小型高效高可靠性开关电源设计研究

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1、告i句泼J:葦UNIVERSITYOFEk民CTRONIHNOLOGYOFCH1CSC巨NCEANDT巨CINA硕±学位论文MASTERTHESISW■论义题口小型高效高可靠性井关电源设计妍究学科专业材料科学与工程学号201321030613—作省姓名王俊陶梢诗教师孙科副教授4■■',4'■独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知,除了文中特别加标注和致谢的地方夕h论文中不包含其他人B经发表或撰写

2、过的研究成果,也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。■Gl;^L作者签名=日期;Zk年月日论义使用授权本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定,有权保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和磁盘,光许论文彼查阅和借阅。本人授权电子科技大学可将学位论文的全、部或部分内容编入有关数据库进行检索,可采用影印缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。?(保密的学位论文在解密后应遵守此规定

3、)^2作者签名:1导师签名:'日期;七cWL年k月^日分类号密级注1UDC学位论文小型高效高可靠性开关电源设计研究(题名和副题名)王俊陶(作者姓名)指导教师孙科副教授电子科技大学成都(姓名、职称、单位名称)申请学位级别硕士学科专业材料科学与工程提交论文日期2016.4论文答辩日期2016.5学位授予单位和日期电子科技大学2016年6月答辩委员会主席评阅人注1:注明《国际十进分类法UDC》的类号。DESIGNANDSTUDYOFMINIATURIZED,HIGHEFFICIENCYANDRELIABILITYSWITCHINGPOWERS

4、UPPLYAMasterThesisSubmittedtoUniversityofElectronicScienceandTechnologyofChinaMajor:MaterialsScienceandEngineeringAuthor:JuntaoWangSupervisor:A.P.KeSunSchool:SchoolofMicroelectronicsandSolid-StateElectronics摘要摘要随着电子设备向高集成度、高效率、低功耗的方向发展,其对电源系统的要求也越来越高。模块电源由于其体积小、重量轻、应用灵活等特点,在计算机、

5、通信、航空航天等领域得到了广泛的应用。与此同时,对模块电源的工作效率、功率密度、可靠性方面提出了更高要求。半导体器件的飞速发展为模块电源带来了更高的集成度与效率,相比之下,体积占比最大的功率磁性器件的发展则相对较慢。本文从模块电源中发热量最大、功耗最高的变压器出发,提升变压器的效率与可靠性。采用有源钳位正激电路拓扑,优化电路设计与PCB布局,最终完成小型高效、高可靠性模块电源的设计。首先,对变压器的相关理论做了介绍和分析。相较于传统变压器,平面变压器具有体积小、漏感低、生产一致性高等诸多优点,非常适用于小型隔离DC/DC模块电源。由于平面变压器特殊的结

6、构,其设计过程与传统变压器不完全一致,进而提出了针对平面变压器的热设计流程。其次,针对平面变压器的绕组结构进行优化分析。在高频工作时,平面变压器的绕组会受趋肤效应和邻近效应的影响,其损耗以及漏感等寄生参数会发生改变。本文利用有限元电磁分析软件Maxwell对绕组结构仿真,结合理论对其分析说明。结果表明,采用交叉换位技术能有效降低平面变压器的漏感和绕组损耗。利用ANSYSWorkbench软件平台对所设计的平面变压器电磁-热耦合分析,仿真得到的变压器温升满足设计要求。接着,分析了有源钳位正激电路拓扑,其具有较低的电压应力、较宽的输入电压适应范围以及较高的

7、工作效率,适用于各类中小功率电源。并且与单端正激变换器相比,无需复位绕组结构,具有更高的磁心利用率。隔离变压器副边采用自驱同步整流技术,能有效降低肖特基整流二极管带来的传输损耗。采用TI公司LM5025D控制芯片,完成电源功率级和控制级电路设计,并在电源的器件选型以及PCB布局上做出优化。最后,结合平面变压器设计成果和相关电路计,最终完成模块电源样机的制作。模块电源在室温,标准输入28V,输出5V、12A条件下进行测试,其效率约为92%,功率密度为2.0W/cm3,纹波电压64mV;输入16~36V,输出5V、12A条件下,效率超过90%,纹波电压小于

8、80mV。将电源模块置于烘箱,在100℃满载输出条件下烤机48h以上,其间保持稳定工作,效率超

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