）来计算原副边绕组匝数，已知Umin=176V经整流滤波后直流输入电压Udmin=1.2×176=211.2V。对于半桥电路、功率变压器初级绕组上施加的电压等于输入电压的一半,即Upmin=Udmin/2=105.6V，设最大占定比Dmax=0.9，则tonmax=×T×Dmax=×20×0.9=9.0μs
Upmin×tonmax×104=105.6×9.0×10－6×104代入公式N1===8.9匝
次级匝数计算时取输出电压最大值Uomax=16V。次级电路采用全波整流，Us为次级绕组上的感应电压，Uo为输出电压，Uf为整流二极管压降，取1V。Uz为滤波电感等线路压降，取0.3V，则Us===19.22VN2=×N1=×8.9=1.8匝
为了便于变压器绕制，次级绕组取为2匝，则初级绕组校正为：N1=×N2=10匝
4）选定导线线径
在选用绕组的导线线径时，要考虑导线的集肤效应，一般要求导线线径小于两倍穿透深度，而穿透深度Δ由式（2）决定Δ=（2） 式中：ω为角频率，ω=2πfs；
μ为导线的磁导率，对于铜线相对磁导率μr=1，则μ=μ0×μr=4π×10－7H/m；
γ为铜的电导率，γ=58×10－6Ωm； 穿透深度Δ的单位为m。
变压器工作频率50kHz，在此频率下铜导线的穿透深度为Δ=0.2956mm，因此绕组线径必须是直径小于0.59mm的铜线。另外考虑到铜线电流密度一般取3～6A/mm2，故这里选用 0.56mm的漆包线8股并联绕制初级共10匝，次级选用厚0.15mm扁铜带绕制2匝。
2．2．8 PWM控制电路（控制器）
控制电路采用通用脉宽调制器TL494，具有通用性和成本低等优点，见图2.6。输出电压经R40、RV2、RV1、R41进行分压采样，经R5阻抗匹配后送到TL494脚1。RV1装在电源前面板上用于实现输出电压的调节。R103和C14将输出电感
L1前信号采样，经R5送到TL494脚1，用于提高电源稳定度，消除L1对环路稳定性影响。
2．2．9辅助电源的设计
辅助电源原理见图2.4。其输入电压为交流220V整流滤波电压，输出直流电压为12.5V，输出直流电流为0.5A，供给电源内部的PWM等芯片工作。变压器采用EE19、LP3材质构成。初级180匝，反馈绕组5.5匝，次级11匝，初级电感量是2.6mH，
图2.4辅助电源原理图
2．2．10 风扇风速控制电路
风扇风速控制电路见图2.5。利用二极管正向管压降随温度升高而呈下降趋势的特性，将D9、D10做为散热器温度采样器件。方法是将D9、D10两二极管紧靠在散热器上，当散热器随输出功率加大而温度升高时，运放N2A正相输入端电平降低，输出低电平使三极管Q3开始导通，风机上电压升高，转速升高，最终到达最高转速。当负载较轻，使散热器温度低于50℃ 时，N2A输出高电平，Q3不导通，辅助电源12.5V经电阻R57降压给风机供电，风机处于低速、低噪声运行状态。此电路可以提高风机工作寿命，增加电路可靠性，亦可在小负载情况下，减少风机带来的噪声。
图2.5风扇风速控制电路
2．2．11过流保护电路设计
为增强电源可靠性，此电源采用初、次级两级过流保护。初级采用电流互感器CT1检测初级变压器电流，检测出的电流信号经R60转为电压信号后，再经D2～D4，C9整流滤波后，经过电位器RV3分压，反相器N3反相后加在Q1管基极。当初级电流超过正常时，反相器反转，Q1管导通，将VREF=5V的高电平加在TL494脚4上（脚4为TL494死区控制脚、高电平关断），TL494关断。
输出直流总线上过流保护，采用R45～R56电阻做为采样电阻，当输出电流增加时脚15电平变低，当输出电流大于40A的105％时，TL494的内部运放动作，脚3电平升高，限制输出脉宽增加，电源处于限流状态。
2．2．12 设计原理图
图2.6开关电源原理图
2．2．13优化设计
这一步其实在理论上很难真正修正，需待实物电路做出来，再用一些仪器如：
示波器，EMI（电磁干扰）测定器等进行检测，再根据具体情况改动一些元件的参数，一般都可达到优化结果。
总结
设计应着眼于实用，本设计是以这一根本思想为基础进行的。我们到实验室
做实验时，通常都会碰到要用5V等的直流电源，如一些抽样模块，量化模块，编码模块等。理论上，本文设计的电源可以作为这种电源用。在实际上，当然还有很多要解决的问题。 如效率如何，纹波如何，成本如何等，需待实物制造出来再来考虑。
致 谢
我衷心感谢学校三年来对我的栽培，在这里，我有自由的学习天地，有丰富的学习资源，有良好的学习环境，有敬爱的学习导师，让我可以很好地学习科学知识，是以才有可能完成这次毕业设计论文。感谢学校给予的机会，让我可以检验自己的学习成果。
通过这次设计，使我更深刻体会到知识的重要性，少一点基础都会令你步步维艰，平时学习的扎实与否直接影响到你设计的速度和效率，及至能否成功设计出来。设计期间，我遇到很多难题，这倒不是我的基础知识不扎实，而是因为有很多从未接触过但凭我们的能力查相关资料就可应用的知识出现，这个设计乃是从实用角度考虑的，我从中得体会到应用时会需要更多甚至日新月异的知识，这可以说为我就要投身社会在心理上上了好好的一课。这些难题，我查过许多的资料，也问过指导老师。在此，衷心地感谢导师的指导，这些指导令我可以少走很多弯路。
通过这次设计，使我学到了许多有关电路的知识，使我认识到前人那些科学家的伟大，我想，每一个用他们钻研出来的成果的设计者都应感谢他们，没有他们，便没有今天所有的设计。
最后，衷心的感谢所有我的任课老师和所有的老师，没有他们的教导，也没有可能有这次发挥的机会，无法设计任何东西。
谢谢
附录
1. TL494开关电源控制电路
TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合要求。其主要特性如下： 集成了全部的脉宽调制电路。
片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件两个（一个电阻和一个电容）。 内置误差放大器。 内止5V参考基准电压源。 可调整死区时间。
内置功率晶体管可提供500MV驱动能力。
推或拉两种输出方式。
2磁芯参数
C1 Ae (mm-1) (mm2)
EE55/28/21 0.348 354 EE55/28/25 0.292 420 Core Type
le
(mm) 123 124
Ve (mm3) 43700 52100 C
weightAL(nH/N2 Pc(W) (g/pr.)±25%) (max) 221 7100 4.3 256 7200 5.2 D
E
F
Core Type A EE55/28/21 55.00EE55/28/25 55.00
B
+1.2
27.5±.3 20.7±0.317.2-0.537.5min 18.8 ±0.3-0.9
+1.2
27.5±0.3 24.7±0.317.2-0.537.5min 18.8 ±0.3-0.9
参 考 文 献
［1］张龙兴，《电子技术基础 》 高等教育出版社
［2］王水平，开关稳压电源——原理、 设计及实用电路(修订版) . 西安电子科技大学出
版社 出版日期：2005-10
［3］开关稳压电源设计指南（英）布朗（Brawn.M)徐德鸿等译. 机械工业出版社. 2004-5-1 ［4］ 广州民航职业技术学院通讯工程系文章. 开关稳压电源的归纳.（网上）
［5］ 薛红兵 ，半桥式开关稳压电源电路设计，2003年08月15日（网上） ［6］张占松，蔡宣三编著.开关电源的原理与设计.北京：电子工业出版社，1999. ［7］朱嘉琪.采用STR-S6300系列集成电路的大屏幕彩电稳压电源.电视技术.1997.
［8］王英剑，常敏慧，何希才编著.新型开关电源实用技术.北京：电子工业出版社，1999．
［9］叶治政,叶靖国.开关稳压 电源[M].北京：高等教育 出版社.1998. ［10］何希才.新型开关电源及 其应用[M].北京：人民邮 电出版社.1996.
目 录
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1开关型稳压电源概论 …………………………………… 5
1.1开关稳压电源的结构和核心 …………………………………… 5
1.2开关稳压电源的特点 ………………………………………………7
1.3 开关稳压电源的实现原理………………………………………… 9
2开关稳压电源设计 ……………………………………………… 14
2.1设计框图 ………………………………………………14
2.2开始设计 ………………………………………………15
致谢 …………………………………………………………… 24
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开关型稳压电源的设计
— 一种5~15v输出的开关电源
摘 要： 本文设计的是采用半桥电路的开关稳压电源，其输入电压为交流220V±20％，输出电压为直流5～15V，最大电流40A，工作频率50kHz。重点说明了 电源的设计思想，工作原理及特点。
关键词：脉宽调制；半桥变换器；电源
前言：
在科研、生产、实验等应用场合，经常用到电压在5～15V，电流在5～40A的电源。而一般实验用电源最大电流只有5A、10A。为此可以设计一种电压5V～15V连续可调，输出电流最大40A的开关稳压电源。采用半桥电路，所选用开关器件为功率MOS管，开关工作频率为50kHz，设计目标：重量轻、体积小、成本低等。
1 开关型稳压电源概论
1.1开关稳压电源的结构和核心
图1画出了开关稳压电源的原理图及等效原理框图，它是由全波整流器，开关管V，激励信号，续流二极管Vp，储能电感和滤波电容C组成。实际上，开
关稳压电源的核心部分是一个直流变压器。这里我们对直流变换器和逆变器作如下解释。
逆变器，它是把直流转变为交流的装置。逆变器通常被广泛地应用在采用电平或电池组成的备用电源中。
其中上面的部分电路是换能电路，即如下：
开关型稳压电路的换能电路作用：将输入直流电压转换成脉冲电压，再将脉冲电压经LC滤波转换成直流电压。当uB为高电平时，T饱和导通，D因承受反偏电
压而截止，等效电路如图（b）所示，电感L存储能量，电容C充电；发射极电位uE=UI-UCES≈UI。
当uB为低电平时，T截止，此时虽然发射极电流为零，但是L释放能量，其感
生电动势使D导通，等效电路如图（c）所示，与此同时C放电，负载电流方向不变，uE=-UD≈0。
占空比：在uB的一个周期T内，Ton为调整管导通时间，Toff为调整管截止时间，
占空比q=Ton/T。改变占空比q，即可改变输出电压的大小。有关这部分，会在原
理部分再作深入分析。
开关电路，开关电源的核心部分，主要由精密电压比较芯片、PWM芯片、开关管、驱动变压器、主开关变压器组成。精密电压比较芯片将直流输出部分的反馈电压与基准电压进行比较，PWM芯片根据比较结果通过驱动变压器调整开关管的占空比，进而控制主开关变压器输出给直流部分的能量，实现“稳压”输出。使用驱动变压器的目的是为了隔离高压（300V）区与低压区（最高12V），避免开关管击穿后高压电可能对低压设备造成的危害，也令PWM芯片无需接触高压信号，降低了对元件规格的要求。
脉冲变压器耦合型开关稳压电源主要的直流（高压到低压）转换方式有5种，分别是：
单端反激式——传输功率20～100W，适用于小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备中的控制电源；
单端正激式——传输功率50～200W，适用于小型仪器、仪表，家用电器等电源，自动化设备中的控制电源；
推换式——传输功率100～500W，适用于控制设备，计算机等电源；
半桥式——传输功率100～5000W，适用于焊机，超声电源，计算机电源等； 全桥式——传输功率500～30kW，适用于焊机、高频感应加热，交换机等；
其中适合作为计算机电源使用的主要为推换式与半桥式，而推换式多用于小型机、UPS等，我们常见的电源产品则基本都采用半桥式变换。近年由于半导体元件加工工艺的进步，也有少数产品采用了原本受到功率限制无法使用在个人计算机或服务器上的单端正激式变换方式。
这次设计的电源采用的就是半桥式。
1．2 开关稳压电源的特点
1．2．1开关稳压电源的优点
[1].功耗小，效率高。在图1中的开关稳压电源电路中，晶体管V在激励信号的激励下，它交替地工作在导通—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，可以做到几百或者近1000kHz。这使得开关晶体管V的功耗很小，电源的效率可以大幅度地提高，其效率可达到80%。
[2].体积小，重量轻。从开关稳压电源的原理框图可以清楚地看到这里没有采用笨重的工频变压器。由于调整管V上的耗散功率大幅度降低后，又省去了较大的散热片。由于这两方面原因，所以开关稳压电源的体积小，重量轻。
[3].稳压范围宽。从开关稳压电源的输出电压是由激励信号的占空比来调节的，输入信号电压的变化可以通过调频或调宽来进行补偿，这样，在工频电网电压变化较大时，它仍能够保证有较稳定的输出电压。所以开关电源的稳压范围很宽，稳压效果很好。此外，改变占空比的方法有脉宽调制型和频率调制型两种。这样，开关稳压电源不仅具有稳压范围宽的优点，而且实现稳压的方法也较多，设计人员可以根据实际应用的要求，灵活地选用各种类型的开关稳压电源。
[4].滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减少。开关稳压电源的工作频率目前基本上是工作在50kHz，是线性稳压电源的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500b倍。在相同的纹波输出电压下，采用开关稳压电源时，滤波电容的容量只是线性稳压电源中滤波电容的1/500—1/1000。
[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，有单端式和双端式等等，设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同应用场合
1．2．2 开关稳压电源的缺点
开关稳压电源的缺点是存在较为严重的开关干扰。开关稳压电源中，功率调整开关晶体管V工作在状态，它产生的交流电压和电流通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重地影响整机的正常工作。此外由于开关稳压电源振荡器没有工频变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网，使附近的其他电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。
目前，由于国内微电子技术、阻容器件生产技术以及磁性材料技术与一些技术先进国家还有一定的差距，因而造价不能进一步降低，也影响到可靠性的进一
步提高。所以在我国的电子仪器以及机电一体化仪器中，开关稳压电源还不能得到十分广泛的普及及使用。特别是对于无工频变压器开关稳压电源中的高压电解电容器、高反压大功率开关管、开关变压器的磁芯材料等器件，在我国还处于研究、开发阶段。在一些技术先进国家，开关稳压电源虽然有了一定的发展，但在实际应用中也还存在一些问题，不能十分令人满意。这暴露出开关稳压电源的又一个缺点，那就是电路结构复杂，故障率高，维修麻烦。对此，如果设计者和制造者不予以充分重视，则它将直接影响到开关稳压电源的推广应用。当今，开关稳压电源推广应用比较困难的主要原因就是它的制作技术难度大、维修麻烦和造价成本较高。
1．3 开关稳压电源的实现原理
1．3.1 开关稳压电源的原理
开关型稳压电源的原理可用图1.3.1的电路加以说明。它由调整管、滤波电
路、比较器、三角波发生器、比较放大器和基准源等部分构成。
图 1.3.1 开关型稳压电源原理图
三角波发生器通过比较器产生一个方波vB，去控制调整管的通断。当调整管
导通时，向电感充电。当调整管截止时，必须给电感中的电流提供一个泄放通路。续流二极管D即可起到这个作用，有利于保护调整管。根据电路图的接线，当三角波的幅度小于比较放大器的输出时，比较器输出高电平，（输出波形中电位水平高于高电平最小值的部分，对方波而言，相当方波存在的部分）。对应调整管
的导通时间为ton；反之为低电平，（输出波形中电位水平低于低电平最大值的
部分，对方波而言，相当方波不存在的部分）。对应调整管的截止时间为toff 。
为了稳定输出电压，应按电压负反馈方式引入反馈，以确定基准源和比较放大器的连线。设输出电压增加，FVO增加，比较放大器的输出VF减小，比较器方
波输出toff增加，调整管导通时间减小，输出电压下降。起到了稳压作用。
各点波形见图1.3.2。由于调整管发射极输出为方波，有滤波电感的存在，使输出电流iL为锯齿波，趋于平滑。输出则为带纹波的直流电压。 忽略电感的
直流电阻，输出电压VO即为v
E的平均分量。于是有
q称为占空比，方波高电平的时间占整个周期的百分比。在输入电压一定时，输出电压与占空比成正比，可以通过改变比较器输出方波的宽度（占空比）来控
制输出电压值。这种控制方式称为脉冲宽度调制（PWM）。
图1.3.2开关电源波形图
由以上分析可以得出如下结论：
1． 调整管工作在开关状态，功耗大大降低，电源效率大为提高；
2． 调整管在开关状态下工作，为得到直流输出，必须在输出端加滤波器； 3． 可通过脉冲宽度的控制方便地改变输出电压值；
4． 在许多场合可以省去电源变压器；
5． 由于开关频率较高，滤波电容和滤波电感的体积可大大减
由这些原理及分析出来的特点，可以预见可以设计出一种高效率的电源。
1.3.2 开关稳压电源的一般工作过程
简单的说，电源的作用是把交流电网的电能转换为低压直流电，来驱动我们的设备。 主要的转换过程为：
高压市频交流-（整流、滤波）>高压直流-（调制）>高压高频交流-（变压）>低压高频交流-（整流、滤波）>低压直流
1、220交流电进入电源，首先经过扼流线圈和电容，滤除高频杂波和同相干扰信号。这些扼流线圈和电容就组成了一级EMI滤波电路。
一级EMI滤波电路
2、通过一级EMI电路后，再由电感线圈和电容组成的二级EMI电路进一步滤除
高频杂波。
二级EMI滤波电路
3、这一步主要是将高压交流电转化为高压直接电，由全桥电路整流和大容量的滤波电容滤波来完成。
高压滤波电容
4、把直流电转化为高频率的脉动直流电，这一步由开关电路来完成。开关电路由两个开关管组成，通过它们的轮流导通和截止来达到转换目的。
5、把得到的脉动直流电，送到高频开关变压器进行降压。再由二极管和滤波电容组成的低压滤波电路进行整流和滤波就得到了电脑上使用的纯静的低压直流
电。
低压滤波电容
在对以上原理进行了解的研究后，对于设计开关稳压电源显然有了一定的基础，以下就是一种开关电源的设计。
2 开关稳压电源设计
2．1设计步骤框图
↓
↓
↓
↓
↓
↓ ↓
↓
↓
↓
2．2开始设计
2．2．1主要技术指标
1）交流输入电压AC220V±20％；
2）直流输出电压5～15V可调；
3）输出电流0～40A ；
4）输出电压调整率≤1％；
5）纹波电压Up p≤50mV；
2．2．2黑箱预先估算
输出最大功率：15×40=600W
输入功率：Pout/效率=600W/0.80=750W
功率开关损耗：（750W-600W）×0.4=60W
续流二极管损耗：（750W——600W）×0.6=90W
输入平均电流
低电压输入：750W/（220×0.8）=4.2A
高电压输入：750W/（220×1.2）=2.8A
220V输入时：750/220=3.4A
估计峰值电流：1.4×40A=56A
要求的工作频率：50khz
2．2．3基本工作原理及原理框图
该电源的原理框图如图2.1所示。
220V交流电压经过EMI滤波及整流滤波后，得到约300V的直流电压加到半 桥变换器上，用脉宽调制电路产生的双列脉冲信号去驱动功率MOS管，通过功率变压器的耦合和隔离作用在次级得到准方波电压，经整流滤波反馈控制后可得到 稳定的直流输出电压。
图2.1
2．2．4 EMI滤波及整流滤波电路
交流EMI滤波及整流滤波电路如图2.2所示。
图2.2交流EMI滤波及输入整流滤波电路
电子设备的电源线是电磁干扰（EMI）出入电子设备的一个重要途径，在设备
电源线入口处安装电网滤波器可以有效地切断这条电磁干扰传播途径，本电源滤波器由带有IEC插头电网滤波器和PCB电源滤波器组成。IEC插头电网滤波器主要是阻止来自电网的干扰进入电源机箱。PCB电源滤波器主要是抑制功率开关转换时产生的高频噪声。 交流输入220V时，整流采用桥式整流电路。如果将JTI跳线短连时，则适用于110V交流输入电压。由于输入电压高，电容器容量大，因此在接通电网瞬间会产生很大的浪涌冲击电流，一般浪涌电流值为稳态电流的数十倍。这可能造成整流桥和输入保险丝的损坏，也可能造成高频变压器磁芯饱和损坏功率器件，造成高压电解电容使用寿命降低等。所以在整流桥前加入由电阻R1和继电器K1组成的输入软启动电路。
2．2．5 半桥式功率开关变换器
电源采用半桥式变换电路，如图2.6所示，其工作频率50kHz，在初级一侧的主要部分是Q4和Q5功率管及C34和C35电容器。Q4和Q5交替导通、截止，在高频变压器初级绕组N1两端产生一幅值为U1/2的正负方波脉冲电压。能量通过变压器传递到输出端，Q4和Q5采用IRFP460功率MOS管。
2．2．6 驱动电路
驱动电路如图2.3所示。TL494输出50kHz的脉冲信号，通过高频脉冲变压器耦合去驱动功率MOS管。次级脉冲电压为正时，MOS管导通，在此期间Q7截止，由其构成的泄放电路不工作。当次级脉冲电压为零时，则Q7导通，快速泄放MOS管栅级电荷，加速MOS管截止。R70是用于抑制驱动脉冲的尖峰，R68、D15、R67可以加速驱动并防止驱动脉冲产生振荡。D17和与它相连的脉冲变压器绕组共同构成去磁电路。
图2.3驱动电路原理
2．2．7功率变压器的设计
1）工作频率的设定
工作频率对电源的体积、重量及电路特性影响很大。工作频率高，输出滤波电感和电容体积减小，但开关损耗增高，热量增大，散热器体积加大。因此根据元器件及性价比等因素，将电源工作频率进行优化设计，本例为fs=50kHz。 T=1/fs=1/50kHz=20μs 2）磁芯选用
①选取磁芯材料和磁芯结构
选用R2KB铁氧体材料制成的EE型铁氧体磁芯。其具有品种多，引线空间大，接线操作方便，价格便宜等优点。 ②确定工作磁感应强度Bm
R2KB软磁铁氧体材料的饱和磁感应强度Bs=0.47T，考虑到高温时Bs会下降，同时为防止合闸瞬间高频变压器饱和，选定Bm=1/3Bs=0.15T。
③计算并确定磁芯型号
磁芯的几何截面积S和磁芯的窗口面积Q与输出功率Po存在一定的函数关系。对于半桥变换器，当脉冲波形近似为方波时为SQ=（1）
式中：η——效率；
j——电流密度，一般取300～500A/cm2； Kc——磁芯的填充系数，对于铁氧体Kc=1；
Ku——铜的填充系数，Ku与导线线径及绕制的工艺及绕组数量等有关，一般为0.1～0.5左右。
各参数的单位是：Po—W，S—cm2，Q—cm2，Bm—T，fs—Hz，j—A/cm2。 取Po=640W，Ku=0.3,j=300A/cm2,η=0.8,Bm=0.15T,代入式（1）得SQ===4.558cm4 由厂家手册知，EE55磁芯的S=3.54cm2,Q=3.1042cm2,则SQ=10.9cm4，EE55磁芯的SQ值大于计算值，选定该磁芯。 3)计算原副边绕组匝数
按输入电压最低及输出满载的情况（此时占空比最大）来计算原副边绕组匝数，已知Umin=176V经整流滤波后直流输入电压Udmin=1.2×176=211.2V。对于半桥电路、功率变压器初级绕组上施加的电压等于输入电压的一半,即Upmin=Udmin/2=105.6V，设最大占定比Dmax=0.9，则tonmax=×T×Dmax=×20×0.9=9.0μs
Upmin×tonmax×104=105.6×9.0×10－6×104代入公式N1===8.9匝
次级匝数计算时取输出电压最大值Uomax=16V。次级电路采用全波整流，Us为次级绕组上的感应电压，Uo为输出电压，Uf为整流二极管压降，取1V。Uz为滤波电感等线路压降，取0.3V，则Us===19.22VN2=×N1=×8.9=1.8匝
为了便于变压器绕制，次级绕组取为2匝，则初级绕组校正为：N1=×N2=10匝
4）选定导线线径
在选用绕组的导线线径时，要考虑导线的集肤效应，一般要求导线线径小于两倍穿透深度，而穿透深度Δ由式（2）决定Δ=（2） 式中：ω为角频率，ω=2πfs；
μ为导线的磁导率，对于铜线相对磁导率μr=1，则μ=μ0×μr=4π×10－7H/m；
γ为铜的电导率，γ=58×10－6Ωm； 穿透深度Δ的单位为m。
变压器工作频率50kHz，在此频率下铜导线的穿透深度为Δ=0.2956mm，因此绕组线径必须是直径小于0.59mm的铜线。另外考虑到铜线电流密度一般取3～6A/mm2，故这里选用 0.56mm的漆包线8股并联绕制初级共10匝，次级选用厚0.15mm扁铜带绕制2匝。
2．2．8 PWM控制电路（控制器）
控制电路采用通用脉宽调制器TL494，具有通用性和成本低等优点，见图2.6。输出电压经R40、RV2、RV1、R41进行分压采样，经R5阻抗匹配后送到TL494脚1。RV1装在电源前面板上用于实现输出电压的调节。R103和C14将输出电感
L1前信号采样，经R5送到TL494脚1，用于提高电源稳定度，消除L1对环路稳定性影响。
2．2．9辅助电源的设计
辅助电源原理见图2.4。其输入电压为交流220V整流滤波电压，输出直流电压为12.5V，输出直流电流为0.5A，供给电源内部的PWM等芯片工作。变压器采用EE19、LP3材质构成。初级180匝，反馈绕组5.5匝，次级11匝，初级电感量是2.6mH，
图2.4辅助电源原理图
2．2．10 风扇风速控制电路
风扇风速控制电路见图2.5。利用二极管正向管压降随温度升高而呈下降趋势的特性，将D9、D10做为散热器温度采样器件。方法是将D9、D10两二极管紧靠在散热器上，当散热器随输出功率加大而温度升高时，运放N2A正相输入端电平降低，输出低电平使三极管Q3开始导通，风机上电压升高，转速升高，最终到达最高转速。当负载较轻，使散热器温度低于50℃ 时，N2A输出高电平，Q3不导通，辅助电源12.5V经电阻R57降压给风机供电，风机处于低速、低噪声运行状态。此电路可以提高风机工作寿命，增加电路可靠性，亦可在小负载情况下，减少风机带来的噪声。
图2.5风扇风速控制电路
2．2．11过流保护电路设计
为增强电源可靠性，此电源采用初、次级两级过流保护。初级采用电流互感器CT1检测初级变压器电流，检测出的电流信号经R60转为电压信号后，再经D2～D4，C9整流滤波后，经过电位器RV3分压，反相器N3反相后加在Q1管基极。当初级电流超过正常时，反相器反转，Q1管导通，将VREF=5V的高电平加在TL494脚4上（脚4为TL494死区控制脚、高电平关断），TL494关断。
输出直流总线上过流保护，采用R45～R56电阻做为采样电阻，当输出电流增加时脚15电平变低，当输出电流大于40A的105％时，TL494的内部运放动作，脚3电平升高，限制输出脉宽增加，电源处于限流状态。
2．2．12 设计原理图
图2.6开关电源原理图
2．2．13优化设计
这一步其实在理论上很难真正修正，需待实物电路做出来，再用一些仪器如：
示波器，EMI（电磁干扰）测定器等进行检测，再根据具体情况改动一些元件的参数，一般都可达到优化结果。
总结
设计应着眼于实用，本设计是以这一根本思想为基础进行的。我们到实验室
做实验时，通常都会碰到要用5V等的直流电源，如一些抽样模块，量化模块，编码模块等。理论上，本文设计的电源可以作为这种电源用。在实际上，当然还有很多要解决的问题。 如效率如何，纹波如何，成本如何等，需待实物制造出来再来考虑。
致 谢
我衷心感谢学校三年来对我的栽培，在这里，我有自由的学习天地，有丰富的学习资源，有良好的学习环境，有敬爱的学习导师，让我可以很好地学习科学知识，是以才有可能完成这次毕业设计论文。感谢学校给予的机会，让我可以检验自己的学习成果。
通过这次设计，使我更深刻体会到知识的重要性，少一点基础都会令你步步维艰，平时学习的扎实与否直接影响到你设计的速度和效率，及至能否成功设计出来。设计期间，我遇到很多难题，这倒不是我的基础知识不扎实，而是因为有很多从未接触过但凭我们的能力查相关资料就可应用的知识出现，这个设计乃是从实用角度考虑的，我从中得体会到应用时会需要更多甚至日新月异的知识，这可以说为我就要投身社会在心理上上了好好的一课。这些难题，我查过许多的资料，也问过指导老师。在此，衷心地感谢导师的指导，这些指导令我可以少走很多弯路。
通过这次设计，使我学到了许多有关电路的知识，使我认识到前人那些科学家的伟大，我想，每一个用他们钻研出来的成果的设计者都应感谢他们，没有他们，便没有今天所有的设计。
最后，衷心的感谢所有我的任课老师和所有的老师，没有他们的教导，也没有可能有这次发挥的机会，无法设计任何东西。
谢谢
附录
1. TL494开关电源控制电路
TL494是一种固定频率脉宽调制电路，它包含了开关电源控制的全部功能，广泛应用于单端正激双管式、半桥式、全桥式开关电源。TL494有SO-16和PDIP-16两种封装形式，以适应不同场合要求。其主要特性如下： 集成了全部的脉宽调制电路。
片内置线性锯齿波振荡器，外置振荡元件两个（一个电阻和一个电容）。 内置误差放大器。 内止5V参考基准电压源。 可调整死区时间。
内置功率晶体管可提供500MV驱动能力。
推或拉两种输出方式。
2磁芯参数
C1 Ae (mm-1) (mm2)
EE55/28/21 0.348 354 EE55/28/25 0.292 420 Core Type
le
(mm) 123 124
Ve (mm3) 43700 52100 C
weightAL(nH/N2 Pc(W) (g/pr.)±25%) (max) 221 7100 4.3 256 7200 5.2 D
E
F
Core Type A EE55/28/21 55.00EE55/28/25 55.00
B
+1.2
27.5±.3 20.7±0.317.2-0.537.5min 18.8 ±0.3-0.9
+1.2
27.5±0.3 24.7±0.317.2-0.537.5min 18.8 ±0.3-0.9
参 考 文 献
［1］张龙兴，《电子技术基础 》 高等教育出版社
［2］王水平，开关稳压电源——原理、 设计及实用电路(修订版) . 西安电子科技大学出
版社 出版日期：2005-10
［3］开关稳压电源设计指南（英）布朗（Brawn.M)徐德鸿等译. 机械工业出版社. 2004-5-1 ［4］ 广州民航职业技术学院通讯工程系文章. 开关稳压电源的归纳.（网上）
［5］ 薛红兵 ，半桥式开关稳压电源电路设计，2003年08月15日（网上） ［6］张占松，蔡宣三编著.开关电源的原理与设计.北京：电子工业出版社，1999. ［7］朱嘉琪.采用STR-S6300系列集成电路的大屏幕彩电稳压电源.电视技术.1997.
［8］王英剑，常敏慧，何希才编著.新型开关电源实用技术.北京：电子工业出版社，1999．
［9］叶治政,叶靖国.开关稳压 电源[M].北京：高等教育 出版社.1998. ［10］何希才.新型开关电源及 其应用[M].北京：人民邮 电出版社.1996.