基于脉宽调制的开关电源设计与仿真研究.doc

基于脉宽调制的开关电源设计与仿真研究

内容摘要

电源是各类电子设备的重要组成部分，开关电源被称为高效节能型电源。开关电源技术作为电源电压变换的一种基础技术，由于变换方式较为简单，成本较低，体积重量较小、容易控制输出电压、变换方式等，这种电源变换技术即开关电源技术，所以使它的研究方向有很高的价值和极大的挑战。

本设计在调查大量资料及结合自身经验的基础上展开对开关电源设计的论述，首先介绍本课题的背景及意义，国内外研究现状和开关电源的发展方向；然后阐述了开关电源的原理及设计方法，研究了电压倍压整流技术，在此基础上根据设计要求完成变压器、驱动电路、控制电路和保护电路的设计，阐述了电路工作原理；最后应用Multisim仿真软件对电路模块和整体电路进行一些功能仿真，证明了设计的正确性。

关键词：脉宽调制;场效应管;高频变压器;反激式变换器

1绪论

课题的背景及意义

随着时间不断变化，伴随着大规模和超大规模集成电路的高速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显而易见，那种体积大并笨重且经常使用的工频变压器的线性调节稳压电源，已经跟不上时代的脚步。开关电源现如今是小型化、重量轻、效率高的为主打。

开关电源的中心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。早在70年代，随着电子技术的不断升级，集成化的开关电源被电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备广泛地应用。这是由于开关电源不光能够满足现代电子设备更能得到多种电压和电流的需求。伴随半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速应用到生活中。而半导体集成电路技术的不断发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了重要的基础，更能适应各类开关电源控制要求，随之集成开关稳压器应运而生，其功能被广泛应用，集成化水平也不断完善，外接组件不断减少，促使开关电源的设计、生产和调整工作日益简化和完善，成本也随之下降和降低。目前各类功能完善的集成开关稳压器系列被应用于生活与工作。这几年来高反压MOS大功率管的快速升级，又将开关电源的工作频率从20kHz提高到150-200kHz，让整个开关电源的体积变小，重量变轻，效率高。开关电源的性能变得更高，价格变得优惠。使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。在70年代后期，功率在100W以上的开关电源是有竞争力的。到1980年，功率在50W以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的大大改良，到1980年后期，电子设备的消耗功率在20W以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入90年代后，其成本下降非常显着，当然这包括了功率组件，控制组件和磁性组件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。

课题研究的意义在于：现在生活中有许多高新技术均与电源的电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数的变换和控制相关技术，电源技术能够实现对技术参数做到精确把控和高效率的处理，因此，电源技术不但本身是一种高新技术，而且电源技术变成了多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、减少材料消耗以及提高生产效率提供必不可少的手段，并且为现代生产和现代生活带来了不可忽视的影响。

1.2国内外研发状况与发展方向

1.2.1国内外开关电源的研发现状

开关电源最开始出现在上世纪五十年代初，美国宇航局基于小型化、轻量化的出发点，为搭载火箭研发出了开关电源。通过最近几十年的不断发展，开关电源体现出重量轻、体积小、性能稳定、散热少、效率高等优点，渐渐地取代了传统的线性电源，开始广泛应用在日常生产和生活中。

在20世纪80年代率先完成计算机的电源换代，使得计算机全面实现了开关电源化。并在20世纪90年代初期，开关电源开始广泛应用到家电领域、电气、电子设备，标志着开关电源技术变成了迅速上升阶段。经过几十年的不断研发，现代开关电源技术已经有了很大的进展和突破。

伴随着新一代半导体功率管的出现，开关电源的频率得到明显提高，功率场效应管和绝缘栅双极型晶体管应用在中小型开关电源中，其工作频率已经达到或1MHz（DC/DC）；通过软开关来促使开关电源实现高频化，这样不仅提高了电源的效率，而且可以减轻电源的重量和体积；随着控制技术的更新换代以及专业控制芯片的出现，即使得原来冗余电路大幅简化，又让开关电源的可靠性和动态性能得到大副提高；现在开发的有源功率因数校正（APFC），让开关电源功率因数得以修正，不仅治理了电网的高次谐波污染，同时也提升了开关电源的输出效率。

当前，以小型、高效率和轻量的开关电源正被广泛应用于以高科技为主导的各种通信设备、终