開題報告-開關(guān)電源的PCB設(shè)計

開題報告電氣工程及自動化開關(guān)電源的PCB設(shè)計一、綜述本課題國內(nèi)外研究動態(tài)，說明選題的依據(jù)和意義1.1本課題選題的依據(jù)和意義：隨著計算機、電子技術(shù)的高速發(fā)展，電子技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域越來越廣泛，電子設(shè)備的種類也越來越多，電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切。任何電子設(shè)備都離不開可靠的電源，它們對電源的要求也越來越高。電子設(shè)備的小型化和低成本化，使電源以輕、薄、小和高效率為發(fā)展方向[1]。傳統(tǒng)的晶體管串聯(lián)調(diào)整穩(wěn)壓電源是連續(xù)控制的線性穩(wěn)壓電源。這種傳統(tǒng)穩(wěn)壓電源技術(shù)比較成熟，并且已有大量集成化的線性穩(wěn)壓電源模塊，具有穩(wěn)定性能好、輸出紋波電壓小、使用可靠等優(yōu)點。但通常都需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器。由于調(diào)整管工作在線性放大狀態(tài)，為了保證輸出電壓穩(wěn)定，其集電極與發(fā)射機之間必須承受較大的電壓差，導致調(diào)整管功耗較大，電源效率很低，一般只有45%左右。另外，由于調(diào)整管上消耗較大的功率，所以需要采用大功率調(diào)整管并裝有體積很大的散熱器，很難滿足現(xiàn)代電子設(shè)備的發(fā)展要求[2]。在近半個多世紀的發(fā)展過程中，開關(guān)電源因具有體積小、重量輕、效率高、發(fā)熱量低、性能穩(wěn)定等優(yōu)點逐漸取代傳統(tǒng)技術(shù)制造的連續(xù)工作電源，并在電子整機與設(shè)備中得到廣泛的應(yīng)用[3]。在電力電子線路方面，高頻化已成為發(fā)展的重要趨勢。開關(guān)電源的高頻化是電源技術(shù)發(fā)展的創(chuàng)新技術(shù)，高頻化帶來的效益是使開關(guān)電源裝置空前地小型化，并且是開關(guān)電源計入更廣泛的領(lǐng)域，特別在高新技術(shù)領(lǐng)域的應(yīng)用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化[4]。另外，開關(guān)頻率的提高也是的電源的電磁干擾問題變得突出起來。為了解決這一問題，20世紀80年代，出現(xiàn)了采用準諧振技術(shù)的零電壓開關(guān)電路和零電流開關(guān)電路，這種技術(shù)被稱為軟開關(guān)技術(shù)。雖然近年來使用軟開關(guān)的高頻開關(guān)直流電源己經(jīng)得到廣泛的應(yīng)用，但是大部分都是在中小功率的場合。而在大功率場合（像大型機車、通訊基站等）普遍采用的都是硬開關(guān)[5]。提高在大功率場合中的軟開關(guān)的應(yīng)用是非常必需的。開關(guān)電源技術(shù)的成熟,實現(xiàn)高效率用電和高品質(zhì)用電相結(jié)合。這幾年,隨著科學技術(shù)的發(fā)展和社會發(fā)展要求，開關(guān)電源技術(shù)吸引了國內(nèi)外一大批科技人員對其進行開發(fā)研究。開關(guān)電源代替線性電源和相控電源是大勢所趨,因此,同樣具有幾十億產(chǎn)值需求的電力操作電源系統(tǒng)的國內(nèi)市場正在啟動,并將很發(fā)展起來[6]。還有其它許多以開關(guān)電源技術(shù)為核心的專用電源、工業(yè)電源正在等待著人們?nèi)ラ_發(fā)。1.2開關(guān)電源的國內(nèi)外研究動態(tài)：1.2.1開關(guān)電源發(fā)展史國內(nèi)的研究動態(tài)：21世紀我國通信、信息、家電和國防等領(lǐng)域的電源普遍采用高頻開關(guān)電源，相控電源將逐漸被淘汰。國內(nèi)開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展，基本上起源于20世紀70年代末和80年代初。當時引進的開關(guān)電源技術(shù)在高等院校和一些科研院所停留在試驗開發(fā)和教學階段[7]。20世紀80年代中期開關(guān)電源產(chǎn)品開始推廣和應(yīng)用。20世紀80年代開關(guān)電源的特點是采用20KHz，脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，效率可達65%—70%。經(jīng)過20多年的不斷發(fā)展，開關(guān)電源技術(shù)有了重大的進步和突破。新型功率器件的開發(fā)促進了開關(guān)電源你的高頻化，功率MUSFEET和IGBT可使中小型開關(guān)電源工作頻率達到400kHz，（AC/DC）或1MHz（DC/DC）；軟開關(guān)技術(shù)使高頻開關(guān)電源的實現(xiàn)有了可能，它不僅可以減少電源的體積和重量，而且提高了電源的功率，國產(chǎn)6kW通訊開關(guān)電源，采用軟開關(guān)技術(shù)，效率可達到93%[8]。1.2.2開關(guān)電源發(fā)展方向新型半導體器件的發(fā)展是開關(guān)電源技術(shù)進步的龍頭，電力電子技術(shù)的進步必須依靠不斷推出新型電力電子器件。功率場效應(yīng)管（MOS-FET）由于采用單極性多子導電，是開關(guān)時間顯著地減小，又因其很容易達到1MHz的開關(guān)工作頻率而受到世人矚目。對于肖特基二極管的開發(fā)，最近利用trench結(jié)構(gòu)，有望出現(xiàn)壓降更小的肖特基二極管，它被稱作TMBS溝槽MOS勢壘肖特基二極管，有可能在極低電源電壓應(yīng)用中與同步整流的MOS-FET競爭[9]。作為半導體器件材料的硅應(yīng)用在半導體器件中已有50余年，硅性能潛力的進一步挖掘時很難的，目前正在研究高性能的碳化硅半導體器件，一旦成功，對于電源技術(shù)的影響將是革命性的[10]。此外，平面變壓器、壓電變壓器及新型電容等原件的發(fā)展，也將對電源技術(shù)的發(fā)展起到重要作用。另外，集成化是開關(guān)電源的一個重要發(fā)展方向。通過控制電路的集成、驅(qū)動電路的集成以及保護電路的集成，最后達到整機的集成化生產(chǎn)。集成化和模塊化減少了外部連線和焊接，提高了設(shè)備性能的可靠性，縮小了電源的體積，減輕了重量。目前，DC/DC開關(guān)電源的功率可達到120120W/in 3。電路集成的進一步發(fā)展方向是系統(tǒng)集成，如現(xiàn)在的逆變器是將200-300個零件裝配在一起成為一個系統(tǒng)。這種做法要花很多時間和人力，成本高，難于做得體積很小[11]。美國VI-COR公司生產(chǎn)的第一代電源模塊受生產(chǎn)技術(shù)、功率、磁元件體積以及封裝技術(shù)的限制，功率密度始終未能超過8080W/in 3。近年來推出的第二代電源模塊，內(nèi)部結(jié)構(gòu)改變?yōu)槟K式，達到高度集成化和全面電腦化，功率密度已經(jīng)達到120120W/in 3[12]。功率因數(shù)的校正是開關(guān)電源研究的另外一個方向。功率因數(shù)校正的概念起源于20世紀80年代，但被重視和推廣則是在80年代末期和90年代[13]。歐洲和日本相繼對開關(guān)電源裝備的輸入諧波要求制定了標準。目前有兩個標準，即IEC555-2和IEC10000-3-2。這使得研究PFC技術(shù)已經(jīng)成為電源界的熱點[14]。通常有兩大類PFC技術(shù)：一類是無源PFC技術(shù)，另外一類是有源PFC技術(shù)。前者采用無源元件來改善輸入功率因數(shù)，減小電源諧波，以滿足標準要求。后者則采用一個變壓器串入整流濾波與DC/DC變換器之間，通過特殊的控制，第一強迫輸入電流跟隨輸入電壓，從而實現(xiàn)單位功率因數(shù)，第二反饋輸出電壓便隨之穩(wěn)定，從而使DC/DC變換器的輸入實現(xiàn)隱喻[15]。隨著開關(guān)電源性能的不斷提高，對于開關(guān)電源的要求也愈來愈高。一個開關(guān)電源的品質(zhì)除了電性能指標外，還有許多其他指標，如環(huán)境溫度、外形尺寸、EMI要求、抗振動要求、可靠性指標、集成度和美觀性等[16]?？傊?，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性事大勢所趨，也是今后的主要研究方向。二、研究的基本內(nèi)容，擬解決的主要問題：2.1研究的基本內(nèi)容：開關(guān)電源通常都包含四個電流回路：電源開關(guān)交流回路、輸入信號源電流回路、輸出整流交流回路和輸出負載電流回路。這些交流回路電流中諧波成分很高，其頻率遠大于開關(guān)頻率，峰值幅度很高。這三個回路最容易產(chǎn)生電磁干擾，因此必須在電源中其它印制線布線之前先布好這些交流回路。因此，研究的內(nèi)容如下：（1）開關(guān)電源的總體結(jié)構(gòu)框圖（2）開關(guān)電源的典型結(jié)構(gòu)的選擇（3）功率模塊及功率集成電路的選擇（4）確定開關(guān)電源的主電路圖（5）設(shè)計開關(guān)電源的控制電路（6）整體元器件的選擇和計算（7）繪制電路圖，制作PCB板2.2解決的主要問題：(1)確定開關(guān)電源主電路結(jié)構(gòu)(2)功率模塊及功率集成電路的選擇(3)各個回路電流中的電子器件的選用(4)PCB板制作過程中元器件的排線放置三、研究步驟、方法及措施：步驟及方法：(1)了解國內(nèi)外開關(guān)電源的發(fā)展方向和研究動態(tài)。(2)熟悉開關(guān)電源的工作原理及設(shè)計流程。(3)結(jié)合所設(shè)計電路圖選擇合理的元器件。(4)利用AltiumDesignerSummer制圖軟件畫出電路圖，并制作PCB板。(5)完成開關(guān)電源的設(shè)計。措施：圖書館查找相關(guān)的書籍、期刊、雜志等，通過上網(wǎng)尋找相關(guān)的一些資料，查看當代對該技術(shù)的研究成果和最新的動態(tài)。然后通過對這些資料的學習和研究進一步的熟悉和理解設(shè)計所需的相關(guān)知識。在設(shè)計過程中及時與指導老師探討，對不了解的問題及時向老師請教。四、參考文獻[1]侯振義.直流開關(guān)電源技術(shù)及應(yīng)用[M].北京:電子工業(yè)出版社,2006.[2]李金伴,李捷輝.開關(guān)電源技術(shù)[M].北京:化學工業(yè)出版社,2006.[3]周志敏,周紀海,紀愛華.現(xiàn)代開關(guān)電源控制電路設(shè)計及應(yīng)用[M].北京:人民郵電出報社,2005.5[4]劉勝利.現(xiàn)代高頻開關(guān)電源使用技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.[5]張占松.開關(guān)電源的原理及設(shè)計[M].北京:電子工業(yè)出版社,2001.1[6]王水平,王保保,賈靜.單片開關(guān)電源[M].北京:人民郵電出版社,2008.4[7]王兆安,黃俊.電力電子技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2009.6[8]楊旭,裴云慶,王兆安.開關(guān)電源技術(shù)[M].北京:機械工業(yè)出版社,2004.1[9]楊幫文.實用電源電路集錦[M].北京:電子工業(yè)出版社,1998.1[10]宋鑫欣.小功率單片開關(guān)電源的理論與實驗研究[D].北京:北京工業(yè)大學碩士論文,2004[11]周琛.開關(guān)電源PCB排版基本要點[J].電源技術(shù)應(yīng)用.2005，8(9):17~18[12]Moussaoui,Z.;Batarseh,I.;Lee,H.;Kennedy,C.AnoverviewofthecontrolschemefordistributedpowersystemsSouthcon/96[J].ConferenceRecord,25-27June1996:66~67.[13]王曉秋,孫孝端.提高開關(guān)功率因素的方法[J].現(xiàn)代電力,1994,(02）:75~77.[14]FerdinandC.Geerlings.SMPSPowerInductor