一种低功耗电流模式开关电源电路的研究.pdf

分类号U D C 密级y 8 4 4 5 4 1学位论文一种低功耗电流模式开关电源电路的研究(题名和副题名)任俊(作者姓名)指导教师姓名吐星宝厦堕缝(职务、职称、学位、单位名称及地址)申请专业学位级别j 亟_ 专业名称丝鱼壬堂皇固堡垒堂论文提交日期2 Q Q 垒：!论文答辩日期2 Q Q 垒：学位授予单位和日期电王抖燕太堂一一答辩委员会主席评阅人2 0 0 6 年月注1 注明国际十进分类法U D C)的类号。曰摘要摘要单片开关电源以其低损耗、高效率及电路简洁等显著优点而受到人们青睐，并广泛应用于计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备及家用电器产品中。电子设备的小型和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发展。本论文基于B C D 工艺，用C a d e n c eE D A 中的C o m p o s e r 包及S p e c t r e 仿真工具，设计了一种反激式A C，D C 开关电源控制芯片。该集成电路采用电流模式P W M 控制，正常的工作频率为7 0 K H z，输出信号的最大占空比为7 5。该控制芯片具有能在轻负载情况下自动降低频率的绿色模式以及能在电感峰值电流过高关断调整管的功率限制，降低了系统的功耗。文中首先分析了反激变换拓扑及电流模式脉宽调制控制方法的工作原理，然后根据设计要求完成了A C D c 开关电源管理集成电路整体结构的设计，同时结合实际应用电路阐述了其工作原理。本文第三章对集成电路内各个模块包括欠压保护、电流偏置、L D O、振荡器、绿色模式、斜坡补偿、功率限制、脉宽调制、过压保护、前沿消隐、逻辑控制电路等进行了设计与仿真，且达到了预定的设计目标。本论文对整体电路的工作过程，即正常工作、轻负载绿色模式过程等进行了仿真与分析，仿真结果表明该集成电路满足设计要求。文中最后对该集成电路进行了总结并介绍了开关电源的发展动态。关键字：开关电源、反激变换器、电流模式、脉宽调制垒曼!婴曼!A B S T R A C TS i m p l es w i t c h i n gp o w e rs u p p l ym a n a g e m e n tI Cw a sp o p u l a ru s e di nc o m p u t e r,e l e c t r o n i ce q u i p m e n t，c o m m u n i c a t i o n se q u i p m e n tf o ri t sl o wp o w e rc o n s u m p t i O n，h i g he f f i c i e n c y,l o w e s tc o m p o n e n tc o u n ts w i t c h e rs o l u t i o n E l e c t r o n i ce q u i p m e mb e c o m e ss m a l l e ra n dl o w e rc o s t，w h i c hh a sb e e nm a k i n gs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yl i g h t，s m a l l t h i na n dh i g he f f i c i e n c y B a s e do nC M O St e c h n o l o g ya n du s i n gC o m p o s e ra n dS p e c t r et o o l so fC a d e n c eE D A，at y p eo fs i n g l e c h i pc o n t r o l l e ri sd e s i g n e df o rt h ef l y b a c ks w i t c h i n gp o w e rs u p p l yo fA C D C I tw o r k sa t7 0 K H zw i t l lc u r r e n tm o d ep u l s ew i d t hm o d u l a t i o n(P w M)；a n dt h em a xd u t yi s7 5p e r c e n t T h ep o w e rc o n s u m p t i o ni sd e c r e a s eg r e a t l yb e c a u s eG r e e n m o d ea n dp o w e rl i m i t i n gi si n c l u d e di n t h i ss i n g l e-c h i pc o n t r o l l e r G r e e n m o d ew h i c hp r o v i d e so f f-t i m em o d u l a t i o nt ol i n e a r l yd e c r e a s et h ew o r k i n gf r e q u e n c yu n d e rl i g h t l o a dc o n d i t i o n sa n dp o w e rl i m i t i n gw h i c hW i l lt u r no f ft h et r a n s i s t o rw h e np e a l(c u r r e n to f i n d u c t o rr e a c h e st h et h r e s h o l dc u r r e n t T h i sp a p e ri n t r o d u c e st h eb a s i ct h e o r yo ff l y b a c kt o p o g r a p h ya n dc u r r e n tm o d eP W Mf i r s t l y T h e nt h et o t a ls t r u c t u r eo ft h es i n g l e-c h i pc o n t r o l l e ri sp r e s e n ta c c o r d i n gt ot h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n ta n dt h ew o r k i n gt h e o r ya n dt h ew o r k i n gp r i n c i p l ea r es h o w e db a s e do ni t sa c t u a la p p l i c a t i o n I nc h a p t e rt h r e e，t h ea l ls u b-c i r c u i t si n c l u d i n gU V L O，c u r r e n tb i a s，L D O，o s c i l l a t o Lg r e e nm o d e，s l o pc o m p e n s a t i o n，p o w e rl i m i t i n g，P W M，o v e,b l a n k i n gt i m eg e n e r a t o r,l o g i cc o n t r o l l e ra r ed e s i g n e da n ds i m u l a t e d A sar e s u l t，a l lo ft h es u b-c i r c u i t sa l es a t i s f i e dt h er e q u i r e m e n t s T h es y n t h e t i cc i r c u i ti sa l s os i m u l a t e da b o u tn o r m a lw o r k i n g，g r e e nm o d ew o r k i n ga n dS Oo n；t h er e s u l t so fs i m u l a t i o nm e e tt h ef u n c t i o nr e q u i r e m e n t T h es i n g l e-c h i pd e s i g n e di nt h i sp a p e ri ss u m m a r i z e da n dt h ed e v e l o p m e n tt r e n do fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yi si n t r o d u c e da tl a s t K e yw o r d s：S w i t c h i n gp o w e rs u p p l y,f l y b a c kc o n v e r t e Lc u r r e n tm o d e，P W MI l独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中作了明确的说明并表示谢意。签名：5 圣)芟日期：加叼簿月1 日关于论文使用授权的说明本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。(保密的学位论文在解密后应遵守此规定)签名：3 至5 笪：导师签名：么丝红日期：一一f 年z 月力日第一章弓l 言第一章引言随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越宽广，电子设备种类页越来越多。电子设备的小型和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发展。电子电源是对公用电网或其他电能进行变换和控制，并向各种用电负载提供优质电能的供电设备。它可分为线性电源和开关电源两种。其中开关电源分为A C A C电源、D C D C 电源、A C D C 电源和D C A C 电源。单片开关电源集成电路自1 9 9 4年问世以来，引起了国内外电源界的普遍关注，现已成为具有发展前景和影响力的一项商新技术产品。单片开关电源以其低损耗、高效率及电路简洁等显著优点而受到人们青睐，并广泛应用于计算机、电子设备、仪器仪表、通信设备及家用电器产品中。近年来，隧着电子信息产业的高速发展，人们对单片开关电源的需求与日俱增，单片开关电源的开发、研制和生产已成为发展前景十分诱人的朝阳产业。目前，随着单片开关电源的广泛应用，单片开关电源集成电路显示出了强大的生命力，其具有高集成度、高性能及简单的外围电路、最佳的性能指标等特点，现己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优选集成电路。1 1 开关电源国内外市场及应用情况电源产品的应用十分广泛。据统计，1 9 9 9 年全球开关电源的市场规模达1 6 6亿美元。模块电源作为开关电源的一个分支，在通信、汽车、电力控制以及军事等领域中占有重要的地位。据预测，模块电源的全球市场规模将由1 9 9 9 年的3 0亿美元增加到2 0 0 4 年的5 0 亿美元。在国内，由于信息、家电领域，特别是电信领域的迅猛发展，推动了电源市场的发展。目前，在我国通信、信息、家用电器等领域，普遍采用了开关电源。其中，通信D C D C 电源是增长速度最快的一部分。程控交换机市场经过几年的发展之后趋于平稳，移动通讯已经成为发展热点。预计中国开关电源市场总额在7 0亿元人民币以上，模块电源所占的比例将会越来越大。1 2 功率集成电路简介传统的电力半导体器件主要有整流二极管、晶闸管及其派生器件、功率晶体管传统的电力半导体器件主要有整流二极管、晶闸管及其派生器件、功率晶体管电子科技大学硕士学位论文及其派生器件等。八十年代，新型功率M O S 器件和以其为基础的智能功率集成电路(S m a r tP o w e rI C，S P I C)随着微电子技术的进步而迅速发展起来。它们融功率半导体、信息电子学、超大规模集成电路、电机学和计算机辅助设计为一体，成为未来工业自动化、汽车制造业、航空航天技术和其它高新技术工业的基础产业。特别是S P I C 在目前微电子走向系统集成的情况下起着越来越重要的作用。S P I C 的最早出现是在七十年代后期，当时人们提出将功率器件与l C 单片集成的功率集成电路(P o w e r I C，P I C)。它减少了系统中的元件数、互连数和焊点数，不仅提高了系统的可靠性，而且减小了体积、重量和成本。但由于当时的主流功率器件为：双极晶体管、G T O 和S C R 等，它们所需的驱动电流大，驱动和保护电路复杂，P I C 的研究并未取得实质性进展。直至八十年代，由M O S 栅控制，具有高输入阻抗、低驱动功耗、容易保护等特点的新型M O S 类功率器件如D M O S、I G B T的出现使得驱动电路简单且容易与功率器件集成，才带动了P 1 C 的发展，但复杂的系统设计和昂贵的工艺成本限制了P I C 的应用。进入九十年代后，P I C 的设计与工艺水平不断提高，性能价格比不断改进，P 1 C 才逐步进入了实用阶段。目前，S P I C 正逐步成为工业自动化、电力技术、汽车伟造业以及通讯产业等领域内的实用器件。迄今已有系列S P I C 产品问世，包括功率M O S 智能开关、半桥或全桥逆变器、两相步进电机驱动器、三相无刷电机驱动器、直流电机单相斩波器、P W M 专用S P I C、线性集成稳压器、开关集成稳压器等。S P I C 总的技术发展趋势是功率更大、速度更快和功能更全。目前S P l C 的主要研究内容为：针对包括多个大功率器件的单片S P I C 的研究；能在高温下长时间工作的S P I C 的研究，以便将其宜接嵌入设备内：高成品率、低成本S P I C 工艺的研究；大电流，高速、M O S 栅控制并有自保护功能的横向功率器件的研究。S P I C的下一个目标是将多个高压大电流功率器件与低压电路集成在同一芯片上，使之具备系统功能，进而实现单片式功率系统的集成。智8 功率集成电路(S P I C)的基本组成：广义而言，S P I C 是控制电路与功率负载之间的接口电路，其最简单的电路即是驱动电路。它的作用是将微处理器输出的逻辑电平信号转换成足以驱动负载的电压和电流信号。然而，对于大多数应用来说，S P I C 中必须加入负载监测、诊断、自我保护和把信号反馈给微处理器等功能。功率控制部分由功率器件和它们的驱动电路构成。该部分完成对高压、大电流或二者都有的复合情况的处理。目前在高压、大功率应用中，由于工艺上的难度，功率器件通常还不能与驱动电路单片集成。为了给被驱动的功率器件提供足够的第一章引言栅电压，使其饱和导通和可靠关断，驱动电路的工作电压一般为1 0 2 0 V。某些电路甚至要高达3 0 V。另外，大多数应用中都采用图腾柱式输出方式。为了同时能驱动高端和低端的功率器件，驱动电路部分必须具有电平位移功能，把逻辑电平信号转变为足以驱动高端功率器件的高压信号。该项功能通常采用驱动电路内部集成的功率M O S 器件完成。传感与保护电路部分是智能功率技术的一个重要组成部分，它对于保证功率器件和驱动电路本身的安全工作有着不可忽视的作用。通常的S P I C 中集成的保护功能有过压、过流和过温检测与保护功能，此外有时还需要加入无负载检测和欠压检测等保护功能。欠压检测功能可保证功率器件具有足够的偏置电压，避免它在开启时有过多的功率损耗。接口电路部分要完成输入信号处理和工作状态信号反馈的功能。输入信号处理功能是指把从微处理器输出的逻辑电平信号转变为满足S P I C 工作条件的较高电平的信号，使S P I C 能正常完成对微处理器输出信号的处理。逻辑电平信号一般为5 V 而如前所述，S P I C 的工作电压般为1 0 2 0 V，因此该功能是必须的。工作状态信号反馈功能指把功率器件与S P I C 工作状态的有关信号，例如过温监测信号、负载监测信号(如无负载信号和负载短路信号)等反馈给微处理器的功能。对于一些复杂系统应用中，S P I C 的接口电路还要完成编码、解码等功能。这类S P I C 一般要集成串并联总线，采用高密度的C M O S 逻辑电路来实现。S P I C 的应用：智能功率集成电路以功率M O S 器件为基础，将高压M O S 型功率器件与低压逻辑电路、模拟电路用大规模集成技术(L A R G ES C A L EI N T E G R A T E DT E C H O N L Y)集成在一个或多个芯片上。S P I C 具有广阔的应用前景。在航空、航天、先进的通信系统、武器系统等方面，由于工作在高频甚至微波频率下，以及要求整机具有极高的可靠性、稳定性和尽可能小的体积，这时，S P I C 有着功率组件和功率模块无法替代的优势。目前，功率集成电路已经进入到人们生活的每一个角落，如马达控制(M O T O RC O N T R O L)、电子镇流器(E L E C n U C A LB A L L A S T)、平板显示驱动(队N E L D I S P L A Y D R I V E)、开关电源(S W I T C H l N GP O W E R)等。有专家预言，大功率M O S 型器件及其集成电路的不断完善，将使电子学继以微处理器的出现为标志的第一次革命后，又步入第二次电子技术革命。但是，这次革命的速度要比预计的慢得多，如何突破制约功率器件及P I C 发展的瓶颈，如：薄外延技术、隔离技术、终端技术、硅极限等，已成为这次革命成败的关键因素。电子科技大学硕士学位论文1 3 开关电源的发展开关电源管理集成电路于9 0 年代中、后期相继问世后，便显示出强大的生命力，目前它成为囡际上开发中、小功率开关电源、精密开关电源及电源模块的优选集成电路。新一代开关电源管理集成电路采用功率半导体器件作为开关元件，通过周期性工作，控制开关元件的时间占空比来调整输出电压。按照开关型稳压电源的控制方式可以分为脉冲宽度调制(P 嘲)式、脉冲频率调制(P F l )式和P 嘲与P F M 混合式。P 帆控制方式为保持开关元件工作周期不变，控制开关的导通时间t o n变化，目前采用P 刚工作方式的控制I c 较多，女O L I N F I N I T Y 公司的S G l 5 2 4，R I C O H 公司R H S R H 系列、S i l i c o n i x 公司的S 1 9 1 5 4，F A I R C H I L DS 附I C O N D U C T O R 公司的F D S H 0 1 6 5，M A X I M 公司的M A X 7 3 6 7 3 7。P O W E Rl N T E G R A T E D 公司的T O P I I 系歹t J T O P F X系列T O P G X 系列等。P F M 控制方式为保持导通时间t o。不变，改变开关工作周期，也即改变关断时间的工作方式，目前采用P F M I 作方式的有姒x 7 7 0 7 7 1 7 7 2 7 7 3，S e i k o l n s t r u m e n t s 公司的S-8 5 2 1 等”。目前市场上常见的一般为P _ i j y M 工作方式的管理I c。采用P w M 工作方式的控制集成电路内部主要由以下部分组成：振荡器(一般有矩形波输出和锯齿波输出两路)、基准电压源、P W M 控制器、误差放大器、电压检测器、输出驱动电路和必要的过热保护、过流保护等。振荡器的作用是产生所需频率的脉冲波形，矩形波用来作为内部电路的时钟信号，控制着整个电路的工作，锯齿波则一般输入P W M 控制器，通过运算产生P W M 信号。电压检测器主要检测外围电路的工作状态，提供控制电路工作的基本信息来源。误差放大器是将电压检测器提供的信号进行放大，一般为差分输入放大器，其输出作为P w M 控制器的另一个输入。P 删控制器对输入的锯齿波信号和误差放大器输出的误差信号进行比较，输出结果为P 嗍信号，用来控制开关元件的开通与关断。由于开关元件一般为较大的容性或感性负载，并且要求输入信号的上升与下降沿，所以一般电路中设计有输出驱动电路。另外，模拟电路中基准电压源是必不可少的，采取适当的过流过热保护措施能有效提高电路的可靠性。正是由于采用了全新的工作方式和较高工作频率，开关电源管理I c 能大大提高电源效率，纹波幅度明显下降，使输出稳定。例如S G l 5 2 4 内部所需电流小于l O m A：E A X 7 3 6 7 3 7 效率可以达到8 3，输出电压为1 5 V 时，纹波幅度为0 7 5 V：F S D H 0 1 6 5 在空载下消耗功率小于2 5 0 r o w：R H S R H 系列输出高电压精度为正负2 5，效率典型值为8 5：T O P l I 系列效率最高可达9 0：T】N Y 如i t c h 系列在轻负载下跳周第一覃引言期技术所表现出来效率更加显著，在空载时，功耗仅为3 0 6 0 m W。在新一代开关电源管理I C 中，除了必要的过热和过流保护外更增加了其它实用的功能，成为真正智能控制电路。在S i 9 1 4 5 中，可以通过模式选择来决定输出方式，电路还有S t a n d b y 模式以节省功耗。F S D H 0 1 6 5 具有欠压滞回和自动重启功能，这些功能是当电源过载后不是立刻开启L D M O S，在等待一段时间后再重新开启，避免了在过载没有去除的情况下对L 蝴O S 管的反复开关。姒X 7 3 6 7 3 7 加入了软启动功能，可以有效降低上电或自动重启时电感上的尖峰电压，并在芯片版图级考虑了噪声的影响，通过合理布局来降低噪声。T O P I I 系列除了具有自动重启功能外，在故障发生期间只允许5 的导通时间，更有效地保护开关器件。T o P S w i t c h F X 系列除软启动功能降低启动电压和过冲外，采用了频率抖动降低E M I及滤波费用，其滞后热关断使器件在温度下降后自动恢复工作，不需要重新上电复位，采用了E c o S m a r t 节能技术，包括跳过部分周期以降低空载功耗、为商效待机应用提供频率减半选项和远程控制功能。在以P W M 控制方式的集成电路中，大部分都是用来驱动外面的开关元件其中既有驱动M O S 型功率器件的(S 1 9 1 5 4)，也有驱动双极型功率管的(S G l 5 2 4)。但从使用的角度来考虑，如果在集成电路内部不但集成控制功能，而且将功率器件也放在内部，则大大方便了用户。目前，已经有一些集成开关元件的控制电路出现，如F A I R C H I L D 公司在F D s H 0 1 6 5 内部集成了耐压为6 5 0 V 的L D M O S I I l A X I M 公司在M A x 7 3 6 M A x 7 3 7 内部集成T 耐压S O V 的M O S 功率器件，P O W E RI N T E G R A T E D 公司在T O P I I系列I C 内部集成了耐压7 0 0 V 的L D M O S。它们的这种结构均为用户提供了使用上的方便。这种控制I C 一般采用B i p o l a r l 艺或B i C M O S Z 艺来实现。采用B i p o l a r Z E 艺是由于双极型晶体管的跨导较大，速度快：而B i C M O S Z 艺同时利用C M O S 器件静态功耗低和双极型器件速度快的特点，可以得到更低的功率损耗和较快的速度，但工艺稍繁琐。如果在I c 中集成高压功率器件，则工艺过程更加复杂。1 4 本论文所做的工作本文所设计的是一个A C D C 反激开关电源控制集成电路。对此电路设计目标如下：1 逐周期电流模式控制，内置斜坡补偿电路2开关频率设计为7 0 K H z，允许范围为6 5 K H z 7 5 K H z：最大占空比为7 5 一皇兰型垫丕堂堡主兰壁丝兰3 在待机模式下自动降频功能4 在不同电压下恒定最大输出功率5 古有欠压保护电路、过压保护电路、前沿消隐电路6 完成所有子电路的设计与仿真、综合电路的仿真本论文设计了一种低功耗带有功率限制的P w M 控制器的系统设计、应用电路及主要模块的电路设计和相应功能的仿真。6苎三兰茎茎皇塑箜塑堡坌塑第二章开关电源的原理介绍2 1 开关电源基本拓扑开关电源是将输入电压转换为一定倍数的输出电压，实现能量从电源到负载的变换。其主要拓扑结构有B U C K、B O O S T、B U C K B O O S T、正激变换、及反激变换等一本节介绍B U C K、B O O S T 结构后重点介绍了本论文所采用的反激变换得拓扑结构及其优缺点1 3 胴。2 1 1B U C K 拓扑结构图2 1 为B U C K 拓扑结构，它可以将输入电压以一定比例降低并输出。工作原理式是当调整管开启、忽略晶体管导通压降时，输入电压直接传送到电感的左侧。这个电压使电感电流逐渐增大。当调整管关断时，电感电流继续向电容和负载供电，电流经过续流二极管后形成回路。先假定电感工作在连续模式下(电感电流不降为零)，此时在整个调整管关断时间V x 点电压为负的续流二极管导通电压。此点的平均电压取决于调整管的平均导通时间。1 圈2-1B U C K 电路原理图图2-2 连续模式下V x 电压及电感电流的变化一皇王型垫盔堂堡主兰堡堡壅一个周期内，调整管经过一次开启和关断，电路各点电压及电感电流波形如图2-2。由电感电流的公式可以得到：以一Z o=三(2-1)电感电流改变量为：d=J(以一+l(一)础(2-2)O NO F F对于稳态来说，一个周期内调整管导通时电感电流的上升量和调整管关断时电感电流的下降量时相等的。为了简化分析，假设调整管和二极管没有导通压降，所以在调整管开启时V x=V m，关断时V x=o。即O=d i=j”(一圪胁+e+t o f f(_ 协(2-3)简化可得即定义“占空比”为帆一。-r o t 够=0鱼：生丁D：垒丁(2 4)(2-5)(2-6)将公式(2 6)带入式(2 5)后，得到匕=D x，又由于功率守恒Kx l。=，。，所以电流关系为，。=D x I o，以上结论是在电感工作在连续模式下得到的。图2-3 不连续模式下V x 电压及电感电流的变化一蔓三兰墅茎皇塑箜堕堡坌塑当电感工作在不连续模式下时，其波形如图2-3，式2 4 修改为眈一圪)D r+(-v 0 协丁=0(2 7)所以此时输入输出电压的关系为等=南d陋s，+屯”2 1 2B O O S T 拓扑结构B O O S T 电路结构如图2-4 所示，在需要输出电压高于输入电压时一般使用此种拓扑结构。图2-4B O O S T 电路原理图-_ _|l、I M c l弋N t、T警，t,nf V h 嗨，T I M E图2-5 连续模式下V x 电压及电感电流的变化为简化分析同样假设所有期间是理想的，当调整管导通时，电流环路仅包括电感、调整管和输入电压源。在这段时间中，二极管是反向阻断的。电感电流波形也是以固定斜率上升的(如图2-5 所示)，在这个阶段，能量存储在电感铁心的磁通中。当调整管关断时，由于电感的电流不能突变，于是二极管立刻正向导通。9电子科技大学硕士学位论文这时，电感与开关相连端的电压被输出电压钳位，其幅值时输出电压加上二极管的正向导通压降。其电压关系可用下式表示f。+帆一圪 够=0(2 9)画简后可得：上；上(2-1 0)t 盯1 一D不连续模式得分析和B U C K 电路一样。2 1 3 反激变换器拓扑结构反激变换器得拓扑结构如图2-6 所示f 2 钔。这种拓扑结构在输出功率为5 1 5 0 W 电源中应用广泛。它最大的优点就是不需要接输出滤波电感。使反击变换器成本降低，体积减小。由于输出端可以不接滤波电感，该拓扑结构在电压不是很高的情况下很有优势，而正激变换器由于输出滤波电感必须承受高压而带来许多问题。此外反击变换器不需要高压续流二极管，使它在高电压的场合应用更有利。L图2-6 反撒变换拓扑结构2 13 1 反激变换器的工作原理如图2-6，当调整管开启时，整流二极管截止，输出电容给负载供电。主绕组N，相当于一个纯电感，流过N p 的电流线性上升，达到幅值，=帆一屹瓦三，。此时变压器存储的能量为f 1 8】E：丝(2 1 1)1 0第二章开关电源的原理介绍当调整管关断时，初级存储的能量1 2 L 12 v 传送到次级，提供负载电流，同时给输出电容充电。由于电感电流不能突变，在Q 1 关断的瞬间，变压器次级电流幅值为：厂，、小【鬣j(2-1 2)几个开关周期之后，次级直流电压上升到V o。Q 1 关断时，N s 同名端为正，电流从该端流出并线性下降，斜率为d l s d t=V o L s【其中L s 为次级电感)。若次级电流在下一个周期开始前下降到零，则变压器存储的能量在调整管再次导通前已全部传送到负载端，变压器工作于不连续模式，否则变压器工作于连续模式。由于一个周期内传递的能量E 即为输入功率，一个周期T 内直流母线电压v d c 提供的功率为P=三竽陆聊又因为I v=(V i。一1)T o J L p，则有，尸=灶2 T 磐L*噼2 T 工(2-1 4)pP从式(2-1 4)可见，只要反馈环保持V d c 恒定，即可保持输出恒定。2 1 3,2 反激变换器的C C M 和D C M-I-作模式一薹厂：二 j7I S i i u t；斛广l|-且j x耐l1图2 7 反激变换器不连续模式和连续模式电感电流波形电子科技大学顼士学位论文两种模式下的电路拓扑结构相同，如图2-6。决定电路工作模式的参数是变压器的励磁电感和电路的输出负载电流。励磁电感给定以后，若负载电流超出规定范围，电路就会脱离原先设计的不连续工作模式而进入连续模式。如图2-7(a)所示，不连续模式的初级电流前端没有阶梯。而在关断瞬间(图2-7 b)次级电流是衰减的三角波，在下一周期开始之前已经衰减到零。这表明下个周期开始之前调整管导通期间存储于初级的能量已完全传送到次级负载。连续模式如图2-7(c)所示。初级电流有前沿阶梯且沿斜坡上升。在调整管关断期间(图2-7 d)，次级电流为阶梯上叠加衰减的三角波。调整管再次导通时，次级仍然维持有电流。两种工作模式有完全不同的工作特性和应用场合。不连续模式电路的响应更快且负载电流或输入电压突变引起的输出电压尖峰更低。但不连续模式下的次级峰值电流为连续模式下的2 3 倍，次级电流平均值即为直流负载电流。另外，若设两种模式下的关断时间基本相等，且波形平均值相同，则不连续模式的三角波峰值会明显比连续模式下的梯形波峰值高很多。不连续模式下次级电流峰值大，将在关断瞬间产生较大的输出电压尖峰，另外，不连续模式关断瞬时，大的峰值电流会对输出电感造成较高的d i d t，会在输出产生严重的噪声。不连续模式下次级电流有效值可达到连续模式下的两倍。因此，不连续模式要求大的导线尺寸和耐高纹波的输出滤波电容。同时不连续模式下初级电流峰值约为连续模式下的两倍。这同样是因为若二者平均值相等，则不连续模式初级峰值电流值较高。虽然不连续模式存在许多缺点，但它本身的变压器励磁电感小从而相应快，且输出负载电流和输入电压突变时输出电压瞬态峰值小。2 1 _ 3-3 反激变换器的缺点首先反激变换器有较大的输出电压尖峰，导通结束时，初级即流过值为初级峰值与匝比N f f N s 乘积的电流，该电流后来会线性下降，大多数情况下变换器的输出电压而输入电压高，这将造成大的N p N s 及大的次级电流。通常，电源技术是以有效值或峰一峰值来规定输出电压纹波的要求的。由于这样的高尖峰的有效值很小，当选用大电容值输出滤波时，电流很容易满足有效值纹波的要求，但电源会输出危害很大的尖峰电压。因此通常要求在反激变换器主储能电容后加小型L C 滤波器。蔓三兰墅差皇塑墼堡墨坌塑其次反击变换器需要大容量且能耐高压纹波电流的输出滤波电容，因为在调整管导通时只能由它的储能向负载提供电流。2 2 P W M 控制方法P W M 开关稳压或稳流电源基本工作原理就是在输入电压变化、内部参数变化、外接负载变化的情况下，控制电路通过被控制信号与基准信号的差值进行闭环反馈，调节主电路开关器件的导通脉冲宽度，使得开关电源的输出电压或电流等被控制信号稳定I l】。P W M 的开关频率一般为恒定，控制取样信号有：输出电压、输入电压、输出电流、输出电感电压、开关器件峰值电流。由这些信号可以构成单环、双环或多环反馈系统，实现稳压、稳流及恒定功率的目的，同时可以实现一些附带的过流保护、抗偏磁、均流等功能。现在主要有五种P W M 反馈控制模式。2 2 1 电压模式控制方法电压模式控制P W M 是6 0 年代后期开关稳压电源刚刚开始发展而采用的第一种控制方法。该方法与一些必要的过电流保护电路相结合，至今仍然在工业界很好地被广泛应用。电压模式控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上斜坡相比较，通过脉冲宽度调制原理，得到当时的脉冲宽度。逐个脉冲的限流保护电路必须另外附加。当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时，因为主电路有较大的输出电容C 及电感L 相移延时作用，输出电压的变小也延时滞后，输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后，才能传至P W M 比较器将脉宽展宽。这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。电压模式控制的优点：P w M 三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量；占空比调节不受限制；对于多路输出电源，它们之间的交互调节效应较好：单一反馈电压闭环设计、调试比较容易；对输出负载的变化有较好的响应调节。缺点：对输入电压的变化动态响应较慢；补偿网络设计本来就较为复杂，闭环增益随输入电压而变化使其更为复杂；输出L C 滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿；在传感及控制磁芯饱和故障状态方面较为麻烦复杂。电子科技大学硕士学位论文2 2 2 崦值电流模式控制P W M峰值电流模式控制简称电流模式控制。误差电压信号u e 送至P W M 比较器后，并不是像电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜坡比较，而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖角状合成波形信号比较，然后得到P W M 脉冲关断时刻。因此(峰值)电流模式控制不是用电压误差信号直接控制P W M 脉冲宽度，而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小，然后间接地控制P W M 脉冲宽度。电流模式控制是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法。因为峰值电感电流容易传感，而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。但是，峰值电感电流的大小不能与平均电感电流大小一一对应，因为在占空比不同的情况下，相同的峰值电感电流的大小可以对应不同的平均电感电流大小。而平均电感电流大小才是唯一决定输出电压大小的因素。在数学上可以证明，将电感电流下斜坡斜率的至少一半以上斜率加在实际检测电流的上斜坡上，可以去除不同占空比对平均电感电流大小的扰动作用，使得所控制的峰值电感电流最后收敛于平均电感电流。因而合成波形信号要有斜坡补偿信号与实际电感电流信号两部分合成构成。当外加补偿斜坡信号的斜率增加到一定程度，蜂值电流模式控制就会转化为电压模式控制。因为若将斜坡补偿信号完全用振荡电路的三角波代替，就成为电压模式控制，只不过此时的电流信号可以认为是一种电流前馈信号，当输出电流减小，峰值电流模式控制就从原理上趋向于变为电压模式控制。当处于空载状态，输出电流为零并且斜坡补偿信号幅值比较大的话，峰值电流模式控制就实际上变为电压模式控制了。峰值电流模式控制P W M 是双闭环