门控器电源模块设计

摘要 DC/DC开关电源以其高效率、集成度高的特点在便携式电子产品中得到了广泛的应用。随着集成电路技术的发展，结构复杂但性能更好的峰值电流模式PWM DC/DC开关电源变换器已经成为市场的主流。 本文介绍了DC-DC转换器各种拓扑结构及其工作原理，并重点分析了降压型DC-DC转换器在连续电流模式和非电流连续模式下的工作原理。描述了DC-DC转换器的控制方法，详细阐述了脉宽调制中电压控制模式和电流控制模式的基本原理，分析比较了它们各自的优缺点。 本文设计了两款输入110V直流，输出分别为5V/10W,24V/50W的小功率开关稳压电源。并重点分析了它的工作原理、系统结构。该DC-DC转换器子模块包括主电路、误差放大电路、PWM比较电路。并绘制了PCB图。 关键词：DC-DC 脉宽调制 电压控制 开关电源的发展历史 开关电源的发展历史可以追溯到几十年前，可分为下列几个时期： （1）电子管稳压电源时期(1950年代)。此时期主要为电子管直流电源和磁饱和交流电源，这种电源体积大、耗能多、效率低。 （2）晶体管稳压电源时期(1960年代-1970年代中期)。随着晶体管技术的发展，晶体管稳压电源得到迅速发展，电子管稳压电源逐渐被淘汰。 （3）低性能稳压电源时期(1970年代-1980年代末期)。出现了晶体管自激式开关稳压电源，工作频率在20kHz以下，工作效率60%左右。随着压控功率器件的出现，促进了电源技术的极大发展，它可使兆瓦级的逆变电源设计简化，可取代需要强迫换流的晶闸管，目前仍在使用。功率MOSFET的出现，构成了高频电力电子技术，其开关频率可达l00kHz以上，并且可并联大电流输出。 （4）高性能的开关稳压电源时期(1990年代~至今)。随着新型功率器件和脉宽调制(PWM)电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用，出现了小体积、高效率、高可靠性的混合集成DC-DC电源。由于开关电源功耗小、效率高(可高达70%-95%)、体积小、重量轻、稳压范围宽、滤波效率高、不需要大容量滤波电容等优点，而线性电源效率低(一般低于50%)，并且电压转换形式单一(只有降压)等缺点，如今开关电源已逐渐取代线性电源。当然线性电源因为其低噪声、低纹波的优点，在一些电子测量仪器、代线性电源AD/DA和取样保持电路中，线形电源仍然无法被开关电源取代。 1.3开关电源的发展展望 1.半导体和电路器件是开关电源发展的重要支撑功率半导体器件仍然是电力电子技术发展的“龙头”，电力电子技术的进步必须依靠不断推出的新型电力电子器件。 功率场效应管(MOSFET)由于单极性多子导电，显著地减小了开关时间，因而很容易地便可达到1MHz的开关工作频率而受到世人瞩目。但是MOSFET，提高器件阻断电压必须加宽器件的漂移区，结果使器件内阻迅速增大，器件的通态压降增高，通态损耗增大，所以只能应用于中小功率产品。为了降低通态电阻，美国IR公司采用提高单位面积内的原胞个数的方法。如IR公司开发的一种HEXFET场效应管，其沟槽(Trench)原胞密度已达每平方英寸1.12亿个的世界最高水平，通态电阻R可达3m?。功率MOSFET，500V、TO220封装的HEXFET自1996年以来，其通态电阻以每年50%的速度下降。IR公司还开发了一种低栅极电荷(Qg)的HEXFET，使开关速度更快，同时兼顾通态电阻和栅极电荷两者同时降低，则R×Q的下降率为每年30%。对于肖特基二极管的开发，最近利用Trench结构，有望出现压降更小的肖特基二极管，称作TMBS-沟槽MOS势垒肖特基，而有可能在极低电源电压应用中与同步整流的MOSFET竞争。 2.高频、高效、低压化、标准化是开关电源主要发展趋势： 1）低电压化 半导体工艺等级在未来十年将从0.18微米向50纳米工艺迈进，芯片所需最低电压最终将变为0.6V，但输出电流将朝着大电流方向发展。据市场调查得知，随着半导体工艺的发展，未来用户所需电源电压有下降的趋势。 2）高效化 应用各种软开关技术，包括无源无损软开关技术、有源软开关技术，如ZVS/ZCS谐振、准谐振；恒频零开关技术；零电压、零电流转换技术及目前同步整流用MOSFET代替整流二极管都能大大地提高模块在低输出电压时的效率，而效率的提高使得敞开式无散热器的电源模块有了实现的可能。这类模块是当今世界模块潮流，必将得到广泛应用。随着器件性能的改变，电源效率即将达到92%（5V）、90%（3.3V）、87.5%（2V）。 3）大电流、高密度化 1991年高功率密度定义为每立方英寸输出功率为25W，以后逐年增加，1994年为每立方英寸36W、1999年为每立方英寸52W、2001年每立方英寸为96W。现在每立方英寸达数百瓦的程度。在全球范围内，高功率密度直流转换模块市场以每年16.8%的增长速度向前发展。输出电流将增长到半砖80A、1/4砖50A，目前日本TDK公司推出新一代分布式隔离型DC－DC转换器，其参数为1/4砖：输入电压42～58V、输出电压12V、输出电流27A、效率为95%，功率密度已达每立方英寸236W；1/8砖：输入电压42～58V、输出电压12V、输出电流13.5A、效率为95%，功率密度已达每立方英寸214W。 4）高频化 为了缩小开关电源的体积，提高电源的功率密度并改善其动态响应，小功率DC－DC变换器的开关频率已将现在的200～500kHz提高到1MHz以上，但高频化又会产生新的问题，如开关损耗以及无源元件的损耗增大，高频寄生参数以及高频电磁干扰增大等。 5）在封装结构上正朝着薄型，甚至超薄型方向发展以前标准模块的高度是0.5英寸，最近这个高度已下降到0.375英寸，一般客户要求薄型封装尺寸为7.5mm（0.295英寸）、8.5mm（0.335英寸）和10mm（0.394英寸）。外形尺寸趋于国际标准化尺寸，多为1/8、1/4、1/2、3/4和全砖式结构，输出端子相互兼容的设计日趋明显。模块内部控制电路倾向于采用数字控制方式，非隔离式DC－DC变换器比隔离式增长速度快，分布式电源比集中式电源发展快。 电力电子技术的发展带动了电源技术的发展，而电源技术的发展有效地促进了电源产业的发展。迄今为止电源制造业已成为非常重要的基础产业，并广泛应用于各个部门，其发展趋势为：继续朝高频、高效、高密度化、低压、大电流化和多元化发展。而封装结构、外形尺寸日趋国际标准化，以适应全球一体化市场的要求，进而使电源产业进入国际市场。 1.4 设计内容 由于单端反激式变换器的电路简单， 所用元器件少，可以高效提供直流输出，故适用于中小功率和多路输出的场合。在这些应用中它与单片开关电源芯片结合在一起，不仅极大地简化了外围电路设计，降低了成本，增强了系统的可靠性，而且缩短了研发周期，提高了电源效率，并大大较小了电源体积、减轻了电源重量。在此分析了单端反激式变换器的工作原理，并以FSDM0265 为核心设计了一款5 V/10W的开关电源。以及UC3842为核心设计一款24V/50W的开关电源。