第1章 绪论

我们日常生活中任何一款电子设备都离不开它可靠的电源，计算机电源采用了开关电源方案并于80年代取得了成功。90年代以后，随着程控交换机、通信设备和电子检测设备等电子电气设备的普及，基于开关电源的电源和控制设备也得到了广泛应用，加速了开关电源技术的迅猛发展。

1.1开关电源的基本原理

开关电源的核心是将功率半导体作为开关元件,定时地对设备进行开关通断,在功率半导体器件的开关通断过程中,由于二端均具有电压和电流,从而能够通过对开关器件的占空比系数进行调节,进而调整输出电压和电流开关电源的基本构成如图1-1所示，DC-DC变换器是整个系统的核心部件，它的主要功能有：启动电路、过流过压保护、噪声滤波等。所述反馈回路用于探测所述输出电压，利用所述误差放大器，将所述反馈回路的所述误差与所述参考电压进行比较，从而对所述脉宽调制电路进行控制；在此过程中，所述驱动电路根据所述半导体开关的通断时间，调整所述半导体开关的输出电压。其结构图如图1-1所示。

图1-1开关电源构成图

1.2 开关电源与线性电源比较 

线性电源的原理图如图1-2所示：将交流电经过一台变压器进行变压，再经过整流电路对其进行整流和滤波，最终得到未稳压的直流电压，同时还需要使用电流反馈来对输出电流进行调整，从而得到高精度的直流电压。它最大的缺陷，就是必须要有一台庞大而又沉重的变压器，所以，它所用到的滤波器，无论是体积还是重量，都非常的庞大。此外，在电流反馈回路为线性时，调节管上存在一定的压降，当其输出较大的工作电流时，会使调整管的功耗增大，从而使转换效率下降，此外，要确保调整管得到足够的电压和电流，还需要安装大量的散热设备。由于它不适合计算机和其它电子设备，所以它将逐步被开关电源所取代。

图1-2线性电源的原理图

开关电源的原理图如图1-3所示：通过整流电路及滤波电路对交流电压进行整流、滤波处理，得到的直流电压含有一定的脉冲分量。通过高频转换器将该电压转换成期望电压值的方波，最后对该方波电压进行整流。

图1-3开关电源的原理图

开关电源和线性电源相比，开关电源具有体积小、重量轻、效率高、抗干扰能力强、输出电压范围宽、模块化等优点。但是，这样做也有一些缺点，由于在运行过程中，会产生较大的压力，从而对周边的环境产生了很大的影响，所以需要进行屏蔽和接地。

1.3 开关电源发展趋势与应用

目前，我国的开关电源技术正在朝着高频化、模块化、数字化、绿色化的“四化”发展。新一代的开关电源，随着新技术的广泛应用，其技术水平也在不断地提升。新一代开关电源的可靠性、成熟性、经济性、实用性得到了进一步提高。

其中，高频化是开关电源的一个重要发展方向。利用高频化技术的发展，能够使开关电源变得体积小、重量轻，从而使其在更广阔的应用范围，尤其是在高新技术领域。

近几年，有些公司将电源组件的控制、保护等线路整合进电源组件，形成“智能化”电源模块（IPM)，从而使整体的设计、生产过程得到了最大程度地改善，降低了系统的体积，为用户带来了极大的便利。一些厂商为提高系统的稳定性，研制出“用户专用”电源模块（ASPM)，即把一部设备的大部分部件都集成在一个模块内，省去了常规的导线，并对组件进行严格的热、电、力等方面的合理设计，使组件得到最大程度地优化和完善。

随着“四化”的发展趋势，开关电源技术将持续创新，新技术、新产品将不断涌现，以满足市场需求、提升性能、提升可靠性、推动节能减排、促进社会经济可持续发展。

开关电源是一种直流稳压开关电源，采用开关电源方式进行控制。它具有体积小、重量轻、效率高等优点，被广泛地用于电子设备、通信等各种领域，并已经成为电子信息行业中一种重要的供电模式。在此基础上，提出了一种新型的DC-DC转换装置。开关电源的应用范围还扩展到从发电厂设备到家用电器的所有电力和电子技术的电气工程领域。开关电源具有节能、节材、自动化、智能化、机电一体化等优点，是新一代基础电源的重要组成部分。它可用于电厂蓄能装置、直流输电装置、动态无功补偿装置、机车牵引装置、汽车电子装置、开关电源、通信、办公自动化装置等，具有广泛的应用前景。随着人们对节能、环保、智能化要求的不断提高，开关电源具有广阔的应用前景。随着开关电源应用领域的不断扩大，特别是大型旋转机械、汽车、船舶等领域对高可靠、高效率、大功率、高密度、快响应等性能要求越来越高，成为开关电源技术发展的重要方向。

1.4 开关电源当前存在的问题

尽管已经取得了一定的成果，但是仍有很多未解决的问题，有些问题还不够全面。例如，当电源被设计成具有固定频率宽度的控制模式时，因为最大输出功率的续流时间是由输出功率到达最大时决定的，所以当负载要求功率低于最大输出功率时，操作电流可能会出现中断。在开关断开时，变压器的励磁能量有一个反向峰值，传统的“单调”控制方法无法满足要求，必须有一个“低阻通道”来对励磁能量进行处理。另外，高频变压器的磁链重置、采样效率低、高频开关电源的并联、同步输出也是需要解决的问题。

虽然这些问题看似相互独立，实际上却是相互关联的。要解决这些难题，就必须不断开发新的技术与方法，并对其进行深入研究。从而促进开关电源技术的进一步发展与完善。虽然解决这些问题是一条艰难而漫长的路，但只要持续不断地努力，相信我们一定可以克服这些难题，实现开关电源技术的更加高效、可靠和智能化发展。

第2章 DC-DC 开关电源基础知识

开关电源因其高效能转换效率而被越来越多地应用于生产和生活中。与传统的串联式稳压器相比，传统的串联式稳压器具有更高的输出功率和更低的输出功率，而传统的串联式稳压器则具有更低的输出功率和更高的输出功率。开关电源按其电压转换方式可划分为AC-DC开关电源、DC-DC开关电源和DC-AC开关电源。在这一章中，我们将重点介绍直流-直流转换器的一些基础知识。

2.1 DC-DC 开关电源的拓扑结构

2.1.1 降压式 DC-DC 电源变换器

降压式 DC-DC 电源变换器，又称 Buck 型变换器，是最基本的 DC-DC 变换。图 2-1所示为Buck 型变换器的原理图。

图2-1 Buck型变换器原理图

当开关K处于闭合状态时，续流二极管D被关断，电流从Vin进入电路中，经过电感L后到达负载R，此时电感两端会产生压降，使得Vout<Vin，因此Buck电路一种降压电路。电感 L具有储存和过滤两个功能。在开关K关闭时，输入电压 Vin用于给一个能量存储滤波电感L充电。电容C主要起到贮存、滤波等功能，使R端输出为一稳定的直流电压。当开关K断开的情况下，在电感L上产生一个反电动势，而在这个时候，续流二极管会被接通，从而构成一个回路，并在该回路中产生一个电流。

当电流下降到零的情况下，，则电容C为负荷R供电，而输出电压Vout则维持不变。降压式DC-DC开关电源的工作原理为：

(1) 在开关管 K被闭合的情况下，电感器中的电流线性增加，而续流二极管 D被相反地截止，此时，电感器，向负载 R提供 L及电容器 C，当电感电流比负载电流大时，经由向电容器C提供电容器的电容器，将电容器的电容器提供至负载 R，如图2-2所示。

图2-2开关闭合时Buck型变换器原理图

(2) 当开关管K断开的情况下，由滤波电感L、负载R及续流二极管D构成一个回路，在该环路中，电感L及电容器 C将给负载R充电。在负载电流小于电感电流的情况下，电感 L与电容C将为负载R供电。如图2-3所示。

图2-3开关断开时Buck型变换器原理图

当电感电流下降到零时，续流二极管D关闭，仅由电容C提供电力给负载R，如图2-4所示。

图2-4电流为0时 Buck型变换器原理图

降压式DC-DC变换器结构简单，但同时存在一些局限性：

(1) 降压型DC-DC变换器中只有一个电感，没有变压器，所以无法实现输入和输出之间的绝缘隔离。要实现绝缘隔离，就不能采用降压型DC-DC变换器。

(2) 如果只有单路输出，可以通过在电路中添加一个额外的输出，来实现多路输出。

(3) 如果采用N沟道的MOSFET开关管，其驱动较为困难。为了使其正常工作，其工作电压应高于其工作电压，可用一种驱动变压器或驱动芯片来解决。虽然驱动变压器价格低廉，性能优良，但是其重置过程较慢，而且会对最大占空系数产生一定的影响；该驱动器采用高速的驱动方式，但电路和输入电压采用共地方式

综上所述，降压式DC-DC变换器虽然具有结构简单的优点，但其局限性也需要我们在设计中进行考虑，以便更好地适应实际需求。

2.1.2 升压式 DC-DC 电源变换器

升压式DC-DC电源变换器，也被称为Boost变换器，也是DC-DC 开关电源最基本的拓扑结构之一。Boost型变换器的基本原理图如图2-5所示。

图2-5 boost型变换器原理图

当开关 K 关闭时，电感器 L对输入电压 Vin起到了一定的作用，在电感器的两端形成了一定的电势，使电感器的电流逐渐增加。在这一点上，断开续流二极管 D。电流通过电容器 C，再向负荷 R输送电能。在断开开关 K的情况下，电感器 L为保持励磁恒定而产生的反电动势，电感器的电流经续流二极管 D而被充入电容器 C及负荷 R。这样就造成了一个逐步降低的电感电流。因此， Boost 电路能够将输入电压 Vin 提升为输出电压 Vout，并且在该电路中输出电压大于输入电压。该升压型DC-DC开关电源的工作过程如下：

(1)当开关K闭合的情况下，电感中的电流被线性地增大，二极管D被关闭，如图2-6中所示，通过电容器C对负载R供电。

图2-6开关闭合时boost型变换器原理图

(2) 当开关 K 打开时，在电感上会形成一个与输入电压Vin 串联的电压，并且以高于输出电压Vout 的电压对电容器C进行充电，并为负载R提供电能。此时，二极管D被接通，电感上的电流会逐渐减小。如图2-7所示。

图2-7开关断开时boost型变换器原理图

当电感电流降至零时，二极管D会截止，电容器C成为Boost 电路中仅有的能向负载R提供电能的元件。此时，电容器C会继续向负载R提供电能，如图2-8所示。

图2-8电流为0时 Boost型变换器原理图

2.1.3 反激式 DC-DC 电源变换器

反激式 DC-DC 电源变换器的拓扑结构如图2-9所示。该输入电压V输入可由该变压器T变换为该输出电压V输出。其中，K为开关器，C为储能及滤波用电容,R为负荷电阻,D为整流器。回扫变压器T在开关器K关闭时存储起到蓄能作用的电能。当开关器K关断时，回扫变压器二次绕组中存储的电能就会被释放出来，并通过二极管D而得到稳定的输出电压。

图2-9 反激式变换器原理图

反激式 DC-DC 开关电源的工作过程如下：

(1) 当切换器 K被关闭时，将由变压器 T的初级线圈对输入电压 Vin进行充电。当初级线圈中的电流增大时，将会形成一个感应式电势。在二次线圈中，由于初级线圈和次级线圈之间的电流变化，两者之间存在着相互作用，从而使次级线圈中产生了感应电势。而整流二极管 D又有一种逆向切断功能，所以在一次绕组中没有产生一种电流，等于一条断路。

(2) 当开关管K关断的瞬间，因为输入回路被切断，使变压器T的一次绕组中的电流骤然变为0，按照法拉第磁场感应原理，不能使磁链发生变化，从而使一次绕组中的电流通过整流二极管D流入到电容器C及负荷R。如图2-10所示。

图2-10 开关断开时反激式变换器原理图

反激式DC-DC电源变换器存在着两方面的限制：一方面是受输出容量的制约；在开关管 K被切断的时候，变压器在初始绕组中所存储的能量转移到了二次绕组中，但是受到了反激变换器的输出回路中只有一个储能电容的限制，所有的电流都会流向这个电容，这就造成了在大功率时，很难找到适合的电容器来应对大电流的纹波。另一方面就是输出能力有限。在很小的输出电压下，回扫转换器的最高输出仅为50W，不能适应大功率的要求。

2.1.4 正激式 DC-DC 电源变换器

正激式DC-DC电源变换器的拓扑结构如图2-11所示。其中，Vin是开关电源的输入电压，T是开关互感器，K是开关管的简单建模，L是储存滤波器的电感，C是储存滤波器的电容D1是整流二极管,D2是续流二极管，R是负荷电阻。在开关管 K被导通时，变压器传递了一种很难储存的能量，因此，在整流二极管与储能电容之间，就需要添加一个储能电感L，当开关 K被断开时，将储存在滤波电感器L中的电能释放，以产生一个稳定的输出电压Vout。

图2-11 正激式变换器原理图

正激式DC-DC开关电源的工作过程如下：

1) 当开关管K闭合时，变压器处于正常运行状态。假设变压器T初次极绕组的匝数比例为1:n，那么变压器的二次极压之比例也为1:n。此时，正激式DC-DC开关电源与Buck变换器的输入电压为nVin。通过变压器T，正激式DC-DC开关电源能够将高电压的输入电压Vin通过变压器T转换为低电压的输出电压Vout，从而为负载提供稳定的电压输出。与Buck变换器不同的是，正激式DC-DC开关电源通过增加储能电感及储能电容，能够储存和转移更多的能量，如图2-12所示。

图2-12 开关闭合时反激式变换器原理图

2) 当开关管K断开时，变压器次级的二极管D1会发生反向截止，导致输出端相当于开路状态。在这种情况下，正激式DC-DC开关电源的工作状态类似于Buck变换器中开关管K关断时的状态。在这种状态下，电源无法将输入电压有效地转换为输出电压。如图2-13所示。

图2-13 开关断开时正激式变换器原理图

与反激式变换器相比，正激变换器可将电能传输到二次绕组，且在输出环路中加入了电感，使其电容的选取更具灵活性。因为变压器的漏感会吸收能量，所以需要使用 RCD型漏感吸收电路或有源钳位电路来吸收漏感，以确保正激式变换器的可靠性和稳定性

2.2 DC-DC 开关电源的特殊元器件

2.2.1 二极管

(1) 快恢复二极管（FRD）：快恢复二极管（FRD）与常规二极管相比，反向恢复时间明显较短。普通的二极管通常在P型硅和N型硅片之间掺入基区，而FRD则在两块硅单晶表面外延生长新的硅片，使得其基区非常薄。因此，这些独特的特性使得FRD经常被用于开关电源中，作为整流/续流二极管。同时，FRD也可用于变压器初级侧RCR漏感吸收电路中的阻尼二极管。通过使用FRD，可以有效地提高开关电源的工作效率和稳定性，从而增强电源的性能和可靠性。

(2) 超快恢复二极管（SRD）：在开关电源中主要被用作续流二极管，由于其具有极低的反向恢复电流和高正向电压的特性。在开关管处于导通状态时，SRD的正向电压为正，反向恢复电流为负，反向恢复时间约为1μs。而在开关管处于截止状态时，SRD的反向恢复电流为零，正向电压约为0V，正向恢复时间约为10μs。因此，可将其作为续流二极管使用，以防止因过电压造成的破坏。在续流电路中，SRD能够快速恢复，有效地激活续流电路，避免因续流电压过高而导致的开关管损坏。尤其在高频开关电源中，SRD的反向恢复时间非常短，能提高电路的响应速度和稳定性。因此，选择SRD作为续流二极管能够提高开关电源的效率和稳定性。

(3) 肖特基二极管（SBD)：肖特基二极管是一种由半导体和贵金属组成的新型二极管，其结构有别于普通二极管，其内部结构没有PN结。另外，通常情况下，肖特基二极管前向压降变化较大。一般情况下，肖特基二极管具有10 ns至40 ns的回波之间，其整流电流可达数十至数百安培。肖特基二极管是一种具有低电压，大电流，超高速等特性的半导体功率元件。因为其反向漏电流相对较大，所以一般用来作为输出整流二极管。

(4) 瞬态电压抑制二极管（TVS）：也称为压敏电阻，在电路中能将瞬间生成的高能量冲击转化为一个高电阻变小的电流，使其能够被高电阻变小，并能被 TVS所消耗的电能一般情况下，TVS能够以10-12秒数量级的速度从高阻态变为低阻态。当TVS作为保护器件用于开关电源中的MOSFET等电压敏感器件时，它可以防止因浪涌而对这些器件造成损坏。因为TVS能够快速响应电路中的瞬间高能量冲击，将其吸收掉，从而实现对电路的保护。除了在开关电源中常被用作保护器件外，TVS也被广泛应用于电信、计算机、汽车电子等领域，以保护设备免受过电压或过流等异常情况的损害。

2.2.2 电阻

(1) 自恢复熔丝管（RF）：是一种用于电子设备的保险丝。它是一种自恢复保险丝，因为如果它受到过载或短路的电流，它会在一定程度上熔断，但并不完全断开连接。相反，它会自动重置并继续工作。也叫做自恢复保险丝，顾名思义，它能够实现自行恢复，不需要手动维修。

(2) 软启动电阻：软启动电阻是一种具有负温特性的热启动电阻器但其额定功率高（10～500W）并可承受较大的工作电流（1～10A）。常用于开关电源启动时的保护电阻，具有减缓电源启动过程、降低启动时的电流峰值等功能。

(3) 压敏电阻器（VSR）：压敏电阻器是一种广泛应用于过电压保护电路、防雷击保护电路、浪涌电压吸收电路的半导体器件。通过使用压敏电阻器，可以有效地保护各种电路和设备不受过电压等突发电压干扰的影响，增强系统的稳定性和安全性。同时，压敏电阻器也是一种经济实用的电子元器件，可以满足各种场合的需求。

2.2.3 光耦

光耦器的电流传输比（CTR）与直流输入电流（IF）的特性曲线具有高度的线性度在传输小信号时，光耦器的输出与输入之间存在良好的线性关系，因此能被广泛运用于搭建光耦反馈控制电路。

2.2.4 磁珠

磁珠主要由铁氧体材料构成，其工作频率和磁通量是主要参数。在电路设计中，磁珠被广泛应用于解决信号线和电源线上的高频噪声、尖峰脉冲干扰等问题。磁珠通常用于抑制输入部分的高频噪声直流输入电路，包括射频电路、锁相环电路、振荡电路等。这些磁珠能够将高频干扰转化为热能，从而保证系统的工作稳定性和可靠性。在直流输电中，高频RF很容易通过导线传递，并引起电网的辐射。为了消除冗余的讯号，通常使用晶片作为高频阻抗（或衰减器）来过滤交流信号。一般来说，高频信号的频率为30MHz以上，但低频信号也会受到片式磁珠的影响。磁珠具有很高的电阻率和磁导率，相当于电阻和电感串联。在一根导线上，只需将导线套入一颗磁珠即可。其等效回路是一个感应线圈和一个感应线圈，两者均与磁性圆珠的长度成比例关系。有些微珠上有许多小洞，让电线穿过这些洞，从而增加了元件的耐受性。

2.3 小结

本章介绍了DC-DC开关电源的基本构造，不同的电路拓扑，反馈电路，以及一些特殊元件的基本原理。在此基础上，本项目将对DC-DC开关电源进行深入研究，并在此基础上对其进行深入地研究，以期为后续的电路设计与分析提供必要的理论支撑。在这一章的学习过程中，将对开关电源的原理、结构、设计及其应用等方面的知识进行深入地探索，从而让读者对该领域的基本概念和知识有更好的了解和应用。

在本章的基础上，对DC-DC变换器的架构进行简单的介绍，同时也会对漏感与吸收器的架构作进一步的讨论。在电路设计上，使用了正激式DC-DC开关电源变换器，来满足更多的大功率开关电源的应用。

在反馈回路中，采用了一种以参考电压为基础的光耦合回路。在此基础上，提出了一种基于光学耦合的高效反馈方法，通过光耦合器的线性化，有效地降低了电源的噪音，降低了输出的脉动，提高了系统的可靠性和精确性。第3章对该电路进行了详细的理论分析。而对于开关电源中所用到的特殊元器件，本章只是对其进行整体类型的介绍，在第三章中，我们会结合推挽式电路的具体要求，选择合适的元器件实现本设计。

第3章 参数计算及选型

由于开关电源系统可调输出设定为:15V，4A; 12V, 3A; 5V，2A，则输出功率

如果考虑变压器的效率80%，则整流电路的输出功率应为:

则可以设定整流电路输入电压

，输出电压15V，电流I=2.55A。

3.1整流管参数计算

整流输出电压为

=100V，则变压器次级电压：

考虑到变压器二次侧及管子的压降，，需要将变压器二次侧的电压增加10%左右，则:

二极管的最大反向电压:

二极管平均电流:

可选用IN4003/A (代用型号ZCI11B)整流二极管，最高反向工作电压为15V，额定工作电流为1A。

3.2变压器参数

则变压器变比为:

变压器二次侧电流有效值:

变压器的容量为:

如果考虑变压器的效率η =80%则

3.3变压器设计

目前，国内外已有许多设计方法，可根据具体情况选用。通常，在设计时，可先求出初始绕组，再以最大占空比及标准直流电压 Vs为依据，再求出初始绕组。

按上述方法设计的理由是，副边绕组中均设有一只电感，在负荷突然增加时，其输出电流的变化率是有限的。要解决此问题，控制线应能最大限度地调节工作周期。在这种瞬变条件下，若不能充分考虑到暂态过程中的高原边电压与最大脉冲宽度，则可能导致暂态过程中的磁饱和现象。

控制电路设计为：在最大输入电压时，对输出信号的脉冲宽度和频率进行了限制，使输出信号不能同时达到最大。

能量再生绕组的必要性，指出了在正激变流器中，如果有剩余的电能存在，将对整个系统造成不利的影响。为保证磁通在反激过程中能够得到更低的剩余磁密度，同时避免磁心饱和，需要在反激过程中引入一个极小的气隙。

（1）根据输出功率选择铁心:

可调输出为：15V，4A；12V，3A；5V，2A。

输出功率为：

若考虑6%的余量则：

选择一个传递功率为115W的铁心，SB—9C的EER—40，其有效横截面积为

1.58

，磁感应强度B=220mT

(2)计算原边的绕组

周期：

最大导通占空比 D=0.5时：

则最小原边匝数为：

取93匝。

(3）计算副边的绕组匝数

若考虑15V以下波动的情况，设向下波动-20%则：

15V的副边匝数为：

取35匝。

12V的副边匝数为：

取28匝。

5V的副边匝数为：

取12匝。

3.4电容参数计算

整流电路负载RL=U/Io=15V/1.5A=22.5

在工程中，一般取

由于

，则

选用C= 1000uF、耐压为15V的极性电解电容。

3.5电感的参数计算

最小 L通常是根据需要保持最低负荷电流而确定的。通过电感 L得到的电流可以是持续的，也可以是不连续的。无论在什么情况下，只要输入和输出电压