开关电源设计报告模板二方案框图

方案框图及叙述：

DC-DC

1、buck

降压型直流变换电路是开关变换中最基本的拓扑结构之一。输入电压在开关管Q1动作下调制成高频方波，经低通滤波器输出稳定的直流电压,且V o=Vin*D。其优点是结构简单，所需元件较少，损耗低，效率高。但由于输入输出之间没有电气隔离，输出电压受限于占空比，因此限制了其应用。

2、boost

升压型直流变换电路是从低压输入得到高压输出的开关调整器。其基本工作原理是，Q1导通时，电感L1储能，输出电容提供负载能量，Q1关断期间，电感和输入电压一起给负载供电，并且给输出电容充电。其优点是结构简单，使用器件较少，效率较高，但输出电流纹波较大，升压范围受到占空比的限制。

3、正激变换

正激变换是单开关管的变换电路。在开关管Q1导通时，利用变压器将能量从一次侧传递到二次侧，开关管关断期间，输出滤波电感和滤波电容给负载供

电。由于一、二侧之间用变压器传输能量，因此可以升压，可以降压，具备电气隔离，能很方便的输出多个绕组。但由于变压器的磁芯仅工作在磁滞回线的第一象限，因此需要施加去磁回路。而且一般的正激变换电路的占空比不能大于0.5，否则有可能不能完全去磁，使变压器磁芯饱和。

4、反激变换

反激变换是一种隔离的小功率变换拓扑。在开关管开通时，变压器原边存储能量，当开关管关断时，线圈中的磁场能量会在副边产生上正下负的感应电动势，将磁场能量转移到负载。其优点是结构简单，无需磁复位电路，相比其他的拓扑少了一个滤波电感，因此体积小，成本低。缺点是磁芯磁场直流成分大，需加入气隙防止磁芯饱和，造成较严重的电磁辐射。而且输出电流纹波较大。

5、推挽变换

推挽变换器由两个开关管和一个带中心抽头的变压器组成，两个开关的驱动脉冲相位相反，开关管交替导通，特别适合低压输入，升压输出的场合。其优点是驱动简单，容易实现。但其开关管的电压应力是2倍的输入电压，变压器的绕制也比较麻烦。

6、半桥变换

半桥变换是一种应用较广的拓扑结构，其开关管的电压应力仅为直流输入电压，而不是像推挽拓扑承受2倍电源电压。因此其适用于输入电压较高的场合。而且半桥的变压器初级线圈只需一个绕组，方便绕制。但半桥的电压利用率不高，不适合低压场合，并且驱动比较麻烦。

7、全桥变换

全桥变换同时具有推挽拓扑电压利用率高和半桥变换电压应力不高的优点，经常用于工作电压高，输出功率大的场合。其开关管Q1、Q4分为一组，Q2、Q3分为一组，工作时总是一组接通，一组关断。其适应性广，效率高。但由于有四个开关管交替工作，其开关损耗不可忽略，并且对驱动的一致性要求很高，使得驱动的制作比较复杂。

控制

1、单片机控制

系统的PWM用单片机产生，用单片机控制整个系统的运行。这种方案的优点的是可以省去大量的硬件电路设计，使电路结构简化。但对软件的编程要求高，难度大，并且单片机的可靠性影响系统的性能。

2、硬件电路和单片机共同控制

系统的闭环控制部分由硬件电路实现，而单片机进行辅助控制。其优点是可以充分发挥硬件电路的优势，而又可以用单片机数字调节，使系统具有更大的灵活性。其不足是硬件电路的设计较复杂。

整流

1、整流二极管整流

输出级采用不可控整流方式，并且依据不同的拓扑结构可以采用不同的形式。这种方法简单易行，可靠性好，但由于整流二极管本身的压降和反向恢复问题，使得其在低压输出的系统中损耗很大，影响了效率的提高。

2、同步整流

同步整流是指用低Ron的MOS管取代整流二极管，由于需要控制脉冲控制其通断，因此又称可控整流。其优点是损耗低，功率密度更大。但由于需要与电路结构的时序同步，因此其控制较复杂，还需做驱动整形电路。

DC-AC

总体方案

1、单级变换结构。使用单级变换将输入直流电压直接转换成交流电，由于输入电压有限，必须用工频变压器升压。此方案结构简单，使用器件少，可靠性好，效率高。但由于需要工频变压器升压，其绕制麻烦，体积笨重。

2、多级变换结构。采用两级级联结构完成系统的设计，前级采用推挽升压变换，后级采用桥式逆变电路将直流电压变换成交流电。由于前后两级相对独立，使得后级的逆变环节灵活性很大。而其高频化的应用也有利于减小体积，达到更高的功率密度。因多级变换是每个子系统的级联，因此其整体的效率不如单级变换结构。

逆变主体电路

1、半桥型逆变拓扑

半桥逆变电路是结构最简单的逆变电路。其中D1、D2是续流二极管，C1、C2是分压电容，要求其值相等并且足够大。半桥逆变的优点是结构简单，使用开关器件少。但其输出交流电的幅值只有直流电源电压的一半，因此半桥电路常用于小功率的逆变场合。

2、全桥型逆变拓扑

全桥型逆变电路可以看做两个半桥电路的组合，是逆变电路中应用最多的结构。全桥逆变电路开关器件电压应力不高，输出功率大，控制方式灵活，在较低的开关频率下可以得到较好的谐波抑制。但使用器件多，驱动较复杂。

控制方案

1、SPWM硬件电路加单片机辅助控制。

采用全硬件电路实现SPWM的产生和控制，或者采用专用的SPWM控制芯片，而单片机根据变频要求输出频率变化的标准参考正弦波供给硬件电路调制，最终输出频率变化的正弦波。此方法实时性能好，系统响应快，缺点是电路复杂，难于实现。

3、采用单片机控制。

使用性能良好的单片机产生基波频率可以调节的SPWM波，经隔离驱动全桥电路，滤波后输出变频正弦波。如此则逆变环节可大大简化，系统运行灵活性高，控制方便。但缺点是单片机实时性能欠佳，并且在强开关干扰下一旦进入不稳定运行，则系统易出现控制故障，影响系统性能。

电压反馈方式

1、采用输出电压平均值反馈

逆变输出交流电压经整流转化为平均值，与输出给定比较后，产生误差信号改变SPWM。平均值反馈控制方式简单易行，对输出可连续调节并可以保持较

好的稳态误差。但其动态响应慢，负载适应性不佳。

2、采用输出电压瞬时值反馈

瞬时值反馈采样的是输出电压的同步峰值。将输出采样电压过零比较后可以得到采样的同步触发信号，单片机根据触发信号延时后采样峰值。瞬时值控制可以在运行过程中实时的调控输出电压，提高逆变的供电质量。瞬时值采样的缺点是输出电压存在一定的稳态误差。

SPWM调制方式

1、单极性调制

单极性调制的特点是调制信号和SPWM波形具有相同的正负极性。由于其载波的对称性，输出电压中没有偶次谐波，因此高频分量易于滤除。但其中却含有少量的低频谐波分量。因为其输出电压中包含零电平，因此单极性SPWM只能应用于全桥逆变电路。

2、双极性调制

双极性调制的主电路比较简单，可以用于半桥或全桥电路。并且双极性的驱动设计也比单极性的容易处理。但是其输出信号的谐波含量随着调制比的减小而大幅度增加，因此不适合用于调制比变化范围较大的场合。

单片机选择

1、MSP430 16位单片机

MSP430单片机是德州仪器公司推出的16位超低功耗，具有精简指令集的混合信号处理器。其主频为8MHz，内设资源丰富，功耗极低。但运算能力不高，不能有效的处理快速变化的信号。

2、STM32 是基于ARM Cortex-M3内核的高性能，低功耗的32位处理器。其工作频率为72MHz，内置高速存储器，具有丰富的增强型I/O端口。STM32工作可靠，编程灵活，软件编程可以实现复杂控制算法和逻辑控制，实用性强。

提高效率的方法与实现论证

在开关电源中，影响效率的因素主要有整流管损耗，变压器损耗和开关管损耗。本系统中的输出电压较高，为了达到较好的效率，减少整流的功率消耗，副边整流使用肖特基二极管，其正向压降低，反向恢复时间小，有利于减少输出整流损耗。

变压器损耗主要是铜损和铁损，铜损主要考虑导线的载流密度和温升，铁损主要是变压器磁芯的涡流损耗。因此合理的选用载流导线和磁通变化可以提高变压器的效率。同时，采用一定的绕法可以减小漏感，提高变压器的利用率。

开关管的损耗主要有开关损耗和导通损耗。导通损耗与开关管的平均电流和导通内阻有关，推挽拓扑的原边峰值电流较低，比较适合升压。同时采用低导通内阻的开关管可以减小开关导通损耗。开关管的开关损耗与开关频率成正比，在硬开关的使用条件下，可以降低开关频率，减少开关损耗。

恒功率控制框图

输入电压经功率变换电路变频整流(开关管高频斩波，再经二次整流)后输出；采样电路检测输出端电压、电流信号，输入到单片机后，通过做乘法运算，合成为功率信号电平，该信号通过脉宽控制电路、驱动电路去控制、调节功率变换电路中的占空比，使得由于某种原因造成输出功率增大时，占空比变小：

反之输出功率降低时，占空比增大，这样形成一个闭环负反馈，调节输出占空比，进而调节输出的平均值，达到稳定输出功率的目的。

恒流控制