开题报告-开关电源的PCB设计

开题报告

电气工程及自动化

开关电源的PCB设计

一、综述本课题国内外研究动态，说明选题的依据和意义

1.1本课题选题的依据和意义：

随着计算机、电子技术的高速发展，电子技术的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。电子设备的小型化和低成本化，使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向[1]。传统的晶体管串联调整稳压电源是连续控制的线性稳压电源。这种传统稳压电源技术比较成熟，并且已有大量集成化的线性稳压电源模块，具有稳定性能好、输出纹波电压小、使用可靠等优点。但通常都需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器。由于调整管工作在线性放大状态，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射机之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，一般只有45%左右。另外，由于调整管上消耗较大的功率，所以需要采用大功率调整管并装有体积很大的散热器，很难满足现代电子设备的发展要求[2]。

在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并在电子整机与设备中得到广泛的应用[3]。

在电力电子线路方面，高频化已成为发展的重要趋势。开关电源的高频化是电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化，并且是开关电源计入更广泛的领域，特别在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化[4]。另外，开关频率的提高也是的电源的电磁干扰问题变得突出起来。为了解决这一问题，20世纪80年代，出现了采用准谐振技术的零电压开关电路和零电流开关电路，这种技术被称为软开关技术。虽然近年来使用软开关的高频开关直流电源己经得到广泛的应用，但是大部分都是在中小功率的场合。而在大功率场合（像大型机车、通讯基站等）普遍采用的都是硬开关[5]。提高在大功率场合中的软开关的应用是非常必需的。

开关电源技术的成熟, 实现高效率用电和高品质用电相结合。这几年,随着科学技术的发展和社会发展要求，开关电源技术吸引了国内外一大批科技人员对其进行开发研究。开关电源代替线性电源和相控电源是大势所趋, 因此, 同样具有几十亿产值需求的电力操作电源系统的国内市场正在启动, 并将很发展起来[6]。还有其它许多以开关电源技术为核心的专用电源、工业电源正在等待着人们去开发。

1.2开关电源的国内外研究动态：

1.2.1开关电源发展史

国内的研究动态：21世纪我国通信、信息、家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐被淘汰。国内开关电源技术的发展，基本上起源于20世纪70年代末和80年代初。当时引进的开关电源技术在高等院校和一些科研院所停留在试验开发和教学阶段[7]。20世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用。

20世纪80年代开关电源的特点是采用20KHz，脉宽调制（PWM）技术，效率可达65%—70%。

经过20多年的不断发展，开关电源技术有了重大的进步和突破。新型功率器件的开发促进了开关电源你的高频化，功率MUSFEET和IGBT可使中小型开关电源工作频率达到400kHz，（AC/DC）或1MHz（DC/DC）；软开关技术使高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了电源的功率，国产6kW通讯开关电源，采用软开关技术，效率可达到93%[8]。

1.2.2开关电源发展方向

新型半导体器件的发展是开关电源技术进步的龙头，电力电子技术的进步必须依靠不断推出新型电力电子器件。功率场效应管（MOS-FET）由于采用单极性多子导电，是开关时间显著地减小，又因其很容易达到1MHz的开关工作频率而受到世人瞩目。对于肖特基二极管的开发，最近利用trench结构，有望出现压降更小的肖特基二极管，它被称作TMBS沟槽MOS势垒肖特基二极管，有可能在极低电源电压应用中与同步整流的MOS-FET竞争[9]。作为半导体器件材料的硅应用在半导体器件中已有50余年，硅性能潜力的进一步挖掘时很难的，目前正在研究高性能的碳化硅半导体器件，一旦成功，对于电源技术的影响将是革命性的[10]。此外，平面变压器、压电变压器及新型电容等原件的发展，也将对电源技术的发展起到重要作用。

另外，集成化是开关电源的一个重要发展方向。通过控制电路的集成、驱动电路的集成以及保护电路的集成，最后达到整机的集成化生产。集成化和模块化减少了外部连线和焊接，提高了设备性能的可靠性，缩小了电源的体积，减轻了重量。目前，DC/DC 开关电源的功率可达到3120/W in 。电路集成的进一步发展方向是系统集成，如现在的逆变器是将200-300个零件装配在一起成为一个系统。这种做法要花很多时间和人力，成本高，难于做得体积很小[11]。美国VI-COR 公司生产的第一代电源模块受生产技术、功率、磁元件体积以及封装技术的限制，功率密度始终未能超过380/W in 。近年来推出的第二代电源模块，内部结构改变为模块式，达到高度集成化

和全面电脑化，功率密度已经达到3120/W in [12]。

功率因数的校正是开关电源研究的另外一个方向。功率因数校正的概念起源于20世纪80年代，但被重视和推广则是在80年代末期和90年代[13]。欧洲和日本相继对开关电源装备的输入谐波要求制定了标准。目前有两个标准，即IEC555-2和IEC10000-3-2。这使得研究PFC 技术已经成为电源界的热点[14]。通常有两大类PFC 技术：一类是无源PFC 技术，另外一类是有源PFC 技术。前者采用无源元件来改善输入功率因数，减小电源谐波，以满足标准要求。后者则采用一个变压器串入整流滤波与DC/DC 变换器之间，通过特殊的控制，第一强迫输入电流跟随输入电压，从而实现单位功率因数，第二反馈输出电压便随之稳定，从而使DC/DC 变换器的输入实现隐喻[15]。

随着开关电源性能的不断提高，对于开关电源的要求也愈来愈高。一个开关电源的品质除了电性能指标外，还有许多其他指标，如环境温度、外形尺寸、EMI 要求、抗振动要求、可靠性指标、集成度和美观性等[16]。总之，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性事大势所趋，也是今后的主要研究方向。

二、研究的基本内容，拟解决的主要问题：

2.1研究的基本内容：

开关电源通常都包含四个电流回路：电源开关交流回路、输入信号源电流回路、输出整流交流回路和输出负载电流回路。这些交流回路电流中谐波成分很高，其频率远大于开关频率，峰值幅度很高。这三个回路最容易产生电磁干扰，因此必须在电源中其它印制线布线之前先布好这些交流回路。

因此，研究的内容如下：

（1）开关电源的总体结构框图

（2）开关电源的典型结构的选择

（3）功率模块及功率集成电路的选择

（4）确定开关电源的主电路图

（5）设计开关电源的控制电路

（6）整体元器件的选择和计算

（7）绘制电路图，制作PCB板

2.2解决的主要问题：

(1) 确定开关电源主电路结构

(2) 功率模块及功率集成电路的选择

(3) 各个回路电流中的电子器件的选用

(4) PCB板制作过程中元器件的排线放置

三、研究步骤、方法及措施：

步骤及方法：

(1)了解国内外开关电源的发展方向和研究动态。

(2)熟悉开关电源的工作原理及设计流程。

(3)结合所设计电路图选择合理的元器件。

(4)利用Altium Designer Summer制图软件画出电路图，并制作PCB板。

(5)完成开关电源的设计。

措施：

图书馆查找相关的书籍、期刊、杂志等，通过上网寻找相关的一些资料，查看当代对该技术的研究成果和最新的动态。然后通过对这些资料的学习和研究进一步的熟悉和理解设计所需的相关知识。在设计过程中及时与指导老师探讨，对不了解的问题及时向老师请教。

四、参考文献

[1] 侯振义.直流开关电源技术及应用[M].北京:电子工业出版社,2006.

[2] 李金伴,李捷辉.开关电源技术[M].北京:化学工业出版社,2006.

[3] 周志敏,周纪海,纪爱华.现代开关电源控制电路设计及应用[M].北京:人民邮电出

报社,2005.5

[4] 刘胜利.现代高频开关电源使用技术[M].北京:电子工业出版社,2001.

[5] 张占松.开关电源的原理及设计[M].北京:电子工业出版社,2001.1

[6] 王水平,王保保,贾静.单片开关电源[M].北京:人民邮电出版社,2008.4

[7] 王兆安,黄俊.电力电子技术[M].北京:机械工业出版社,2009.6

[8] 杨旭,裴云庆,王兆安.开关电源技术[M].北京:机械工业出版社,2004.1

[9] 杨帮文.实用电源电路集锦[M].北京:电子工业出版社,1998.1

[10] 宋鑫欣.小功率单片开关电源的理论与实验研究[D].北京:北京工业大学硕士论

文,2004

[11] 周琛.开关电源PCB排版基本要点[J]. 电源技术应用.2005，8(9):17~18

[12] Moussaoui, Z.;Batarseh, I.;Lee, H.;Kennedy, C. An overview of the control

scheme for distributed power systems Southcon/96[J].Conference Record,25-27 June 1996 :66~67.

[13] 王晓秋,孙孝端.提高开关功率因素的方法[J].现代电力,1994,(02）:75~77.

[14] Ferdinand C.Geerlings. SMPS Power Inductor Design and Transformer

Design,Part2[J].PowerconversionInternational.January/February.1980:88~8 9

[15] 许化民，陈乾宏，严仰光.多路输出DC/DC变换器的并联均流[J].电力电子技术，

2000，（03）:47~50.

[16] 李建婷,丁志亮,熊蕊.开关电源EMI 的抑制策略[J].通信电源技术,2006:23~36.