大功率通信电源开关设计与仿真

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1、目录一．国内外开关电源的发展现状二．控制策略和控制电路设计三．稳态分析四．参数设计及元器件的选择五．仿真结果七．遇到的问题及解决方案1、国内外开关电源的发展现状现代社会各个方面都离不开现代化的通信。而任何一种现代通信设备如程控交换机、光通信、无线通信等，一刻都离不开电。通信电源是确保通信系统正常运行的关键设备，是整个电信网的“心脏”。通信电源是整个电信网的重要组成部分，电源设备质量的优劣，决定着整个电信网能否安全稳定的运行。通信电源分为一次电源和二次电源两大类。一次电源将交流电转换成稳定的直流电接入通信设备；而二次电源一般位于通信设备内部，将一次电

2、源的直流电转换成多种电压值的稳定直流电以供通信设备内部各部分使用。自20世纪50年代美国宇航局以小型化、重量轻为目标为搭载火箭开发开关电源以来，在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因具有体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。20世纪80年代，计算机全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代。20世纪90年代，开关电源在电子、电气设备、家电领域得到了广泛的应用，开关电源技术进入快速发展时期。开关型稳压电源采用功率半导体器件作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压。由于

3、功率器件的发展与应用，使得开关电源功耗小、效率高、重量轻、体积小的优点。另外，由于功耗小，机内温升低，提高了整机的稳定性和可靠性。随着开关电源的发展，它的高频化成为电源技术发展的创新技术，高频化带来的效益是使开关电源装置空前地小型化，并使开关电源进入更广泛的领域，特别是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化，另外开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义。21世纪开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面。①小型化、薄型化、轻量化、高频化。②高可靠性。③低噪声。④采用计算机辅助和控制。1.1国外开关电源的

4、发展现状自20世纪90年代以来，随着通信用开关电源技术的广泛应用和不断深入，许多新的领域和新的要求对开关电源提出了更新更高的挑战。开关电源的输入要求变得更严格了；输出则派生出许多特殊的应用领域，研制和开发的难度变得更大了。正是由于外界的这些要求推动了两个开关电源的分支技术一直成为当今电力电子的研究课题，即有源功率因数校正技术和低压大电流高功率DC/DC变换技术。另外由于技术性能和要求的提高使得许多相关技术课题的研究，例如EMI技术、PCBLayout问题、热理论的分析、集成磁技术、新型电容技术、新型功率器件技术、新型控制以及结构和工艺等正在迅速增加

5、。对于开关电源电路器件诸如半导体器件、新型变压器、超容电容器的发展，欧美国家一直都处于世界领先水平。例如美国的麦克韦尔公司开发生产的具有广泛使用范围的超容电容器单元和组件，单元容量小到10F，大到2700F，可以方便地串联组合成高压组件或并联组合成高能量存储组件，一直保持着超容电容器技术的世界领先地位。开关电源的发展方向是模块化、集成化和智能化。近几年来具有各种控制功能的专用芯片发展很迅速，如功率因数校正（PFC）电路用的控制芯片，软开关控制用的ZVS、ZCS芯片，移相全桥用的ZCT、PWM专用控制芯片，并联均流控制芯片以及电流反馈控制芯片等。功率

6、半导体器件则有功率集成电路（PowerIC）和IPM。IPM以IGBT作为功率开关，将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在一个模块内。由于外部接线、焊点减少，可靠性显著提高。集成化、模块化使电源产品体积更小、可靠性更高，给应用带来极大方便。低压大电流高功率DC/DC变换技术，已从前些年的3.3V降至现在的1.0V左右，电流目前已可达到几十安至几百安。同时，电源的输出指标，如纹波、精度、效率、欠冲、过冲等技术指标也得到进一步的提高。随着开关电源性能的提高，实际工作中人们对开关电源的要求也愈来愈高，提出了应用技术的高频化、硬件结构的模块化、软件控制的数

7、字化、产品性能的绿色化等新型概念，新一代电源的技术含量大大提高，使之更加可靠、稳定、高效、小型、安全。在高频化方面，为提高开关频率并克服一般的PWM和准谐振、多谐振变换器的缺点，又开发了相移脉宽调制零电压开关（PSPWMZVS，PhaseShiftPulseWidthModulationZeroVoltageSwitch）（零电流）谐振变换器，这种电路克服了PWM方式硬开关造成的较大的开关损耗的缺点，又实现了恒频工作，克服了准谐振和多谐振变换器工作频率变化及电压、电流幅度大的缺点。采用这种工作原理，大大减小了开关管的损耗，不但提高了效率也提高了工作

8、频率，减小了体积，更重要的是降低了变换电路对分布参数的敏感性，拓宽了开关器件的安全工作区，在一定程度上降低了对器件的要求，