畢業(yè)設計開題報告-廉秀文(1).

1、 中 北 大 學畢業(yè)論文開題報告學 生 姓 名：廉秀文學 號：1205044326學 院、系：計算機與控制工程學院電氣工程系專 業(yè)：電氣工程及其自動化論 文 題 目：AC-DC開關電源控制器研究指導教師:李靜 2016年 3 月 18日畢 業(yè) 論 文 開 題 報 告1選題依據：1.1 本課題研究的意義及背景隨著現代科學技術的飛速發(fā)展，開關電源被廣泛應用于各種電子產品中，同時也對 開關電源提出了更高的要求。如今，隨著各類電子產品向小型化發(fā)展，AC/DC 轉換控制器作為開關電源控制器的一種，也需要小小型化、高精度的方向發(fā)展1。近幾年來，隨著電子技術和制造工藝的不斷發(fā)展和電源技術的日益成熟，人們對電

2、源的轉換效率提出了越來越高的要求在電氣領域中，開關電源占據著舉足輕重的位置，高效率是未來電源發(fā)展的必然趨勢傳統(tǒng)的AC-DC變換電路由于要通過高頻變壓器來實現電壓變換，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)所設計的高效率的單相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，可實現高達90%以上的電源轉換效率高效率、低紋波的電源轉換不僅可以提供更加可靠的供電系統(tǒng)，同時也可以帶來非?？捎^的經濟效益2。根據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關電源，其中功率器件工作于放大狀態(tài)的直流穩(wěn)壓電源稱為線性電源；功率器件工作于開關狀態(tài)的稱為開關電源。由于必

3、須使用工頻變壓器與電網進行隔離，而且功率管損耗大，導致線性電源的體積大、重量大，效率低。所以在便攜式電子產品廣泛應用的今天，盡管線性電源具有成本低、體積小、外圍電路簡單、噪聲低等優(yōu)點，但由于體積和重量上的問題，它的應用逐漸受到限制。開關電源則是利用現代電力電子技術，通過控制開關通斷的時間比率來維持輸出電壓穩(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 90 年代后開關電源的發(fā)展與應用逐漸普及，在帶電子設備中廣泛應用。隨著近幾年經濟與科技高速發(fā)展給開關電源提出了更高要求。針對 AC/DC 控制器的開關電源進行設計，以滿足低耗能、高可靠的“

4、綠色”開關電源的設計方向。在今后開關電源設計中應進一步提高電源控制芯片效率，提高集成化程度，實現智能電源控制設計4。提高 AC/DC 開關電源的轉換效率，主要從兩個方面來進行。一方面是降低開關損耗，一些學者提出了軟開關技術，即讓開關管實現零電壓或零電流開通與斷。另一方面是優(yōu)化現有拓撲結構，如采用無橋 PFC。目前高效 AC/DC 解決方案是前級采用無橋 PFC，中間級 DC/DC 部分采用有源鉗位或 AHB，輸出級采用同步整流。這樣的結構將原有的三級變換改成了兩級變換，提高了AC/DC變換器的轉換效率5。AC/DC開關電源轉換器以其價格、效率、體積等優(yōu)勢在小功率電源領域得到了廣泛應用。電腦、顯

5、示器、路由器、移動設備都離不開 AC/DC開關電源。經過數十年的發(fā)展開關電源的功率、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，所以在交替過程中會產生功率損耗。研究表明，此損耗與頻率成線性關系，因此電源工作頻率越高，損耗也就更大6。而對于開關電源這樣一種強非線性、時變系統(tǒng)，要獲得良好的動態(tài)特性，工程上往往是憑借經驗進行反復調試、修改以滿足特定目標。雖然這種方法對于有經驗的工程師來說簡單可行，但是可重復性不高，不利于大規(guī)模使用。而對于接觸電源的初級工程師來說，環(huán)路分析和調節(jié)更是困難重重。功率開關器件的廣泛使用為改善開關電源動態(tài)特性提供了條件，隨著開關頻率的提高，為了充分發(fā)揮開關電源

6、的性能，急需要一種理論來指導開關電源的動態(tài)特性分析。近20年來，國內外學者對開關電源的動態(tài)特性進行了大量、深入的研究，提出了通過對開關電源環(huán)路建模的方式來分析開關電源的動態(tài)特性7。1.2 本課題國內外的研究現狀開關電源正向著高頻化方向發(fā)展，開關電源技術的高頻化已成為了各種大功率開關電源的核心技術。開關電源的高頻化為其微小型化、集成化提供了有利的條件，因為隨著開關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。開關電源的應用越來越廣泛，特別是在某些高新技術領域，例如在電動汽車、變頻空調

7、等新興領域中，通過感應外部環(huán)境的變化，改變開關電源的用電頻率，從而達到省電節(jié)能的目的。但是一味的追求開關電源在高頻化也會帶來很多的弊端，諸如運行噪聲大、存在嚴重的開關干擾、尖峰干擾、諧振干擾等缺點，如果不采取措施對這些干擾進行屏蔽，會影響到整機的工作的穩(wěn)定性9。近幾年來，電源設備開始了以高頻開關電源代替相控電源，用計算機監(jiān)控系統(tǒng)代替?zhèn)鹘y(tǒng)人工控制技術，用閥控式密封鉛酸蓄電池代替防酸式鉛酸蓄電池更新換代的工作，吸引了國內外一大批科技人員置身于開關電源的研究。開關電源的發(fā)展是新形勢下的要求和趨勢，因此，國內的電力操作電源系統(tǒng)的市場需求同樣非常旺盛，而且在不就的將來會很快發(fā)展起來10 .如今，能源節(jié)約

8、成為了一個熱點，電源的待機損耗受到的重視程度越來越高，如何降低待機損耗的研究也大范圍進行。2014 年徐平凡、肖文勛和黃少輝提出了一種新穎開關電源低待機損耗控制電路11。傳統(tǒng)開關電源待機損耗問題比較嚴重，這種新穎的控制電路檢測負載接入電路與否，然后控制開關管來決定開關電源主電路的工作狀態(tài)?？刂品绞剑洪_關電源的控制方式有很多種，針對不同應用不同拓撲構選取最優(yōu)的控制方式已做了大量實驗。Young-Seok Jung, Jun-Young Lee提出了一個新的平均電流模式控制小信號模型12。通過數學推導和模型仿真實驗，證明了即使是在高增益的電流控制環(huán)路的補償網絡中，該小信號模型比傳統(tǒng)模型更具實用性和

9、穩(wěn)定性。在一個二次降壓轉換器中，Morales J A S, Leyva-Ramos J, 采用一個開關完成了二次降壓轉換器的平均電流模式控制方案。在該方案中，轉換器有兩個 LC 濾波器，因此將產生四階特性動態(tài)13。20 世紀 50 年代，美國宇航局為了實現搭載火箭的小型化和輕量化，研發(fā)出首個開關電源，經過半個多世紀的發(fā)展，開關電源逐步取代了傳統(tǒng)技術制造的相控壓電源在電子整機設備中得到了廣泛的應用14。集成電路的不斷發(fā)展也為開關電源的集成化、小型化、模塊化提供了便利。40 多年來，開關電源的發(fā)展經歷了三個重要的階段。第一個階段從 MOS 型功率半導體器件的產生開始，這使得電力電子系統(tǒng)的高頻化，

10、低的導通損耗，簡單的電路結構變?yōu)榭赡?5。第二個階段從上世紀 80 年代開始，各種技術的研究和興起（高頻化、軟開關技術等），推進了功率器件性能、重量、尺寸的發(fā)展。第三個階段始于上世紀 90 年代中期，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊(IPEM)技術開始發(fā)展，它是當今國際電力電子界亟待解決的新問題之一16。國內開關電源技術的發(fā)展，基本上起源于上世紀70年代末和80年代初，但當時僅停留在高等院校和一些科研院所的試驗開發(fā)和教學階段。上世紀80年代中期，經過20多年的不斷發(fā)展，我國研制出了多種采用20k Hz、脈寬調制(PWM)技術的開關電源產品，他們的效率大幅度提高，開關電源產品得到了推廣和應用。

11、即使在2009年全球金融危機沖擊下，電子電源行業(yè)產值仍然達到人民幣1061億元，有著5%以上的增長率。隨著國家一系列宏觀刺激政策的落實及全球經濟趨于穩(wěn)定之后2010年我國電子信息產業(yè)很快恢復了發(fā)展勢頭，電子電源行業(yè)更是借勢而上，產值規(guī)模達到1172億元，快速增長超過10%。反激式變換器構成的AC/DC產品被廣泛應用于鋰電池充電、LED 照明、筆記本電腦供電等許多領域，具有非常大的市場。然而，目前國內AC/DC 電源市場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主要被國外品牌占據，國內產品在功能、性能以及創(chuàng)造力上與國外同類型頂尖產品仍存在很大的差距17。但是，隨著國內技術的進步

12、和生產規(guī)模的擴大。預計在未來的幾年內，國內品牌將占領中小功率模塊電源80%以上的市場分額。開關電源的飛速發(fā)展促進了電源管理芯片市場的發(fā)展，中國電源管理芯片市場的發(fā)展速度一直遠超全球市場的發(fā)展速度。經過幾年來的積累和發(fā)展，中國電源管理芯片企業(yè)必將逐漸嶄露頭角18。參 考 文 獻1胡飛飛.AC-DC 開關電源的控制器設計J南昌工程學院學報，2014，08:1081102 張鳳運，段書凱，王麗丹，鐘宇平，李波.單相AC-DC變換電路設計J. 西南大學學報（自然科學版）,2015,21:157161 3 姬晶.低功耗 AC/DC 電源管理芯片的研究D.碩士學位論文.西安:西安科技大學,2013 4 錢

13、純.低功耗 AC/DC 開關電源的設計D.碩士學位論文.海南:海南師范大學，2014 5王賢江.高效 AC/DC 開關電源D.碩士學位論文.成都:電子科技大學，2014.36杜斌.抗干擾 AC /DC 開關電源芯片的研究與設計J中國重型裝備學報,2015，03:11147周進.一款高效率 AC-DC 開關電源管理系統(tǒng)的環(huán)路設計D.碩士學位論文.成都:電子科技大學，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開關電源芯片的設計D.碩士學位論文.成都:電子科技大學，201311徐平凡,肖文勛,黃少輝.一種新穎開關電源低待機損耗控制電路的設

15、計J. 電力電子技術,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，一種低功耗 AC/DC 開關電源控制器的設計D.碩士學位論文.武漢:武漢科技大學，2014 14張維.單端反激式開關電源研究與設計D.碩士學位論文.西安:西安電子科技學，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.開關電源電路宏模型設計D.碩士學位論文.天津：天津大學，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計(第四版)M.北京:高等教育出版社, 2012.67 畢 業(yè) 論 文 開 題 報 告研究方案：2.1本課題要研究的主要內容 設計單相AC-DC變換電路，它主要由電源電路、主電路、控制電路、驅動電路、護 電路構成?？上扔肕atlab軟件進行仿真，并設計相應的硬件電路和軟件程序，最終可實現要求的性能指標。并分別在MATLAB/SIMULINK中搭建恒壓頻比控制、矢量

18、控制、直接轉矩控制的異步電動機變頻調速系統(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Us=24V，IO在0.2A2.0A范圍內變化時，負載調整率SI0.5%；當Io=2A， US在20V30V范圍內變化時，電壓調整率SU0.5%。并且要求設計并制作功率因數測量電路，實現AC-DC變換電路輸入側功率因數的測量。具有輸出過流保護功能，功率因數測量部分采用電壓感應與電流感應方式通過單片機A/D轉換并進行電壓電流相位差計算。 2.2 擬采用的研究手段通過查閱和閱讀有關逆變電源的相關文獻、書籍以及期刊等資料，了解現階段的研究成果及存在的問題。學習和借鑒好的解決方案，并結合自身動手實踐完成本次課題。 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。該電路有專用的控制芯片，容易實現，電路結構簡單，同時采用PFC功率因數校正技術，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