第四章-第1节-直流变换器的控制电路讲述.ppt

第四章第四章第第1节节 开关变换器控制电路开关变换器控制电路高频开关稳压高频开关稳压:高频开关直流变换器中高频开关直流变换器中:1.脉冲宽度调制（脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）PWM 方波的周期方波的周期T保持不变，改变脉冲宽度保持不变，改变脉冲宽度ton来稳定输出电压。使用脉宽调制来稳定输出电压。使用脉宽调制 的方式实现的反馈控制回路叫的方式实现的反馈控制回路叫脉宽调制器脉宽调制器。2.脉冲频率调制（脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation）PFM 保持方波的宽度保持方波的宽度ton不变，改变脉冲频率（即周期不变，改变脉冲频率（即周期T）以稳定输出电压。使用）以稳定输出电压。使用脉频调制的方式实现的反馈控制回路叫脉频调制的方式实现的反馈控制回路叫脉频调制器脉频调制器。3.混合调制方式混合调制方式 靠同时改变方波的宽度靠同时改变方波的宽度ton和脉冲周期和脉冲周期T（频率）来维持输出电压。（频率）来维持输出电压。D越大，输出电压越大；越大，输出电压越大；D越小，输出电压越小。越小，输出电压越小。开关电源的控制电路开关电源的控制电路：模拟控制、数字控制模拟控制、数字控制模拟控制模拟控制：脉冲宽度调制、脉冲频率调制：脉冲宽度调制、脉冲频率调制目前目前“控制电路控制电路”现状现状 在通信高频开关电源中，用于产生驱动开在通信高频开关电源中，用于产生驱动开关管导通截止的驱动方波的控制电路可以是模关管导通截止的驱动方波的控制电路可以是模拟电路也可以是数字电路。拟电路也可以是数字电路。一、脉冲宽度调制一、脉冲宽度调制第第1节节 直流变换器的控制电路直流变换器的控制电路反馈控制电路的作用反馈控制电路的作用：1、产生驱动开关管的矩形方波、产生驱动开关管的矩形方波 2、随着输出电压的变化，控制电路能实时改变驱动方波的占空比、随着输出电压的变化，控制电路能实时改变驱动方波的占空比D，实现稳压。，实现稳压。1.取样电路和误差放大：取样电路和误差放大：如果所需要的输出标准电压为如果所需要的输出标准电压为u0经误差放大后经误差放大后，得，得直流直流输出输出uct标标:（1）当输出当输出u0时时（2）当输出当输出u0时时（3）当输出当输出u0时时2.脉宽调制原理：脉宽调制原理：在在ust与与uct的交点的交点t1处，处，ust uct在在t0t1期间，期间，低电位低电位在在t1t2期间，期间，为高电位为高电位锯齿波送入翻转触发器锯齿波送入翻转触发器(F/F)，产生两方，产生两方波波 与与 。将比较器的输出方波与。将比较器的输出方波与 相与，当两者同时为高电位时，输出才相与，当两者同时为高电位时，输出才是高电位。是高电位。开关电源的输出电压与占空比开关电源的输出电压与占空比成正比。成正比。3.驱动功放：驱动功放：A、B两控制输出通道的两控制输出通道的脉冲信号很小，往往需要功脉冲信号很小，往往需要功率放大后，再驱动开关管。率放大后，再驱动开关管。这部分电路有很完善的集成这部分电路有很完善的集成块电路。块电路。4、无工频变压器开关电源中的隔离技术：、无工频变压器开关电源中的隔离技术：下面用两种不同的方框图说明下面用两种不同的方框图说明无工频变压器开关电源无工频变压器开关电源的机的机架和电网之间实现隔离的方法：架和电网之间实现隔离的方法：a.用隔离变压器的方法：用隔离变压器的方法：输出整流器、滤波器、取样、脉宽调制器和驱动电路共输出整流器、滤波器、取样、脉宽调制器和驱动电路共地。输入与输出之间的隔离是通过高频变压器地。输入与输出之间的隔离是通过高频变压器Tr1和驱动变压和驱动变压器器Tr2来实现的。它适用于任何形式的开关电源的设计。来实现的。它适用于任何形式的开关电源的设计。b.用光电耦合器的方法：用光电耦合器的方法：脉宽调制器、驱动电路、开关功率器件、输入整流器、滤脉宽调制器、驱动电路、开关功率器件、输入整流器、滤波器是共地的，输入、输出之间的隔离是通过高频电源变压器波器是共地的，输入、输出之间的隔离是通过高频电源变压器Tr和光电耦合器来实现的。和光电耦合器来实现的。作业：作业：1、若主电路是开关稳压器，在脉冲宽度调制电路里是否还需增加电隔离？、若主电路是开关稳压器，在脉冲宽度调制电路里是否还需增加电隔离？2、详述升压型稳压器是怎样进行自动稳压的，设其使用的是脉宽调制？、详述升压型稳压器是怎样进行自动稳压的，设其使用的是脉宽调制？二、脉冲频率调制二、脉冲频率调制UrefUoPFM控制脉冲图4-21 脉冲频率调制的基本波形图 脉冲频率调制脉冲频率调制(PFM)为定宽调频式，保持开关为定宽调频式，保持开关S的导通时间的导通时间ton不变不变(即将脉冲宽度固定），通过改变开关周期即将脉冲宽度固定），通过改变开关周期T（即改变开关频率），来调（即改变开关频率），来调节占空比的。在电路设计上要用节占空比的。在电路设计上要用固定脉宽发生器固定脉宽发生器来代替来代替脉宽调制器脉宽调制器中的中的锯齿波发生器，并利用电压锯齿波发生器，并利用电压/频率转换器（如压控振荡器频率转换器（如压控振荡器VCO）改变频）改变频率。如图率。如图4-21所示的工作波形，在轻负载情况下变换器只有比较稀的脉所示的工作波形，在轻负载情况下变换器只有比较稀的脉冲群，在脉冲群与脉冲群之间功率管都关断，电路空闲不工作，电感电冲群，在脉冲群与脉冲群之间功率管都关断，电路空闲不工作，电感电流为零，在这个过程中输出电容向负载供电；当输出电容放电使电压低流为零，在这个过程中输出电容向负载供电；当输出电容放电使电压低于预值电压（我们要求的输出电压），变换器重新工作再产生一些脉冲于预值电压（我们要求的输出电压），变换器重新工作再产生一些脉冲群使得输出电容被充电。群使得输出电容被充电。振荡器UrefUoUiGND开关脉冲 如图是脉频调制方式的基本电路图。它的原理是：采样电压加在比较器的如图是脉频调制方式的基本电路图。它的原理是：采样电压加在比较器的负输入端，预设值负输入端，预设值(我们要求的输出电压如我们要求的输出电压如48V）为比较器的参考电压）为比较器的参考电压Uref加在加在比较器的正输入端。比较器的正输入端。当输出电压低于预设值时，当输出电压低于预设值时，UrefU采样采样，比较器输出高电平。该高电平进入，比较器输出高电平。该高电平进入触发器触发器，使触发器开通，振荡器输出的方波通过，使触发器开通，振荡器输出的方波通过触发器触发器传到开关管，驱动功率传到开关管，驱动功率开关管。开关管。当输出电压高于预设值时，当输出电压高于预设值时，UrefU采样采样，比较器输出低电平。该低电平进入，比较器输出低电平。该低电平进入触发器，使触发器，使触发器触发器闭锁，从而振荡器输出的方波不能通过触发器，功率管处于闭锁，从而振荡器输出的方波不能通过触发器，功率管处于断开状态。这样，驱动开关管的脉冲宽度不变而开关周期变长，使占空比减小，断开状态。这样，驱动开关管的脉冲宽度不变而开关周期变长，使占空比减小，从而起到稳压的作用。从而起到稳压的作用。比较器采样电压U采样采样三、数字控制三、数字控制 传统的模拟控制使用比较器、误差放大器和模拟调变器等元器传统的模拟控制使用比较器、误差放大器和模拟调变器等元器件来调整电源输出电压以及功率因数校正，虽然这些为人熟知的电件来调整电源输出电压以及功率因数校正，虽然这些为人熟知的电路架构己经使用数十年，但是它们仍受到许多限制。路架构己经使用数十年，但是它们仍受到许多限制。1、模拟控制电路因为使用许多元器件而需要很大空间。、模拟控制电路因为使用许多元器件而需要很大空间。2、这些元器件本身的值会随着使用时间、温度和其环境条件的变化、这些元器件本身的值会随着使用时间、温度和其环境条件的变化而变动，对系统稳定性和响应能力造成负面影响。而变动，对系统稳定性和响应能力造成负面影响。3、模拟控制的控制响应特性是由分立元器件的值决定的，因此无法、模拟控制的控制响应特性是由分立元器件的值决定的，因此无法为所有电源值或负载点提供最优化的控制响应。为所有电源值或负载点提供最优化的控制响应。4、模拟系统的测试和维修都非常困难。、模拟系统的测试和维修都非常困难。用数字控制代替模拟控制，与模拟控制的原理一用数字控制代替模拟控制，与模拟控制的原理一样，数字控制也采用闭环回路反馈控制理论来稳定电样，数字控制也采用闭环回路反馈控制理论来稳定电源输出电压，只不过数字控制是先将模拟参数（如输源输出电压，只不过数字控制是先将模拟参数（如输入和输出电压以及电流等）转换成数字信号，然后完入和输出电压以及电流等）转换成数字信号，然后完全在数字域里对这此参数进行必要的处理全在数字域里对这此参数进行必要的处理(即将输出电即将输出电压转换成数字数据并传送给一个数字控制器压转换成数字数据并传送给一个数字控制器)，再由数，再由数字控制器利用这些信息计算出新的控制输出。字控制器利用这些信息计算出新的控制输出。15 相较模拟控制器，数字控制的优点：相较模拟控制器，数字控制的优点：1、能实现更复杂的控制算法，例如更实时改变控制响应、能实现更复杂的控制算法，例如更实时改变控制响应特性能让电源在各种输入电压或负载点下都能达到最理特性能让电源在各种输入电压或负载点下都能达到最理想的快速相应结果。想的快速相应结果。2、数字化电源还具备完整的可编程能力，这使它们的修、数字化电源还具备完整的可编程能力，这使它们的修改非常容易。改非常容易。3、数字控制可以省下原本需要外接的临界值设定和时序、数字控制可以省下原本需要外接的临界值设定和时序元器件，不但节省成本和电路板面积，还能避免分立无元器件，不但节省成本和电路板面积，还能避免分立无派元件的生产变异、温度梯度和元器件公差等问题。派元件的生产变异、温度梯度和元器件公差等问题。4、它还能发挥各种经济优势，包括更低成本、更大的最、它还能发挥各种经济优势，包括更低成本、更大的最终产品市场。终产品市场。5、在电源中引入数字控制技术以后，很容易设计出可以、在电源中引入数字控制技术以后，很容易设计出可以根据经常变化的系统状态，根据经常变化的系统状态，比以前更加精准地改变输出比以前更加精准地改变输出特性的电源。特性的电源。6、数字控制还能让硬件平台重复使用、加快产品上市日、数字控制还能让硬件平台重复使用、加快产品上市日程，例如可以利用一种硬件平台通过修改软件来设计多程，例如可以利用一种硬件平台通过修改软件来设计多种电源产品。种电源产品。16单片机单片机 数字信号处理器（数字信号处理器（DSP）可编程逻辑器件可编程逻辑器件