小型高效高可靠性开关电源设计研究

发布时间：2017-10-10 23:27

  本文关键词：小型高效高可靠性开关电源设计研究

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【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、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ANSYS Workbench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28 V,输出5 V、12 A条件下进行测试,其效率约为92%,功率密度为2.0 W/cm3,纹波电压64 mV;输入16~36 V,输出5 V、12 A条件下,效率超过90%,纹波电压小于80 mV。将电源模块置于烘箱,在100℃满载输出条件下烤机48 h以上,其间保持稳定工作,效率超过90%。综上,设计的模块电源具有体积小(四分之一砖)、效率高(效率≥90%)、高温可靠性高(100℃满载条件高效稳定工作)等特点,实验结果较好地验证了上述理论分析与模块电源的设计思想。
【关键词】：平面变压器 绕组损耗 有源钳位正激 小型高效 高温可靠性
【学位授予单位】：电子科技大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN86
【目录】：

• 摘要5-7
• ABSTRACT7-11
• 第一章 绪论11-17
• 1.1 引言11-12
• 1.2 国内外研究现状12-15
• 1.3 本论文研究意义以及研究内容15-17
• 1.3.1 本论文的研究意义15
• 1.3.2 本论文的研究内容15-17
• 第二章 平面变压器原理与热设计17-38
• 2.1 变压器结构17-19
• 2.1.1 变压器工作原理18
• 2.1.2 变压器等效电路模型18-19
• 2.2 平面变压器结构特性19-23
• 2.2.1 平面变压器的优点20-21
• 2.2.2 平面变压器的分类21-23
• 2.3 平面变压器的热设计23-28
• 2.3.1 热分析理论23-24
• 2.3.2 平面变压器热设计流程24-28
• 2.4 平面变压器的磁心选择28-37
• 2.4.1 磁心材料28-30
• 2.4.2 磁心损耗30-32
• 2.4.3 磁心型号选择32-37
• 2.5 本章小结37-38
• 第三章 平面变压器绕组结构分析与仿真38-59
• 3.1 绕组损耗分析38-43
• 3.1.1 趋肤效应在绕组中引起的涡流39-41
• 3.1.2 邻近效应在绕组中引起的涡流41-43
• 3.2 平面变压器绕组结构的仿真与分析43-55
• 3.2.1 有限元分析简介43-44
• 3.2.2 交叉换位技术对平面变压器的影响44-53
• 3.2.3 次级绕组并联对平面变压器的影响53-55
• 3.3 Maxwell 3D仿真与热分析55-58
• 3.4 本章小结58-59
• 第四章 开关电源的电路设计59-82
• 4.1 有源钳位正激电路原理分析59-66
• 4.1.1 有源钳位正激电路介绍59-61
• 4.1.2 同步整流技术61-63
• 4.1.3 低边有源钳位正激自驱同步整流电路63-66
• 4.2 功率级电路设计66-70
• 4.2.1 确定滤波电感66
• 4.2.2 输出电容选取66-67
• 4.2.3 钳位电容的选取67-68
• 4.2.4 功率开关管的选取68-70
• 4.3 控制电路设计70-78
• 4.4 电源版图设计78-81
• 4.5 本章小结81-82
• 第五章 实验测试结果与分析82-96
• 5.1 平面变压器测试结果82-84
• 5.2 开关电源测试结果84-94
• 5.2.1 电源效率测试85-88
• 5.2.2 功率开关管开关特性88-92
• 5.2.3 电源纹波特性92-93
• 5.2.4 电源热稳定性93-94
• 5.3 本章小结94-96
• 第六章 结论96-98
• 致谢98-99
• 参考文献99-103
• 攻硕期间取得的研究成果103-104

【参考文献】

中国期刊全文数据库 前10条

1 张国权;徐月朗;;开关电源中线圈的邻近效应研究[J];中国高新技术企业;2010年04期

2 孟建辉;;开关电源的基本原理及发展趋势[J];通信电源技术;2009年06期

3 张宜倜;;变压器温升计算原理分析[J];变压器;2009年09期

4 梁琦;曾庆轩;;开关电源中的平面变压器技术与应用[J];科技导报;2007年16期

5 魏晨;谢运祥;宋静娴;;浅谈开关电源中的平面变压器[J];通信电源技术;2006年05期

6 徐晓婷;朱敏波;杨艳妮;;电子设备热仿真分析及软件应用[J];电子工艺技术;2006年05期

7 李智华;罗恒廉;陈为;;绕组交叉换位对高频变压器参数的影响[J];磁性材料及器件;2006年04期

8 李建兵;牛忠霞;周东方;师宇杰;;印制板平面变压器及其设计方法[J];电气应用;2006年02期

9 旷建军;阮新波;任小永;;集肤和邻近效应对平面磁性元件绕组损耗影响的分析[J];中国电机工程学报;2006年05期

10 王建冈;阮新波;陈军艳;;航空用大功率模块电源的设计及关键技术应用研究[J];电工技术学报;2005年12期

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本文编号：1009228