输出可调的宽输入隔离降压微系统开题报告

1．本课题研究的背景、目的及意义

1：开关电源的研究背景

开关电源在通信系统中得到了广泛的应用，并已成为现代通信供电系统的主流，而通信业的迅速发展又极大地推动了开关电源的发展。在通信领域中，通常将高频整流器称为一次电源而将直流--直流(DC/DC)变换器称为二次电源。同时，开关电源也在各种电子信息设备中，如计算机、充电电源等得到了广泛的应用。#8194; 自1957年第一只可控硅(SCR)问世后，可控硅取代了笨重而且效率低下的硒或氧化亚铜整流器件，可控硅整流器就作为通信设备的一次电源使用。在随后的20年内，由于半导体工艺的进步，可控硅的电压、电流额定值及其它特性参数得到了不断提高和改进，满足了通信设备不断发展的需要，因此，直到70年代，发达国家还一直将可控硅整流器作为大多数通信设备的一次电源使用。#8194; 虽然可 控硅整流器工作稳定，能满足通信设备的要求，但它是相控电源，工作于工频，有庞大笨重的电源变压器、电感线圈、滤波电容，噪声大，效率低，功率因数低，稳压精度也较低。因此，自1947年肖克莱发明晶体管，并在随后的几年内对晶体管的质量和性能不断完善提高后，人们就着力研究利用晶体管进行高频变换的方案。1955年美国罗耶(GHRoger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换电路的开始,#8194;1957年美国查赛(JJJen#8194;Sen)又发明了自激式推挽双变压器变换器电路。在此基础上，1964年，美国科学家提出了取消工频变压器的串联开关电源的设想，并在NEC杂志上发表了“脉宽调制应用于电源小型化”等文章，为使电源实现体积和重量的大幅下降提供了一条根本途径。#8194; 随着大功率硅晶体管的耐压提高和二极管反向恢复时间的缩短等元器件性能的改善，1969年终于做成了25KHz的开关电源。电源界把开关电源的频率提高到20KHz以上称为电源技术的“20KHz革命”。经过几年的努力，从开关电源的电路拓扑型式到相配套的元器件等研究都取得了相当大的进展。在电路拓扑型式上开发出了单端贮能式反激电路、双反激电路、单端正激式电路、双正激电路、推挽电路、半桥电路、全桥电路，以适应不同应用场合、不同功率档次的需要；在元器件方面，功率晶体管和整流二极管的性能也有了较大的提高。1976年美国硅通用公司第一个做出了型号为SG1524的脉宽调制(PWM,#8194;Pulse#8194;Width#8194;Modulation)控制芯片，极大地提高了开关电源的可靠性，并进一步减小了体积。#8194; 在随后的几年中，大功率晶体管(GTR)和功率场效应管(MOSFET)相继被研制出 II#8194; 来，其电压、电流额定值大为提高，工作频率也提高较多，可靠性也显著增加。到80年代中后期，绝缘栅双极性晶体管(IGBT)已研制出来并投入了市场，各种通信设备所需的一次电源大多采取PWM#8194;集成控制芯片、双极型晶体管、场效应管、绝缘栅双极晶体管。#8194; 随着微电子学的发展和元器件生产技术的提高，相继开发出了耐压高的功率场效应管(VMOS管)和高电压、大电流的绝缘栅双极性晶体管(IGBT)，具有软恢复特性的大功率高频整流管，各种用途的集成脉宽调制控制器和高性能的铁氧体磁芯，高频用的电解电容器，低功耗的聚丙烯电容等。主要元器件技术性能的提高，为高频开关电源向大功率、高效率、高可靠性方向发展奠定了良好基础。#8194; 随着通信用开关电源技术的广泛应用和不断深入，实际工作中人们对开关电源提出了更高的要求，提出了应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数字化、产品性能的绿色化、新一代电源的技术含量大大提高，使之更加可靠、稳定、高效、小型、安全。在高频化方面，为提高开关频率并克服一般的PWM和准谐振、多谐振变换器的缺点，又开发了相移脉宽调制零电压开关谐振变换器，这种电路克服了PWM方式硬开关造成的较大的开关损耗的缺点，又实现了恒频工作，克服了准谐振和多谐振变换器工作频率变化及电压、电流幅度大的缺点。采用这种工作原理，大大减小了开关管的损耗，不但提高了效率也提高了工作频率，减小了体积，更重要的是降低了变换电路对分布参数的敏感性，拓宽了开关器件的安全工作区，在一定程度上降低了对器件的要求，从而显著提高了开关电源的可靠性。

2：开关电源的分类

电源的隔离与非隔离，主要是针对开关电源而言，业内比较通用的看法是：1、隔离电源：电源的输入回路和输出回路之间没有直接的电气连接，输入和输出之间是绝缘的高阻态，没有电流回路。2、非隔离电源：输入和输出之间有直接的电流回路，例如，输入和输出之间是共地的。使用隔离或非隔离的电源，需了解实际项目对电源的需求是怎样的，但在此之前，可了解下隔离和非隔离电源的主要差别：隔离模块的可靠性高，但成本高，效率差点；非隔离模块的结构很简单，成本低，效率高，安全性能差。因此，在如下几个场合，建议用隔离电源：涉及可能触电的场合，如从电网取电，转成低压直流的场合，需用隔离的AC-DC电源； 串行通信总线通过RS-232、RS-485和控制器局域网（CAN）等物理网络传送数据，这些相互连接的系统每个都配备有自己的电源，而且各系统之间往往间隔较远，因此，我们通常需要隔离电源进行电气隔离来确保系统的物理安全，且通过隔离切断接地回路，来保护系统免受瞬态高电压冲击，同时减少信号失真；

3：主要用途

开关电源产品广泛应用于工业自动化控制、军工设备、科研设备、LED照明、工控设备、通讯设备、电力设备、仪器仪表、医疗设备、半导体制冷制热、空气净化器，电子冰箱，液晶显示器，LED灯具，通讯设备，视听产品，安防监控，LED灯带，电脑机箱，数码产品和仪器类等领域。

2．本课题主要研究内容和预期目标

1.主要研究内容

本文详细分析了高性能、大功率直流开关电源的工作原理，并提出了主电路和控制电路的设计方案。在此基础上，完成了整个系统的硬件电路设计，并对电源装置的硬件进行了调试和修改。在分析原理的基础上，本文从输入电路、输出电路、控制电路、高频变压器、滤波电路等环节对该系统的主电路进行了阐述，同时探讨了该电源系统实现大功率的解决方案。在电压调节环节上，详细分析了基于BT2747微小型化宽输入电压输出可调隔离升压型DCDC电源转换微模块设计。本文研制的直流开关电源具有输出电压固定、输出电流大、纹波小等特点。

2.脉宽调制（PWM）

脉宽调制指固定时钟频率， 通过调节开关管控制信号的占空比 D 实现对输出电压的调整。 PWM 技术在较宽的负载范围内都具有较高效率， 此外因为频率恒定噪声频谱相对窄，利用简单的低通滤波技术便可得低纹波输出电压。 因此 PWM 技术普遍应用于通信技术中。

PWM 调制方式根据反馈采样的不同可分为： 电压模式和电流模式。

(1) 电压控制模式

传统PWM开关电源采用电压型控制模式， 只对输出电压采样并作为反馈信号实现闭环控制， 以稳定输出电压。 图 1 为电压控制电路图： 电源输出电压V 与参考电压V 经误差放大器比较放大后， 又经PWM比较器比较， 由锁存器输出占空比随误差电压信号V e 变化的一系列脉冲， 再驱动控制用的开关晶体管， 使输出电压稳定。

图1：电压控制电路图

(2) 电流控制模式

图 2为电流控制模式电路图。它是一个双控制系统， 既保留了电压型控制器的输出电压反馈控制部分， 又增加了一个反馈环节， 它的电路工作原理是： V 与V 经误差放大器比较放大后， 得到V ， 由恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲驱动管导通， 电源电路中因输出电感的作用使脉冲电流逐渐增大， 当电流在采样电阻R 上的电流信号电压V S 幅度达到V e 电平时， 脉宽比较器的状态反转， 锁存器复位， 驱动撤除， 功率管关断， 电路逐个的检测和调节电流脉冲， 控制电源输出。

电压控制模式电路控制过程中电感电流未参与控制， 是独立变量， 开关转换器为二阶系统， 有两个状态变量， 即输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电流。 二阶系统是一个脉频调制不同于 PFM 调制， 此调制方式运用峰值电感电流限制和一个最小关闭或最大开启时间。 工作于此模式下， 一旦输出电压低于调整值， 开关管将开启直到电感电流达到设计值， 此时开关管将关闭一定时间（最小关闭时间）， 电感电流开始下降， 当该段时间结束时， 反馈电路通过对输出电压采样， 比较输出电压此时是否低于调整关管， 否则继续关闭开同时纹波相对于经 PFM 小， 但噪声频谱仍然随负载变化。

图2：电流控制模式电路图

有条件的稳定系统， 只有对控制电路进行精心设计和计算， 满足一定条件， 方能使闭环系统稳定工作。 开关电源的电流均流经电感， 将使滤波容上的电压信号对电流信号产生 90度延迟。 因此， 仅用电压采样的方法反应速度慢， 稳定性差， 甚至在大信号变动时产生振荡， 从而损坏功率器件， 以致在推挽和全桥等电路中引起变压器偏磁化饱和而产生电流尖峰， 最终导致线路工作失常。

电流型控制器正是针对电压型控制器的缺点发展起来的， 它增加了电流反馈环， 电感电流不再是一个独立变量， 从而使开关转换器成为一个一阶无条件的稳定系统， 它只有单个极点和 90 度相位滞后， 因而很容易不受约束的得到大的开环增益和完善的小信号、 大信号特性。

3：降压转换器

Buck变换器：也称降压式变换器，是一种输出电压小于输入电压的单管不隔离直流变换器。

图中，Q为开关管，其驱动电压一般为PWM(Pulse width modulation脉宽调制)信号，信号周期为Ts，则信号频率为f=1/Ts，导通时间为Ton，关断时间为Toff，则周期Ts=Ton Toff，占空比Dy= Ton/Ts。

Buck变换器有两种基本工作方式：

CCM(Continuous current mode)：电感电流连续模式，输出滤波电感Lf的电流总是大于零

DCM(Discontinuous current mode)：电感电流断续模式，在开关管关断期间有一段时间Lf的电流为零

CCM时的基本关系：

DCM时的基本关系：

DCM可分为两种典型情况：

输入电压Vin不变，输出电压Vo变化，常用作电动机速度控制或充电器对蓄电池的恒流充电

输入电压Vin变化，输出电压Vo恒定，即普通开关稳压电源

电感电流临界连续的边界：

输入电压恒定不变时：Vin=const

理想情况下，在电流断续区输出电压仅由占空比Dy确定。实际电路中，因元器件的非理想化，在电感电流的连续区，Buck变换器的外特性也是下降的，即Io加大，Vo降低。为保持Vo不变，在Io增加时，要适当加大占空比Dy。

输出电压恒定不变时：Vo=const

可画出Buck变换器在Vo=const时的特性曲线：

图中虚线为电感电流临界连续的边界，右上方为电流连续区，左下为电流断续区。

在电感电流临界连续时，若加大负载，则进入电流连续工作区；减小负载，则进入电流断续区。

若负载不变，减小输入电压Vin，为使Vo不变，应加大Dy，也进入电流连续区。

4.BT2747简介

5.4.1主要特色

（1）4V至55V输入电压范围

（2）内置2A 70V功率开关管

（3）238KHz开关频率（140KHz可选）

（4）无第三绕组、光耦器件

（5）静态工作电流5mA

（6）休眠电流20μA

（7）内置功能选择模式

（8）可同步频率范围300KHz—600KHz

4.2引脚配置

图（4）BT2747封装的引脚配置

4.3引脚功能

SW：内置功率开关的集电极，有大电流流过，电感中的电流通过这个开关流入地。

VIN：芯片的供电引脚，使用时要连接旁路电容。

GND：PGND和SGND合并后的引脚，其中PGND是电源地，流入SW引脚的大电流从该引脚流出。SGND是信号地，流入芯片的驱动电流从该引脚流出。

S/S：这个脚具有两个功能：（1）同步外部时钟，在输入电压的下降沿内部功率管打开，同步模式开启。（2）S/S从低变高为1.5V时，芯片正常工作，从高变低为1.06V时，芯片关机；芯片正常工作时一般可以将S/S接到VIN。

FB：对于BOOST模式，FB为外部反馈电阻的输入引脚，通过电阻R_FB连接到V_OUT。由电阻R_FB和R_REF的比较决定输出电压。FB脚的参考电压为1.27V。

RFB：对于fIyback模式，RFB为外部反馈输入引脚，通过RFB的电阻连接到SW脚。由RFB和FB的电阻的比较决定输出电压。流入RFB脚的电流平均为100μA。

VC：用作环路补偿，连接RC串联电路到地。

4.4参数指标

图（5）BT2747的参数指标

3．本课题拟采用的研究方法、步骤

1：步骤

本实验以DC-DC变换器为核心，利用LTspice来对电路进行设计、优化、以及仿真。在电路设计好以后，通过PCB完成对电路板的绘制，最后手工电焊所需要的板子，微调来完成本课题的研究。 2：单端反激式 Single F1yback Converter（单端反激式变压器开关电源）所谓反激式变压器开关电源，是指当变压器的初级线圈正好被直流电压激励时，变压器的次级线圈没有向负载提供功率输出，而仅在变压器初级线圈的激励电压被关断后才向负载提供功率输出，这种变压器开关电源称为反激式开关电源。 反激式电路与正激式电路相反，脉冲变压器的原/付边相位关系，确保当开关管导通，驱动脉冲变压器原边时，变压器付边不对负载供电，即原/付边交错通断。脉冲变压器磁能被积累的问题容易解决，但是，由于变压器存在漏感，将在原边形成电压尖峰，可能击穿开关器件，需要设置电压钳位电路予以保护D3、N3构成的回路。从电路原理图上看，反激式与正激式很相象，表面上只是变压器同名端的区别，但电路的工作方式不同，D3、N3的作用也不同。 反激式变压器开关电源的输出电压为：

（1-110）式中，Uo为反激式变压器开关电源的输出电压，Ui变压器初级线圈输入电压，D为控制开关的占空比，n为变压器次级线圈与初级线圈的匝数比。

4．本课题主要参考文献

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[3]杨旭，裴元庆。开关电源技术[M].北京；机械工业出版社，2003，P110-116.

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[6] 张建新. 升压 DC-DC 转换器的管理集成电路设计. 北京： 南开大学， 2005.

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海交通大学, 2003.

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[9] 李捷, 张定学. 一种 DC/DC 电源管理芯片的设计[J] . 武汉工业学院学报,

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科技大学， 2005.

五、本课题的具体进度安排（包括序号、起迄日期、工作内容）

①1周~4周：仿真电路，实现隔离降压

②5周~7周：对方案进行初步分析，并且计算和验证各器件的参数

③8周~9周：用CAD完成对PCB的设计

④10周~11周：制作电路板，焊机实物

⑤12周：测试结果与分析调试

⑥13周~16周：完成毕业论文