畢業(yè)設(shè)計(jì)開(kāi)題報(bào)告-廉秀文(1).

1、 中 北 大 學(xué)畢業(yè)論文開(kāi)題報(bào)告學(xué) 生 姓 名：廉秀文學(xué) 號(hào)：1205044326學(xué) 院、系：計(jì)算機(jī)與控制工程學(xué)院電氣工程系專(zhuān) 業(yè)：電氣工程及其自動(dòng)化論 文 題 目：AC-DC開(kāi)關(guān)電源控制器研究指導(dǎo)教師:李靜 2016年 3 月 18日畢 業(yè) 論 文 開(kāi) 題 報(bào) 告1選題依據(jù)：1.1 本課題研究的意義及背景隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源被廣泛應(yīng)用于各種電子產(chǎn)品中，同時(shí)也對(duì) 開(kāi)關(guān)電源提出了更高的要求。如今，隨著各類(lèi)電子產(chǎn)品向小型化發(fā)展，AC/DC 轉(zhuǎn)換控制器作為開(kāi)關(guān)電源控制器的一種，也需要小小型化、高精度的方向發(fā)展1。近幾年來(lái)，隨著電子技術(shù)和制造工藝的不斷發(fā)展和電源技術(shù)的日益成熟，人們對(duì)電

2、源的轉(zhuǎn)換效率提出了越來(lái)越高的要求在電氣領(lǐng)域中，開(kāi)關(guān)電源占據(jù)著舉足輕重的位置，高效率是未來(lái)電源發(fā)展的必然趨勢(shì)傳統(tǒng)的AC-DC變換電路由于要通過(guò)高頻變壓器來(lái)實(shí)現(xiàn)電壓變換，很難將效率提高到更高的層次，也很難降低電源的紋波本系統(tǒng)所設(shè)計(jì)的高效率的單相AC-DC變換電路.可以輸出恒定的36V直流電壓，在額定輸出電流為2A 時(shí)，可實(shí)現(xiàn)高達(dá)90%以上的電源轉(zhuǎn)換效率高效率、低紋波的電源轉(zhuǎn)換不僅可以提供更加可靠的供電系統(tǒng)，同時(shí)也可以帶來(lái)非常可觀的經(jīng)濟(jì)效益2。根據(jù)功率器件的工作狀態(tài)，直流穩(wěn)壓電源包括線性電源和開(kāi)關(guān)電源，其中功率器件工作于放大狀態(tài)的直流穩(wěn)壓電源稱(chēng)為線性電源；功率器件工作于開(kāi)關(guān)狀態(tài)的稱(chēng)為開(kāi)關(guān)電源。由于必

3、須使用工頻變壓器與電網(wǎng)進(jìn)行隔離，而且功率管損耗大，導(dǎo)致線性電源的體積大、重量大，效率低。所以在便攜式電子產(chǎn)品廣泛應(yīng)用的今天，盡管線性電源具有成本低、體積小、外圍電路簡(jiǎn)單、噪聲低等優(yōu)點(diǎn)，但由于體積和重量上的問(wèn)題，它的應(yīng)用逐漸受到限制。開(kāi)關(guān)電源則是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，通過(guò)控制開(kāi)關(guān)通斷的時(shí)間比率來(lái)維持輸出電壓穩(wěn)定的一種電源，它具有體積小、重量輕、功率小、效率高、紋波小、噪聲低、智能化程度高等優(yōu)良特性3.自上世紀(jì) 90 年代后開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用逐漸普及，在帶電子設(shè)備中廣泛應(yīng)用。隨著近幾年經(jīng)濟(jì)與科技高速發(fā)展給開(kāi)關(guān)電源提出了更高要求。針對(duì) AC/DC 控制器的開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行設(shè)計(jì)，以滿足低耗能、高可靠的“

4、綠色”開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)方向。在今后開(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)中應(yīng)進(jìn)一步提高電源控制芯片效率，提高集成化程度，實(shí)現(xiàn)智能電源控制設(shè)計(jì)4。提高 AC/DC 開(kāi)關(guān)電源的轉(zhuǎn)換效率，主要從兩個(gè)方面來(lái)進(jìn)行。一方面是降低開(kāi)關(guān)損耗，一些學(xué)者提出了軟開(kāi)關(guān)技術(shù)，即讓開(kāi)關(guān)管實(shí)現(xiàn)零電壓或零電流開(kāi)通與斷。另一方面是優(yōu)化現(xiàn)有拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，如采用無(wú)橋 PFC。目前高效 AC/DC 解決方案是前級(jí)采用無(wú)橋 PFC，中間級(jí) DC/DC 部分采用有源鉗位或 AHB，輸出級(jí)采用同步整流。這樣的結(jié)構(gòu)將原有的三級(jí)變換改成了兩級(jí)變換，提高了AC/DC變換器的轉(zhuǎn)換效率5。AC/DC開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)換器以其價(jià)格、效率、體積等優(yōu)勢(shì)在小功率電源領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。電腦、顯

5、示器、路由器、移動(dòng)設(shè)備都離不開(kāi) AC/DC開(kāi)關(guān)電源。經(jīng)過(guò)數(shù)十年的發(fā)展開(kāi)關(guān)電源的功率、工作頻率等都大幅提升，但是由于電源中的電流和電壓不能突變，所以在交替過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生功率損耗。研究表明，此損耗與頻率成線性關(guān)系，因此電源工作頻率越高，損耗也就更大6。而對(duì)于開(kāi)關(guān)電源這樣一種強(qiáng)非線性、時(shí)變系統(tǒng)，要獲得良好的動(dòng)態(tài)特性，工程上往往是憑借經(jīng)驗(yàn)進(jìn)行反復(fù)調(diào)試、修改以滿足特定目標(biāo)。雖然這種方法對(duì)于有經(jīng)驗(yàn)的工程師來(lái)說(shuō)簡(jiǎn)單可行，但是可重復(fù)性不高，不利于大規(guī)模使用。而對(duì)于接觸電源的初級(jí)工程師來(lái)說(shuō)，環(huán)路分析和調(diào)節(jié)更是困難重重。功率開(kāi)關(guān)器件的廣泛使用為改善開(kāi)關(guān)電源動(dòng)態(tài)特性提供了條件，隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，為了充分發(fā)揮開(kāi)關(guān)電源

6、的性能，急需要一種理論來(lái)指導(dǎo)開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)特性分析。近20年來(lái)，國(guó)內(nèi)外學(xué)者對(duì)開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行了大量、深入的研究，提出了通過(guò)對(duì)開(kāi)關(guān)電源環(huán)路建模的方式來(lái)分析開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)特性7。1.2 本課題國(guó)內(nèi)外的研究現(xiàn)狀開(kāi)關(guān)電源正向著高頻化方向發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的高頻化已成為了各種大功率開(kāi)關(guān)電源的核心技術(shù)。開(kāi)關(guān)電源的高頻化為其微小型化、集成化提供了有利的條件，因?yàn)殡S著開(kāi)關(guān)電源芯片的工作頻率的提高，可以不再使用笨重的工頻變壓器，而電源器件的體積和重量與其工作頻率的平方根成反比，因此濾波器件的尺寸還有散熱器的尺寸也可以顯著的減小8。開(kāi)關(guān)電源的應(yīng)用越來(lái)越廣泛，特別是在某些高新技術(shù)領(lǐng)域，例如在電動(dòng)汽車(chē)、變頻空調(diào)

7、等新興領(lǐng)域中，通過(guò)感應(yīng)外部環(huán)境的變化，改變開(kāi)關(guān)電源的用電頻率，從而達(dá)到省電節(jié)能的目的。但是一味的追求開(kāi)關(guān)電源在高頻化也會(huì)帶來(lái)很多的弊端，諸如運(yùn)行噪聲大、存在嚴(yán)重的開(kāi)關(guān)干擾、尖峰干擾、諧振干擾等缺點(diǎn)，如果不采取措施對(duì)這些干擾進(jìn)行屏蔽，會(huì)影響到整機(jī)的工作的穩(wěn)定性9。近幾年來(lái)，電源設(shè)備開(kāi)始了以高頻開(kāi)關(guān)電源代替相控電源，用計(jì)算機(jī)監(jiān)控系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工控制技術(shù)，用閥控式密封鉛酸蓄電池代替防酸式鉛酸蓄電池更新?lián)Q代的工作，吸引了國(guó)內(nèi)外一大批科技人員置身于開(kāi)關(guān)電源的研究。開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展是新形勢(shì)下的要求和趨勢(shì)，因此，國(guó)內(nèi)的電力操作電源系統(tǒng)的市場(chǎng)需求同樣非常旺盛，而且在不就的將來(lái)會(huì)很快發(fā)展起來(lái)10 .如今，能源節(jié)約

8、成為了一個(gè)熱點(diǎn)，電源的待機(jī)損耗受到的重視程度越來(lái)越高，如何降低待機(jī)損耗的研究也大范圍進(jìn)行。2014 年徐平凡、肖文勛和黃少輝提出了一種新穎開(kāi)關(guān)電源低待機(jī)損耗控制電路11。傳統(tǒng)開(kāi)關(guān)電源待機(jī)損耗問(wèn)題比較嚴(yán)重，這種新穎的控制電路檢測(cè)負(fù)載接入電路與否，然后控制開(kāi)關(guān)管來(lái)決定開(kāi)關(guān)電源主電路的工作狀態(tài)?？刂品绞剑洪_(kāi)關(guān)電源的控制方式有很多種，針對(duì)不同應(yīng)用不同拓?fù)錁?gòu)選取最優(yōu)的控制方式已做了大量實(shí)驗(yàn)。Young-Seok Jung, Jun-Young Lee提出了一個(gè)新的平均電流模式控制小信號(hào)模型12。通過(guò)數(shù)學(xué)推導(dǎo)和模型仿真實(shí)驗(yàn)，證明了即使是在高增益的電流控制環(huán)路的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中，該小信號(hào)模型比傳統(tǒng)模型更具實(shí)用性和

9、穩(wěn)定性。在一個(gè)二次降壓轉(zhuǎn)換器中，Morales J A S, Leyva-Ramos J, 采用一個(gè)開(kāi)關(guān)完成了二次降壓轉(zhuǎn)換器的平均電流模式控制方案。在該方案中，轉(zhuǎn)換器有兩個(gè) LC 濾波器，因此將產(chǎn)生四階特性動(dòng)態(tài)13。20 世紀(jì) 50 年代，美國(guó)宇航局為了實(shí)現(xiàn)搭載火箭的小型化和輕量化，研發(fā)出首個(gè)開(kāi)關(guān)電源，經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展，開(kāi)關(guān)電源逐步取代了傳統(tǒng)技術(shù)制造的相控壓電源在電子整機(jī)設(shè)備中得到了廣泛的應(yīng)用14。集成電路的不斷發(fā)展也為開(kāi)關(guān)電源的集成化、小型化、模塊化提供了便利。40 多年來(lái)，開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展經(jīng)歷了三個(gè)重要的階段。第一個(gè)階段從 MOS 型功率半導(dǎo)體器件的產(chǎn)生開(kāi)始，這使得電力電子系統(tǒng)的高頻化，

10、低的導(dǎo)通損耗，簡(jiǎn)單的電路結(jié)構(gòu)變?yōu)榭赡?5。第二個(gè)階段從上世紀(jì) 80 年代開(kāi)始，各種技術(shù)的研究和興起（高頻化、軟開(kāi)關(guān)技術(shù)等），推進(jìn)了功率器件性能、重量、尺寸的發(fā)展。第三個(gè)階段始于上世紀(jì) 90 年代中期，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊(IPEM)技術(shù)開(kāi)始發(fā)展，它是當(dāng)今國(guó)際電力電子界亟待解決的新問(wèn)題之一16。國(guó)內(nèi)開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，基本上起源于上世紀(jì)70年代末和80年代初，但當(dāng)時(shí)僅停留在高等院校和一些科研院所的試驗(yàn)開(kāi)發(fā)和教學(xué)階段。上世紀(jì)80年代中期，經(jīng)過(guò)20多年的不斷發(fā)展，我國(guó)研制出了多種采用20k Hz、脈寬調(diào)制(PWM)技術(shù)的開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品，他們的效率大幅度提高，開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品得到了推廣和應(yīng)用。

11、即使在2009年全球金融危機(jī)沖擊下，電子電源行業(yè)產(chǎn)值仍然達(dá)到人民幣1061億元，有著5%以上的增長(zhǎng)率。隨著國(guó)家一系列宏觀刺激政策的落實(shí)及全球經(jīng)濟(jì)趨于穩(wěn)定之后2010年我國(guó)電子信息產(chǎn)業(yè)很快恢復(fù)了發(fā)展勢(shì)頭，電子電源行業(yè)更是借勢(shì)而上，產(chǎn)值規(guī)模達(dá)到1172億元，快速增長(zhǎng)超過(guò)10%。反激式變換器構(gòu)成的AC/DC產(chǎn)品被廣泛應(yīng)用于鋰電池充電、LED 照明、筆記本電腦供電等許多領(lǐng)域，具有非常大的市場(chǎng)。然而，目前國(guó)內(nèi)AC/DC 電源市場(chǎng)中大部分的大功率模塊電源，以及近一半的中小功率模塊電源的市場(chǎng)主要被國(guó)外品牌占據(jù)，國(guó)內(nèi)產(chǎn)品在功能、性能以及創(chuàng)造力上與國(guó)外同類(lèi)型頂尖產(chǎn)品仍存在很大的差距17。但是，隨著國(guó)內(nèi)技術(shù)的進(jìn)步

12、和生產(chǎn)規(guī)模的擴(kuò)大。預(yù)計(jì)在未來(lái)的幾年內(nèi)，國(guó)內(nèi)品牌將占領(lǐng)中小功率模塊電源80%以上的市場(chǎng)分額。開(kāi)關(guān)電源的飛速發(fā)展促進(jìn)了電源管理芯片市場(chǎng)的發(fā)展，中國(guó)電源管理芯片市場(chǎng)的發(fā)展速度一直遠(yuǎn)超全球市場(chǎng)的發(fā)展速度。經(jīng)過(guò)幾年來(lái)的積累和發(fā)展，中國(guó)電源管理芯片企業(yè)必將逐漸嶄露頭角18。參 考 文 獻(xiàn)1胡飛飛.AC-DC 開(kāi)關(guān)電源的控制器設(shè)計(jì)J南昌工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2014，08:1081102 張鳳運(yùn)，段書(shū)凱，王麗丹，鐘宇平，李波.單相AC-DC變換電路設(shè)計(jì)J. 西南大學(xué)學(xué)報(bào)（自然科學(xué)版）,2015,21:157161 3 姬晶.低功耗 AC/DC 電源管理芯片的研究D.碩士學(xué)位論文.西安:西安科技大學(xué),2013 4 錢(qián)

13、純.低功耗 AC/DC 開(kāi)關(guān)電源的設(shè)計(jì)D.碩士學(xué)位論文.海南:海南師范大學(xué)，2014 5王賢江.高效 AC/DC 開(kāi)關(guān)電源D.碩士學(xué)位論文.成都:電子科技大學(xué)，2014.36杜斌.抗干擾 AC /DC 開(kāi)關(guān)電源芯片的研究與設(shè)計(jì)J中國(guó)重型裝備學(xué)報(bào),2015，03:11147周進(jìn).一款高效率 AC-DC 開(kāi)關(guān)電源管理系統(tǒng)的環(huán)路設(shè)計(jì)D.碩士學(xué)位論文.成都:電子科技大學(xué)，20148Brian Lynch.Current-Mode Vs. Voltage-Mode Control in Synchronous Buck Concerters. Texas Instruments Incorporated

14、.9Kazimierczuk M K. Transfer Function of Current Modulator in PWM Converters with Current Mode Control J. IEEE Transactions on Circuits and Systems I: Fundamental Theory and Applications, 47(9), 2013. 14071412. 10孫佳云.具有多種工作模式的高效率 AC/DC開(kāi)關(guān)電源芯片的設(shè)計(jì)D.碩士學(xué)位論文.成都:電子科技大學(xué)，201311徐平凡,肖文勛,黃少輝.一種新穎開(kāi)關(guān)電源低待機(jī)損耗控制電路的設(shè)

15、計(jì)J. 電力電子技術(shù),2014,48:878912 Jiang Yanfeng. A novel design of power management integrated circuit with 90 plus efficiency used in AC/DC converter. Engineering Sciences，2010，01.13柯志強(qiáng)，一種低功耗 AC/DC 開(kāi)關(guān)電源控制器的設(shè)計(jì)D.碩士學(xué)位論文.武漢:武漢科技大學(xué)，2014 14張維.單端反激式開(kāi)關(guān)電源研究與設(shè)計(jì)D.碩士學(xué)位論文.西安:西安電子科技學(xué)，2011.15Chen J J,Hsu JH,Hwang Y S, et

16、al. A DC-DC buck converter with load-regulation improvement using dual-path-feedback techniquesJ. Analog Integrated Circuits and Signal Processing, 2014, 79: 149159. 16李健.開(kāi)關(guān)電源電路宏模型設(shè)計(jì)D.碩士學(xué)位論文.天津：天津大學(xué)，2007.17 Xiangjun Zhang, Hankui Liu, Dianguo Xu. Analysis and Design of the Flyback TransformerC. The

17、9 annual conference of the IEEE, 2013: 715716. 18 Paul R. Gray, Paul J. Hurst, Stephen H. Lewis 等著, 張曉林等譯.模擬集成電路的分析與設(shè)計(jì)(第四版)M.北京:高等教育出版社, 2012.67 畢 業(yè) 論 文 開(kāi) 題 報(bào) 告研究方案：2.1本課題要研究的主要內(nèi)容 設(shè)計(jì)單相AC-DC變換電路，它主要由電源電路、主電路、控制電路、驅(qū)動(dòng)電路、護(hù) 電路構(gòu)成?？上扔肕atlab軟件進(jìn)行仿真，并設(shè)計(jì)相應(yīng)的硬件電路和軟件程序，最終可實(shí)現(xiàn)要求的性能指標(biāo)。并分別在MATLAB/SIMULINK中搭建恒壓頻比控制、矢量

18、控制、直接轉(zhuǎn)矩控制的異步電動(dòng)機(jī)變頻調(diào)速系統(tǒng)仿真模型。該題目基本要求使輸出直流電壓UO在36V±0.1V；當(dāng)Us=24V，IO在0.2A2.0A范圍內(nèi)變化時(shí)，負(fù)載調(diào)整率SI0.5%；當(dāng)Io=2A， US在20V30V范圍內(nèi)變化時(shí)，電壓調(diào)整率SU0.5%。并且要求設(shè)計(jì)并制作功率因數(shù)測(cè)量電路，實(shí)現(xiàn)AC-DC變換電路輸入側(cè)功率因數(shù)的測(cè)量。具有輸出過(guò)流保護(hù)功能，功率因數(shù)測(cè)量部分采用電壓感應(yīng)與電流感應(yīng)方式通過(guò)單片機(jī)A/D轉(zhuǎn)換并進(jìn)行電壓電流相位差計(jì)算。 2.2 擬采用的研究手段通過(guò)查閱和閱讀有關(guān)逆變電源的相關(guān)文獻(xiàn)、書(shū)籍以及期刊等資料，了解現(xiàn)階段的研究成果及存在的問(wèn)題。學(xué)習(xí)和借鑒好的解決方案，并結(jié)合自身動(dòng)手實(shí)踐完成本次課題。 圖2.1 系統(tǒng)原理圖 如圖2.1所示，采用帶PFC的Boost型DCDC升壓器。該電路有專(zhuān)用的控制芯片，容易實(shí)現(xiàn)，電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，同時(shí)采用PFC功率因數(shù)校正技術(shù)，功耗低，輸出電壓范圍寬。輸出電壓波形中毛刺也比方案一要小。選用TI公司的UCC28019。UCC28019交流輸入市電電流總諧