Cadence高性能直流电源模块设计

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毕业论文

1引言.1

1.1开关电源发展现状1

1.2本文解决的主要问题..3

2开关电源概述3

2.1开关电源的基本构成..3

2.2开关电源分类及特点..4

3系统总体方案5

3.1系统设计要求及性能指标5

3.2系统总体框图..6

4DC/DC变换6

4.1DC/DC变换基本原理.6

4.2软开关技术基本原理10

4.3+27V—+12V变换实现方案.11

4.4+12V—-12V实现方案.12

5输出纹波衰减实现方案13

5.1输出纹波衰减器简介13

5.2电路参数计算14

5.3电路原理图.14

6系统板级设计.15

6.1Cadence系列软件简介.15

6.2PCB设计流程18

6.3元器件焊盘制作..19

6.4元器件封装制作..21

6.5PCB元件布局24

6.6PCB布线..26

6.7DRC检查及光绘文件输出29

7系统测试结果.31

7.10—3A稳压源测试.31

7.20—30A稳压源测试..32

结论.34

致谢.35

参考文献36

1 引言 1. 1 开关电源发展现状[1] 20 世纪 50 年代，美国宇航局以小型化和重量轻为目标为搭载火箭开发了首个开关电源，从此在半个多世纪的发展中，开关电源逐渐取代了传统技术制造的相控稳压电源，进而广泛应用于各类电子整机设备中。随着集成电路的发展，开关电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化。近 20 年来，集成开关电源主要朝着两个方向发展。一是使开关电源的控制电路实现集成化。1977 年国外首先将脉宽调制(PWM)控制器集成电路研制成功，美国 Motorola 公司、Silicon General 公司、Unitrode 公司等相继推出了一系列 PWM 芯片。近些年来，国外研制出了开关频率达 1MHz 的高速PWM、PFM 芯片。另一个方向是实现中、小功率开关电源集成化。
1994 年，美国电源集成公司(Power Integrations)在世界上率先研制了三端隔离式 PWM 型单片开关电源，这种开关电源属于AC/DC电源变换器。之后又相继推出 TOPSwitch、 TOPSwitch-II、TOPSwitch-GX、TOPSwitch-Fx、LinkSwitch、PeakSwitch 等系列的产品。意-法半导体公司最近也开发出 VIPer100、VIPer100A、VIPer100B 等中、小功率单片电源系列产品，并得到广泛应用。目前，单片开关电源已经形成了数十个系列和数百种产品。单片开关电源自出现以来便显示出了强大的生命力，作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。单片开关电源具有集成度高、性价比高、外围电路最简、性能指标最佳等特点，现已经成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的首选集成电路。与国外开关电源技术相比，国内从 1977 年才开始进入开关电源初步发展期，起步较晚、技术相对落后。目前国内 DC/DC 模块电源市场主要被国外品牌所占据，国外品牌覆盖了大功率模块电源的大部分以及中小功率模块电源一半的市场。但是，随着国内技术的进步和生产规模的扩大，进口中小功率模块电源正在快速被国产 DC/DC 产品所代替。开关电源的使用为国家节省了大量钢材、铜材和占地面积。由于提高了变换效率，使得能耗减少，同时电源周围环境的室温也得到了降低，工作人员的环境也得到了改善源]自{751^*论\文}网·www.751com.cn/ 。我国邮电通信部门广泛采用开关电源设备，推动了其在其它领域的广泛应用。另外，近两年来出现的电力系统使用的直流操作电源，是针对国家投资用于城网、农网的供电工程改造、提高输配电供电质量而推出的，它已开始采用开关电源以取代传统的相控电源。国内一些通信公司均已相继推出系列产品。目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有 300多家，有数十家已经形成一定规模。国产开关电源已占据了相当市场，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口。目前市面上的开关电源中使用的功率管多为双极型晶体管，开关频率可以达到几万赫兹；采用了 MOSFET 的开关电源其转换频率可达几百千赫。为了提高开关频率，必须采用高速开关器件。对于兆赫兹以上的开关频率的电源可以利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗可以达到零，噪声也很小，这是一种提高开关电源工作频率的方式。目前，采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实现了实用化。开关电源的技术发展趋势可以概括为以下四个方面：[2] 一、小型化、薄型化、轻量化、高频化——开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积；在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。二、高可靠性——开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。三、低噪声——开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。四、采用计算机辅助设计和控制——采用 CAA 和 CDD 技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。