基于隔离电源的高频整流电路的设计与研究
发布时间：2021-06-13 19:12
随着物联网概念的深入,“智慧物联”越来越多地在人们的生活和工作场景中被应用。隔离电源因其能在电气隔离的情况下实现能量传输的特性,以及抗干扰性好、隔离度高、体积小、可集成度高等优势,在医疗设备、电子通信、智慧家电和工业监测等应用中备受青睐。隔离电源大多存在转换效率不高的情况,如何提高隔离电源的效率具有重要的研究意义。本文主要对隔离电源中能耗较高的整流电路模块进行研究与设计,通过对整流模块的优化进一步提高隔离电源的功率转换效率。利用栅极交叉耦合、自举电容、动态体偏置和有源二极管等全波整流技术,设计了三种CMOS高频整流电路:无源整流电路、PMOS有源整流电路和有源自举整流电路。三种整流电路应用于隔离电源系统时,均能实现稳定的输出,其中无源整流电路和有源自举整流电路在高频下具有良好的稳定性和转换效率,其功率转换效率分别在73%和83%左右。所设计的隔离电源系统由整流电路、振荡器和变压器等主要能耗模块,以及基准电源、偏置电路、PWM信号和环路补偿等外围模块组成。在系统上电后,振荡器在原边产生频率为196MHz的交流信号,由变压器耦合至副边,经CMOS全波整流以及环路控制后产生稳定的直流输出。隔...
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
隔离电源系统组成
电子科技大学硕士学位论文6目前，隔离器件按隔离技术可分为电容隔离器、光耦隔离器和磁耦合隔离器[14]。其中，电容隔离器是利用电容隔离直流的特性来实现信号的隔离与传输，交流信号通过RC高通滤波网络传输至副边电路，其结构如图2-2(a)所示。光耦隔离利用光来实现信号的传输与隔离，通常由发送模块和接收模块共同组成，其结构如图2-2(b)所示。输入信号在发光二极管上产生一定波长的光，传输到接收模块上被光敏器件接收后转化为电信号，再通过放大器放大输出，以实现电气隔离和电能→光能电能的能量转化与传输过程。磁耦隔离也称为变压器隔离，它利用变压器初级线圈产生磁通，在次级线圈中感应出电流，通过磁场的变化来进行信号传输，其拓扑如图2-2(c)所示。(a)(b)(c)图2-2常用的三种隔离器件；(a)电容隔离；(b)光耦隔离；(c)磁耦合隔离表2-2不同隔离器件的特点比较隔离器类型优势劣势集成度基于SiO2的电容式数字隔离器低功耗寿命长隔离能力较差抗干扰能力差高基于聚合物的光耦隔离器隔离能力强抗噪声和外部干扰能力强高功耗反应慢低基于聚酰亚胺的磁耦合数字隔离器隔离能力强信号传输快易受外部磁场影响功耗高高表2-2为三种隔离器件的代表性产品的特点比较。三类隔离器件中，磁耦合隔离器件在隔离能力、传输速度、稳定性和集成度方面有着明显的优势，因此我们
第二章隔离电源系统7在设计中选择磁耦合隔离方式来对隔离电源进行设计。图2-3为隔离电源系统结构示意图。功率隔离器中的电感线圈与M1/M2晶体管的栅极电容形成LC谐振，经振荡在变压器的原边产生频率较高的交流信号VAC经过功率隔离器传输到变压器副边，经过全波整流电路整流得到直流输出VISO。负载的变化通过分压电阻传输至误差放大器输入端，其与基准电压的差值被误差放大器放大后与三角波电路共同经过比较器产生PWM信号，该PWM信号通过数字编码、译码后传输至振荡器的尾管栅极，根据占空比调节振荡器的工作时间。数字隔离器的运用使得隔离系统实现了良好的模拟-数字-模拟之间的隔离，同时，由电阻Ra、Rb和电容C1、C2组成电压反馈网络对输出变化进行补偿，使得系统具有良好的稳定性。隔离系统有两种电压转换方式：3.3V-3.3V，5-5V，通过片外选择信号VSEL实现输出的转换。图2-3隔离电源系统设计2.2振荡器与外围电路2.2.1振荡器的设计振荡器是一种能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路，在医疗器械、电子电路和工业等诸多领域均有应用。负阻型振荡器在发展中逐渐演变出B类振荡器[15]、C类振荡器[16]和D类振荡器[17]。在应用中，我们期望振荡器有较高的电压幅度、优秀的转换效率、良好的频率稳定度和相位噪声。常用的B类振荡器结构如图2-5(a)所示，而D类振荡器在结构上比B类振荡器少了尾电流源和尾电容，有着更好的相位噪声。D类振荡器的拓扑结构如图2-4所示，主要由
【参考文献】：
期刊论文
[1]医疗设备中开关电源的隔离和应用[J]. 赵宏杰,李冶. 医疗装备. 2020(05)
[2]电源技术在现代电子系统中的发展[J]. 李林. 中国科技信息. 2020(Z1)
[3]电源电子技术在降低能耗中的研究[J]. 姚煜. 电子世界. 2020(02)
[4]医用隔离电源及其在医院的应用[J]. 崔志凯. 智慧健康. 2019(34)
[5]电子电气电路的隔离技术分析[J]. 庄文卿. 电子世界. 2019(04)
[6]TI新型隔离器件为工业与汽车系统保驾护航[J]. 芦潇静. 单片机与嵌入式系统应用. 2018(12)
[7]一种用于汽车防撞雷达的高隔离度阵列天线[J]. 樊宇星,何芒. 微波学报. 2018(S1)
[8]浅谈医用隔离电源在ICU病房中的应用[J]. 管德赛. 现代医院. 2015(11)
[9]隔离电源及其在高压氧舱的应用[J]. 张敦晓,魏建芬,罗学文. 医疗卫生装备. 2014(04)
[10]医用隔离电源及其在医院的应用[J]. 刘建新,邢家伟,王博,王亚萍,苏磊. 中国医疗设备. 2013(01)
硕士论文
[1]具有高共模瞬态抑制的片上变压器设计与研究[D]. 陈举龙.电子科技大学 2018
[2]基于CMOS工艺的电感电容振荡器相位噪声和电流效率研究[D]. 王子松.中国科学技术大学 2015
[3]基于片上变压器的电源隔离芯片的研究与设计[D]. 盛诗敏.电子科技大学 2014
[4]基于片上变压器的数字隔离器的分析与设计[D]. 张风体.电子科技大学 2014
本文编号：3228154
【文章来源】：电子科技大学四川省 211工程院校 985工程院校 教育部直属院校
【文章页数】：88 页
【学位级别】：硕士
【部分图文】：
隔离电源系统组成
电子科技大学硕士学位论文6目前，隔离器件按隔离技术可分为电容隔离器、光耦隔离器和磁耦合隔离器[14]。其中，电容隔离器是利用电容隔离直流的特性来实现信号的隔离与传输，交流信号通过RC高通滤波网络传输至副边电路，其结构如图2-2(a)所示。光耦隔离利用光来实现信号的传输与隔离，通常由发送模块和接收模块共同组成，其结构如图2-2(b)所示。输入信号在发光二极管上产生一定波长的光，传输到接收模块上被光敏器件接收后转化为电信号，再通过放大器放大输出，以实现电气隔离和电能→光能电能的能量转化与传输过程。磁耦隔离也称为变压器隔离，它利用变压器初级线圈产生磁通，在次级线圈中感应出电流，通过磁场的变化来进行信号传输，其拓扑如图2-2(c)所示。(a)(b)(c)图2-2常用的三种隔离器件；(a)电容隔离；(b)光耦隔离；(c)磁耦合隔离表2-2不同隔离器件的特点比较隔离器类型优势劣势集成度基于SiO2的电容式数字隔离器低功耗寿命长隔离能力较差抗干扰能力差高基于聚合物的光耦隔离器隔离能力强抗噪声和外部干扰能力强高功耗反应慢低基于聚酰亚胺的磁耦合数字隔离器隔离能力强信号传输快易受外部磁场影响功耗高高表2-2为三种隔离器件的代表性产品的特点比较。三类隔离器件中，磁耦合隔离器件在隔离能力、传输速度、稳定性和集成度方面有着明显的优势，因此我们
第二章隔离电源系统7在设计中选择磁耦合隔离方式来对隔离电源进行设计。图2-3为隔离电源系统结构示意图。功率隔离器中的电感线圈与M1/M2晶体管的栅极电容形成LC谐振，经振荡在变压器的原边产生频率较高的交流信号VAC经过功率隔离器传输到变压器副边，经过全波整流电路整流得到直流输出VISO。负载的变化通过分压电阻传输至误差放大器输入端，其与基准电压的差值被误差放大器放大后与三角波电路共同经过比较器产生PWM信号，该PWM信号通过数字编码、译码后传输至振荡器的尾管栅极，根据占空比调节振荡器的工作时间。数字隔离器的运用使得隔离系统实现了良好的模拟-数字-模拟之间的隔离，同时，由电阻Ra、Rb和电容C1、C2组成电压反馈网络对输出变化进行补偿，使得系统具有良好的稳定性。隔离系统有两种电压转换方式：3.3V-3.3V，5-5V，通过片外选择信号VSEL实现输出的转换。图2-3隔离电源系统设计2.2振荡器与外围电路2.2.1振荡器的设计振荡器是一种能将直流电转换为具有一定频率交流电信号输出的电子电路，在医疗器械、电子电路和工业等诸多领域均有应用。负阻型振荡器在发展中逐渐演变出B类振荡器[15]、C类振荡器[16]和D类振荡器[17]。在应用中，我们期望振荡器有较高的电压幅度、优秀的转换效率、良好的频率稳定度和相位噪声。常用的B类振荡器结构如图2-5(a)所示，而D类振荡器在结构上比B类振荡器少了尾电流源和尾电容，有着更好的相位噪声。D类振荡器的拓扑结构如图2-4所示，主要由
【参考文献】：
期刊论文
[1]医疗设备中开关电源的隔离和应用[J]. 赵宏杰,李冶. 医疗装备. 2020(05)
[2]电源技术在现代电子系统中的发展[J]. 李林. 中国科技信息. 2020(Z1)
[3]电源电子技术在降低能耗中的研究[J]. 姚煜. 电子世界. 2020(02)
[4]医用隔离电源及其在医院的应用[J]. 崔志凯. 智慧健康. 2019(34)
[5]电子电气电路的隔离技术分析[J]. 庄文卿. 电子世界. 2019(04)
[6]TI新型隔离器件为工业与汽车系统保驾护航[J]. 芦潇静. 单片机与嵌入式系统应用. 2018(12)
[7]一种用于汽车防撞雷达的高隔离度阵列天线[J]. 樊宇星,何芒. 微波学报. 2018(S1)
[8]浅谈医用隔离电源在ICU病房中的应用[J]. 管德赛. 现代医院. 2015(11)
[9]隔离电源及其在高压氧舱的应用[J]. 张敦晓,魏建芬,罗学文. 医疗卫生装备. 2014(04)
[10]医用隔离电源及其在医院的应用[J]. 刘建新,邢家伟,王博,王亚萍,苏磊. 中国医疗设备. 2013(01)
硕士论文
[1]具有高共模瞬态抑制的片上变压器设计与研究[D]. 陈举龙.电子科技大学 2018
[2]基于CMOS工艺的电感电容振荡器相位噪声和电流效率研究[D]. 王子松.中国科学技术大学 2015
[3]基于片上变压器的电源隔离芯片的研究与设计[D]. 盛诗敏.电子科技大学 2014
[4]基于片上变压器的数字隔离器的分析与设计[D]. 张风体.电子科技大学 2014
本文编号：3228154
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