论文题目：高性能可编程数字线性电源系统研究与设计
摘要：随着现代电子技术的快速发展,电子设备对电源的要求也越来越高。其中,常见的可调线性直流电源采用纯线性稳压结构实现原理较为传统的同时,仍基本采用按键与旋钮相结合的机械操作方式。因此,本文针对这种电源存在的电能转换效率低、按键易失灵、体积大且笨重、输出电压精度低等缺陷,开展了符合现代电子技术发展需求的可调线性直流电源研究工作。本文在研究的基础上,设计了一种多级串联的可编程的数字线性直流电源系统。系统在有利于电源安装前提下,分为AC-DC模块、可编程调整模块、数字控制模块和辅助板四大模块。具体研究工作如下:首先,为了提高功率因数,减小电网的谐波污染和提高电源转换效率及功率密度,决定采用Boost PFC加LLC谐振变换的两级串联结构实现AC-DC模块。随后详细分析了Boost PFC电路的工作原理及控制方法,并对其参数设计进行了仿真分析且实物验证该功率因数接近1。其次,分析了LLC谐振电路在不同工作频率的工作原理,并利用基波近似法建立了LLC谐振网络的等效电路模型,分析了工作在软开关条件下,谐振参数对电压增益的影响以及各参数相互之间的关系,根据实际设计要求,给出了参数设计方法。通过对LLC谐振变换器电路进行仿真分析和实物测试,实现了高功率密度输出和输出效率可达91%。然后,为了使来自AC-DC模块的固定输出电压实现可调稳定输出,可编程调整模块采用基于数字控制融合Buck变换器和线性稳压技术的设计方案,该方案综合了开关电源、线性电源和数字控制的优点,可实现高效率、高精度和低纹波输出。分析了开关预调节电路和线性后调节电路的工作原理,给出了可编程调整模块的核心电路的设计方法,并给出了仿真分析和实物验证,实现前级跟随后级的可编程输出,完成可编程调整模块高性能输出。最后,分析了数字调整模块和辅助板的功能,并完成了两个模块的实物设计。随后完成了系统整体的架构设计和硬件模块的组装,搭建了电源样机并在实验室中对该电源系统的各项性能进行了多次反复测试。实验证明:该电源可以在0-40V和0-5A范围内,实现1m V与1m A步长连续可调,电源调整率低于0.1%,负载调整率低于1%,纹波及噪声低于2m Vrms,电压精确度达0.03%设定值+8m V,最大效率可达80%,整机重量达3kg。优于实验室使用的直流电源SPD3303C,具有实际应用价值。综上,本电源系统通过数字控制方式,并融合开关稳压和线性稳压技术的设计方案,实现了高效率、高精度、低纹波、重量低的优势,为线性电源设计提供一种设计方案。
关键词：Boost PFC;LLC谐振变换器;开关预调节;线性后调节;数字控制;
学科专业：电工理论与新技术
摘要
abstract
第1章 绪论
1.1 课题研究背景及意义
1.2 国内外研究现状
1.3 本文的主要工作
1.4 本文的组织结构
第2章 电源系统的总体设计
2.1 电源系统的总体设计
2.1.1 电源的主要功能
2.1.2 系统的设计方案
2.2 有源功率因数校正
2.2.1 功率因数和总谐波失真
2.2.2 PFC的分类和工作模式
2.2.3 Boost PFC的参数设计
2.2.4 Boost PFC的仿真及实验分析
2.3 AC-DC模块的DC-DC变换器
2.3.1 DC-DC变换器损耗模型
2.3.2 DC-DC变换器的选取
2.4 线性稳压电路
2.5 本章小结
第3章 半桥LLC谐振变换器
3.1 半桥LLC谐振变换器电路结构
3.2 半桥LLC谐振变换器的工作模态分析
3.3 谐振变换器稳态建模分析
3.3.1 基于FHA稳态等效电路
3.3.2 直流增益分析
3.3.3 ZVS条件下的k、Q关系
3.4 变换器实际设计
3.4.1 LLC谐振变换器参数设计
3.4.2 主电路器件选型
3.4.3 变压器设计
3.5 仿真分析及实验分析
3.5.1 仿真及结果分析
3.5.2 实物测试验证
3.6 本章小结
第4章 可编程调整模块设计
4.1 高效稳压设计
4.1.1 预调节工作原理
4.1.2 芯片选型与预调节电路设计
4.1.3 线性稳压后调节电路
4.1.4 可编程调整电路仿真
4.2 高精度稳压调节
4.2.1 参考电压与误差放大
4.2.2 高性能采样电路
4.3 辅助电源设计和快恢复设计
4.3.1 辅助电源设计
4.3.2 快恢复电路设计
4.4 可编程调整模块实物验证
4.5 本章小结
第5章 系统集成及测试
5.1 数字控制模块
5.2 系统工作原理
5.2.1 系统完整结构
5.2.2 系统工作流程
5.3 性能测试及分析
5.3.1 转换效率测试及分析
5.3.2 纹波测试及分析
5.3.3 负载调整率和电源调整率测试及分析
5.3.4 输出电压测试及分析
5.4 本章小结
第6章 结束语
6.1 主要工作和创新点
6.2 后续研究工作
参考文献
致谢