毕业设计（论文）-小功率电源模块化设计.doc

武汉理工大学毕业设计（论文）小功率电源模块化设计 学院（系）： 自动化学院 专业班级： 电气0906班 学生姓名： 目录摘要IIIAbstractIV第1章 绪论11.1 课题研究的背景及意义11.2 高频开关电源的发展情况21.2.1 开关电源的发展情况21.2.2 高频开关电源的主要新技术标志21.3 主要研究内容4第2章 主电路方案设计及参数计算52.1 隔离式高频开关电源系统设计52.2 主电路拓扑结构选型62.2.1 反激电路62.2.2 正激电路72.2.3 推挽电路82.3 主电路选择92.4 变压器的设计102.5 滤波电路参数的计算12第3章 控制电路的设计133.1 开关电源的几种主要控制方式133.2 DPA426芯片工作原理143.3 驱动电路的设计17第4章 系统建模和仿真184.1 MATLAB/Simulink简介184.2 正激开关电源的建模与仿真184.3 参数的设置194.4 仿真和校正204.5 仿真结果的分析和结论23第5章 全文总结与展望24参考文献25附录27致谢28摘要开关电源非常广泛地应用在汽车、通讯、计算机和消费电子产品等领域。高频高效小型开关电源又是未来开关电源发展的必然趋势，并且在工业设备、通信、军事装备、家用电器、交通设施、仪器仪表等领域得到了越来越多的广泛应用。 鉴于开关电源的广泛应用，本文在大量查阅国内外相关文献的基础上设计了一种输入在36V到72V之间变化，但是输出能稳定在5V，纹波不大于50mV的开关电源。本文首先对隔离式开关电源结构进行分析，在对比几种主电路拓扑结构的特点之后选用单端正激电路作为主电路的拓扑结构，然后对电路使用的高频变压器进行设计，对电路中的一些重要参数进行计算。最后利用利用MATLAB下的Simulink工具对该电路进行建模与仿真分析，并对一些理论计算出来的参数值进行修改，根据最后的仿真结果可以看出本设计方案输出电压稳定，纹波小，完全符合设计要求。关键词：高频开关电源，单端正激式，建模仿真Abstract Switching power supply is widely used in many areas, such as communications, computers ,cars and so on . the compact and efficient high frequency switching supply is inevitable trend of development .And it is more and more widely used in industrial equipment ,communications ,military equipment ,household appliances ,transportation facilities, instrumentation and other fields. In view of the wide application of switching power supply，the author study a switching power supply which on the basis of referring to much of the pertinent literature at home and abroad.The input of the power is 36V to 72V ,and the output of it is 5V,while the ripple of which is not more than 50mV.At first ,I analysed isolated switching power supply structure , I select the single-ended forward circuit as the main circuit topology after comparing characteristics of the several main circuit topology.Then I design the high-frequency transformer and calculate some important parameters.At last ,I simulate and analysis the circuit with the MATLAB Simulink tool ,and modified some theoretically calculated.According to the last simulation result ,I can conclude that the output of the power is stable ,the ripple is small enough ,and the design is fully meet the requirement.Keywords: high-frequency switching power supply, single-ended forward， modeling and simulationV 武汉理工大学毕业设计（论文） 第1章 绪论1.1 课题研究的背景及意义随着大规模和超大规模集成电路的快速发展，特别是微处理器和半导体存储器的开发利用，孕育了电子系统的新一代产品。显然，那种体积大而笨重的使用工频变压器的线性调节稳压电源已经过时。取而代之的是小型化、重量轻、效率高的隔离式开关电源。开关电源技术发展趋势是：小型化、薄型化、轻量化、高频化是开关电源的主要发展方向；提高可靠性，提高集成度，增加保护功能，拓宽输入电压范围，提高平均无故障时间；随着频率提高，开关电源的噪声随之增大，降低噪声也是高频开关电源的研究方向；提高电源装置和系统的电磁兼容性(EMC)；用计算机软件进行辅助设计与控制，具有高效、高精度、高经济性和高可靠性的优点，可以使开关电源具有最佳电路结构与最佳工作状况。开关电源高频化的实现，与磁性元件和半导体功率器件的发展状况有着密切的关系；隔离式开关电源的核心是一种高频电源变换电路。它使交流电源高效率地产生一路或多路经调整的稳定直流电压。早在70年代，随着电子技术的不断发展，集成化的开关电源就已被广泛地应用于电子计算机、彩色电视机、卫星通信设备、程控交换机、精密仪表等电子设备。这是由于开关电源能够满足现代电子设备对多种电压和电流的需求。随着半导体技术的高度发展，高反压快速开关晶体管使无工频变压器的开关电源迅速实用化。而半导体集成电路技术的迅速发展又为开关电源控制电路的集成化奠定了基础，适应各类开关电源控制要求的集成开关稳压器应运而生，其功能不断完善，集成化水平也不断提高，外接组件越来越少，使得开关电源的设计、生产和调整工作日益简化，成本也不断下降。目前己形成了各类功能完善的集成开关稳压器系列。近年来高反压MOS大功率管的迅速发展，又将开关电源的工作频率从20kHz提高到150一200kHz，其结果是使整个开关电源的体积更小，重量更轻，效率更高。开关电源的性能价格比达到了前所未有的水平，使它在与线性电源的竞争中具有先导之势。当然开关电源能被工业所接受，首先是它在体积、重量和效率上的优势。在70年代后期，功率在100W以上的开关电源是有竞争力的。到1980年，功率在50W以上就具有竞争力了。随着开关电源性能的改善，到80年代后期，电子设备的消耗功率在20W以上，就要考虑使用开关电源了。过去，开关电源在小功率范围内成本较高，但进入90年代后，其成本下降非常显着，当然这包括了功率组件，控制组件和磁性组件成本的大幅度下降。此外，能源成本的提高也是促进开关电源发展的因素之一。随着社会经济的发展，人类已经进入工业时代，并正在转入高新技术产业迅猛发展的时期，电源是向负载提供优质电能的供电设备，是工业的基础。 论文的目的就是查阅相关资料，掌握开关电源的内部结构，学习怎样设计小功率开关电源的方法，这以后从事相关事业打下基础，开阔视野，从而提高自身的能力。 课题研究的意义在于：当代许多高新技术均与电源的电压、电流、频率、相位和波形等基本技术参数的变换和控制相关，电源技术能够实现对这些参数的精确控制和高效率的处理，因此，电源技术不但本身是一种高新技术，而且还是其评它多项高新技术的发展基础。电源技术及其产业的进一步发展必将为大幅度节约电能、降低材料消耗以及提高生产效率提供重要的手段，并为现代生产和现代生活带来为深远的影响。1.2 高频开关电源的发展情况1.2.1 开关电源的发展情况目前我国通信、信息、家电和国防等领域的电源普遍采用高频开关电源，相控电源将逐渐被淘汰。国内开关电源技术的发展，基本上起源于20世纪70年代末和80年代初。当时引进的开关电源技术，在高等院校和一些科研院所停留在实验开发和教学阶段。20世纪80年代中期开关电源产品开始推广和应用。20世纪80年代开关电源的特点是采用20kHz脉宽调制（PWM）技术，效率可达65%-70%。经过20多年的不断发展，开关电源技术有了重大进步和突破。新型功率器件的开发促进了开关电源的高频化，功率MOSFET和IGBT可使小型开关电源的工作频率达到400kHz(AC/DC)或1MHz(DC/DC);软开关技术使高频开关电源的实现有了可能，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了电源的效率（国产6kW通信开关电源采用软开关技术，效率可达93%）；控制技术的发展以及专用控制芯片的生产，不仅使电源电路大幅度简化，而且使开关电源的动态性能和可靠性大大提高；有源功率因数校正技术（APFC）的开发，提高了AC/DC开关电源的功率因数，既治理了电网的谐波污染，又提高了开关电源的整体效率。1.2.2 高频开关电源的主要新技术标志新型磁性材料和新型变压器的开发、新型电容器和EMI滤波器技术的进步以及专用集成控制芯片的研制成功，使开关电源实现了小型化，并提高了EMC性能。微处理器监控技术的应用，提高了电源的可靠性，也适应了市场对其智能化的要求。 新型半导体器件的发展是开关电源技术进步的龙头。目前正在研究高性能的碳化硅半导体器件，一旦开发成功，对电源技术的影响将是革命性的。此外，平面变压器、压电变压器及新型电容器等元器件的发展，也将对电源技术的发展起到重要作用。另外，集成化是开关电源的一个重要发展方向。通过控制电路的集成、驱动电路的集成以及保护电路的集成，最后达到整机的集成化生产。集成化和模块化减少了外部连线和焊接，提高了设备的可靠性，缩小了电源的体积，减轻了重量。总之，回顾开关电源技术的发展过程，可以看到，高效率、小型化、集成化、智能化以及高可靠性是大势所趋，也是今后的发展方向，因此高频开关电源的发展很具研究意义！在开关电源领域，我国的民族产业在国内一直占有举足轻重的地位。在开关电源应用的起步阶段，很多生产厂家采取的都是小作坊的生产模式。经过20余年的不懈努力，逐步向大规模生产转化，产品也从单一品种走向系列化。现在，我国已形成一批上亿元甚至10亿元以上产值的电源企业，有些产品已进入国际市场。这是我国开关电源技术不断成熟的表现。从技术上看，几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的主要标志如下所述：新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可能，功率MOSFET和IGBT已完全可以取代功率晶体管和晶闸管，从而使中小型开关电源工作频率可以达到400KHz(AC-DC)和1MHz(DC-DC)的水平。超快恢复功率极管，MOSFET同步整流技术的开发也使高效低电压输出(例如3V)开关电源的研制有了可能。现在正在探索研制耐高温的高性能炭化硅功率半导体器件。软开关技术使高频率开关变换器的实现有了可能，PWM开关电源按硬开关模式工作(开/关过程中电压下降/上升和电流上升/下降波形有交叠)，因而开关损耗大。开关电源高频化可以缩减体积重量，但开关损耗却更大了(功率与频率成正比)。为此必须研究开关电压/电流波形不交叠的技术，即所谓零电压开关(ZVS)/零电流开关(ZCS)技术，或称软开关技术。小功率软开关电源效率可以提高到80-85%。70年代谐振开关电源奠定了软开关技术的基础，以后新的软开关技术不断涌现，如准谐振(80年代中)，全桥ZVS-PWM 、恒频ZVS-PWM/ZCS-PWM (80年代末)、ZVS-PWM有源钳位；ZVT-PWM/ZVCT-PWM(90年代初)；全桥移相ZV-ZCS-PWM(90年代中)等，我国己将最新软开关技术应用于6KW通信电源中，效率达93%。例如电流型控制及多环控制，电荷控制，一周期控制，功率因数控制，DSP控制及相应专用集成控制芯片的研制成功等，使开关电源动态性能有很大提高，电路也大幅度简化。 有源功率因数校正技术(APFC)开发，提高了AC-DC开关电源功率因数。由于输入端有整流电容组件，AC-DC开关电源及一大类整流电源供电的电子设备(如逆变器，UPS)等的电网侧功率因数仅为0.65。80年代用APFC技术后可以提高到0.95-0.99。既治理了电网的谐波“污染”，又提高了开关电源的整体效率。 磁性组件新型材料和新型变压器的开发，例如集成磁路，平面型磁心，超薄型(Low profile)变压器。新型变压器如压电式，无磁心印制电路(PCB)变压器等，使开关电源的尺寸重量都可减少许多。 新型电容器和EMI滤波器技木的进步，使开关电源小型化并提高了EMC性能。 微处理器监控和开关电源系统内部通信技术的应用，提高了电源系统的可靠性。90年代末又提出了新型开关电源的研制开发，这也是新世纪开关电源的远景。如用一级AC-DC开关变换器实现稳压或稳流，并具有功率因数校正功能，称为单管单级(Single Switch Single Stage)或4S高功率因数AC-DC开关变换器；输出1V, 50A的低电压大电流DC-DC变换器，又称电压调节模块VRM，以适应下一代超快速微处理器供电的需求。1.3 主要研究内容开关电源是通过电路控制开关管进行高速的导通和截止，将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生一组或几组电压。它主要由主电路和控制电路构成，主电路包括DC-DC变化器，输出滤波等电路模块；控制电路包括取样电路，控制电路，缓冲电路等。其中DC-DC变换器是关键环节，变化器是把直流电压变换成高频交流电压，并且起到将输入输出隔离的目的。输出滤波器将交流高频电压整流滤波得到直流电压，同时还防止高频噪声对负载的干扰。控制电路则用取样电路进行取样，并且将其基础电压进行比较，调制脉冲宽度，从而保持输出电压稳定。本设计技术参数如下：输入为36-72V直流，输出电压为5V直流，纹波不大于50mV，额定功率为15W，转换效率=90%(典型值)。本论文主要分为5个章节：第一章是绪论部分，主要对本课题研究的背景和意义进行一些阐述，分析了目前小功率开关电源的研究现状。第二章主要是针对开关电源主电路拓扑图的种类和部分原件参数的选择，在分析了正激电路，反激电路和推挽电路的工作原理的基础上，进一步分析了各种拓扑图的特点和局限性，根据设计要求选择了合适的主电路拓扑图。同时对部分硬件进行选型和计算，主要包括变压器的设计和参数的计算，滤波电容器的选择和计算，储能电感的计算。第三章是控制方案的比较和选择，控制芯片的介绍和选择，以及控制芯片的外围电路的设计。第四章是针对第二章和第三章选取的电路图以及各个元件进行搭建仿真图，并且进行仿真，根据的得到的波形适当的修改部分参数，使之达到目标要求，并且对各个仿真图进行对比分析。第五章是结论，对整个毕业设计进行总结。第2章 主电路方案设计及参数计算2.1 隔离式高频开关电源系统设计隔离式开关电源的变换器具有多种形式。主要分为半桥式、全桥式、推挽式、单端反激式、单端正激式等等。在设计电源时，设计者采取那种变换器电路形式，主要根据成本、要达到的性能指标等因素来决定。各种形式的电源电路的基本功能块是相同的，只是完成这些功能的技术手段有所不同。隔离式高频开关电源电路的共同特点就是具有高频变压器，直流稳压是从变压器次级绕组约脉冲电压整流滤波而来。开关电源的基本功能方框如图2.1所示。 在图2.1中，交流线路电压无论是来自电网的，还是经过变压器降压的首先要经过整流、滤波电路变成含有一定脉动电压成分的直流电压，然后进入高频变换部分。高频变换部分的核心是有一个高频功率开关组件，比如开关晶体管、场效应管(MOSFET)等组件，直流输出输出整流高频变压器交流输入高频开关元件整流滤波PWM控制电路图2.1 隔离式开关电源的方框图高频变换部分产生高频(20kHz以上)高压方波，所得到的高压方波送给高频隔离降压变压器的初级，在变压器的次级感应出的电压被整流、滤波后就产生了低压直流。为了调节输出电压，使得在输入交流和输出负载发生变化时，输出电压能保持稳定，在这里采用一个叫做脉冲宽度调制器(FWM)的电路，通过对输出电压采样，并把采样的结果反馈给控制电路，控制电路把它与基准电压进行比较，根据比较结果来控制高频功率开关组件的开关时间比例(占空比)，达到调整输出电压的目的，在方波的上升沿和下降沿。有很多高次谐波，如果这些高次TB波反馈到输入交流线，就会对其它电子设备产生干扰。因此，在交流输入端必须要设置无线频率干扰(RFI)滤波器，把高频干扰减少到可接收的范围。 开关电源电路的典型结构主要包括功率变换电路、滤波电路以及取样电路等模块构成。其中功率变换电路是开关电源的核心部分，针对不同的直流电压功率变换电路有很多种拓扑结构，如反激电路，正激电路，推挽电路等。2.2 主电路拓扑结构选型2.2.1 反激电路单端反激电源电路如图2.2所示。变压器PT既是一个变压器又是一个线性电感，T饱和导通的时候其等效阻抗近似为零。如果外加电压Ui恒定，流过绕组N的电流i线性增长，由于绕组N和N是反极性的，二极管D截止，副边没有电流，导通期间的能量储存在初级电感里；当开关管截止时，副边绕组感应电势使二极管导通，通过输出电容和负载释放磁场能量。根据副边绕组放电时间的不同，单端反激电源分为三种工作模式:不连续工作模式（DCM）、临界工作模式和连续工作模式（CCM）。单端反激电路的物理量有以下关系。图2.2反激电路原理图开关管T导通期间，流过绕组N1的电流i1及磁通均线性增长，设N1的电感量为L1，则流过N的电流i1增量为 (2.1)式中T为开关周期；D为占空比。磁通的增量为 (2.2)在开关管T截止期间，流过绕组N2的电流i2及其磁通均线性减小，设N2的电感为L2，电流线性减小的时间是t，则流过N2的电流i2减量为(2.3)磁通减少量为 (2.4)在一个周期内磁通的增量等于磁通的减少量，。在开关管截止期间，N1上感应电压与电源电压Ui一起加在开关管T的CE结上，开关管承受电压为 (2.5)如果电流连续（含临界工作模式），输出电压的表达式为 (2.6) (2.7)如果电流不连续（亦含临界工作模式），T导通的起始电流为0，则，假设电路没有损耗，转换效率，输入功率Pi应该与输出功率Po相等，设输出负载电阻为RL。则有 (2.8)而从可以得到不连续工作模式和临界工作模式输出电压的表达式为 (2.9)从上式可以看出，在不连续工作模式和临界工作模式工作时，输出电压与输入电压和导通时间成正比；与负载电阻的平方根成正比，负载电阻越大，输出电压越高，因此这种负载的变压器不能开路，只适应在恒定负载或负载变动不大的场合运行。单端反激电源的变压器是按电感的方法设计的，为了保证磁通复位和磁芯不饱和，一般在磁芯开有气隙，磁通能量是储存在气隙中的。当初级电感大于临界电感时，电源工作在连续模式（CCM），当初级电感小于临界电感时，电源工作在不连续模式（DCM）。临界电感的设计可以按照上述公式计算。2.2.2 正激电路当Buck电路的开关管Tr与续流二极管D之间加入变压器隔离器T1便得到图2.3所示的单端正激变换器主回路电路图。图2.3 正激电路原理图由于正激式变换器的隔离元件T1是个典型变压器，因此在变压器副边电路中必有一个整流二极管D2和一个续流二极管D3，同时也要注意到变压器原边和副边线圈的同名端有相同的相位。由于是正激工作方式，在两只二极管后要加一个电感器L作为能量的储藏及传递元件。一般电感量大些，使得Ip较小。变压器T1的并绕一个绕组P2与二极管D1串联后接至Vs，这个绕组主要起去磁复位的作用，同时把漏感存储的能量回传给电源。单端正激变换器中的高频变压器，其磁通只工作在磁滞回线的第一象限，应遵循磁通复位的原则。但其变压器不像单端反激变换器的变压器那样有储能作用，因此单端正激变换器的变压器的设计方法与反激式有很大差异。2.2.3 推挽电路推挽式变换电路属于双端式变化电路。其高频变压器工作于磁滞回线两侧，是一种设计简单、工作合理的线路，适用范围比较广。其典型电路如图2.4所示。开关晶体管VT1，VT2由基极驱动电路激励交替导通和截止，输入直流电压Ui变换成高频方波交流电压，VT1导通时，Ui 通过VT1加到变压器T1的初级绕组N1上。由于变压器的作用，因此截止的晶体管VT2将施加于2倍的输入电压，即2Ui。当基极激励消失时，VT1，VT2管均截止，其集电极施加的电压均为输入电压Ui。下半个周期，VT2导通，VT1截止，VT1施加2倍的输入电压，接着又是两管截止，下一个周期重新开始。推挽式电路的主要缺点是开关晶体管的耐压要达到2倍的输入电源。电压的峰值，以本论文设计输入要求72V为例，稳态截止电压的最大值为144V，加上动态过程中的尖峰电压，开关晶体管必须要承受170V以上的电压。图2.4 推挽电路原理图2.3 主电路选择 反激式开关电源的优点是电路比较简单，体积比较小。反激式开关电源输出电压受占空比的调制幅度，相对于正激式开关电源来要高很多。反激式开关电源多用于功率较小的场合或是多路输出的场合。反激式开关电源不需要加磁复位绕组。在反激式开关电源中，电压器既具有储能的功能，有具有变压和隔离的功能。但是反激式开关电源的电压和电流的输出特性要比正激式开关电源的差，反激式开关电源的瞬态控制特性相对来说比较差，反激式开关电源变压器初级和次级线圈的漏感都比较大，开关电源变压器的工作效率低。 推挽式开关电源输出电流瞬态响应速度很高，电压输出特性很好。推挽式开关电源是所有开关电源中电压利用率最高的开关电源。推挽式开关电源的电压特性很好，且推挽式开关电源不会像半桥、全桥式开关电源那样出现两个控制开关同时串通的可能性。但是推挽式开关电源的两个开关器件需要很高的耐压值。推挽式开关电源的主要缺点是两个开关器件需要很高的耐压，其耐压必须大于工作电压的两倍，并需要一个储能滤波电感，因此，推挽式开关电源不宜用于要求负载电压变化范围太大的场合，特别是负载很轻或是经常开路的场合。推挽式转换器可以看作两个正激式转换器的组合，在一个开关周期内，这两的正激式转换器交替的工作。若两个正激式变换器不完全对称或平衡时，就会出现直流偏磁的现象，经过几个周期累计的偏磁，会使磁芯进入饱和状态，并导致高频变压器的励磁电流过大，甚至损坏开关管。正激式变压器开关电源输出电压的瞬态控制特性相对来说比较好。正激式变压器开关电源负载能力相对来说比较强。正激式变压器开关电源的电压和电流输出特性要比反激式变压器开关电源好很多。双管正激式转换器可以应用于较高电压输入，较大功率输出的场合。正激式开关电源比反激式变压器开关电源多用一个大储能滤波电感，以及一个续流二极管。正激式开关电源的体积比较大。正激式开关电源的变压器初级线圈产生的反电动势电压要比反激式变压器开关电源产生的反电动势电压高。由于本文要设计的开关电源要求输出特性尽量硬，响应尽可能快，因此不能选择反激式电路作为主电路拓扑。而由于推挽电路不能让输出开路，因此推挽电路也不太适合本设计要求，单端正激开关电源虽然体积较大，但基本满足设计要求，因此，主电路拓扑选择为单端正激电路。2.4 变压器的设计与脉冲变压器相同，单端变换器的变压器设计必须满足两个条件，一是服从电磁感应定律，二是在开关管导通期间确保磁芯不会饱和。下面给出计算公式：原边绕组匝数为： (2.10)式中E为原边绕组输入电压值，D为脉冲占空比，Ae是铁芯截面积（cm2），Bm是最大磁感应强度（G），Br是剩余磁感应强度（G）。为了确保在开关管导通期间铁芯不发生饱和，磁场强度H应当满足： (2.11)其中，H是磁场强度，lc是铁芯平均磁路长度（cm），Im是磁化电流（A），Lp是原边绕组励磁电感。 设计中的频率为300KHZ (2.12)(T：周期， )最大开关时间确定 (2.13)正向时最大占空比为0.40.45，现在确定最大占空比0.42 (2.14)二次电压输出计算 (2.15)扼流线圈压降，为二极管正向压降最低二次电压 (2.16) (2.17) (2.18)输入直流电压的最小值为按输入电路计算求得的值。在该设计例中，设，则：=0.378 (2.19)一次线圈的圈数和最大工作磁通密度的关系可用下式表示。线圈 (2.20)S为磁芯有效面积选择磁芯为EI-28,则由表3-1得出这时的有效截面积为残留磁通随磁芯温度和工作频率发生变化，当磁芯温度为100C，工作频率300kHZ的约减少1000高斯而为高斯。表3-1 变压器磁芯常用型号 根据上式，二次线圈的圈数是 (2.21) 一次线圈的圈数则是 (2.22) 圈数计算中，如出现尾数时，进位处理。确定时，二次线圈所需电压一定要充分，因此要进行的修正计算，根据前面已表示的关系式 (2.23) (2.24)2.5 滤波电路参数的计算大多数开关电源输出都是直流电压，因此，一般开关电源的输出电路都带有整流滤波电路。下面给出正激式电路滤波电容和电感的计算公式； (2.25) (2.26)式中Io为流过负载的电流（平均电流），当D = 0.5时，其大小正好等于流过储能电感L最大电流iLm的二分之一；T为开关电源的工作周期，T正好等于2倍控制开关的接通时间Ton ；UP-P为输出电压的波纹电压，波纹电压UP-P一般取峰-峰值，所以波纹电压等于电容器充电或放电时的电压增量，即：UP-P = 2Uc。同理，上两个公式的计算结果，只给出了计算正激式变压器开关电源储能滤波电感L和滤波电容C的中间值，或平均值，对于极端情况可以在平均值的计算结果上再乘以一个大于1的系数。代入本方案中的数值，计算出，注意，此处计算值为理论最小值，实际设计中要适当放大。第3章 控制电路的设计3.1 开关电源的几种主要控制方式开关电源的主要控制方式是PWM。其中电压控制模式（voltage-mode control）和峰值电流控制模式（peak current-mode control PWM）被广泛使用。（1）PWM电压控制模式 电压控制模式的原理如图3.1所示，它只有一个电压反馈环，误差放大器的输出与恒定频率的三角波相比较，通过脉冲宽度调制，得到要求的输出电压。单一回馈的电压环使设计和调试比较容易；但是，当输入电压或负载突变时，要经过主电路的输出电容和电感L延时，以及电压误差放大器的延时，在传至PWM比较器调制脉宽，使输出电压变化，这几个延时是电压控制模式瞬时响应慢的主要因素。改善电压控制模式瞬态响应慢的一种有效方法是采用电压前馈模式控制PWM技术，原理如图3.2所示。图3.1电压模式控制原理图图3.2电压前馈模式控制原理图输入电压对电容，电阻（Rff，Cff）充电产生斜坡可变化的锯齿波，取代传统模式的固定的锯齿波。当输入电压增高，充电电流增大，锯齿波斜坡立刻变陡，脉冲宽度变窄，不需要等待输出电压变化以后再通过反馈调整，输出电压变化引起的瞬态响应速度明显提高。（2）PWM峰值电流控制模式 峰值电流控制模式简称为电流控制模式。主要用于能出现电流峰值的电路，电流控制模式原理如图3.3所示。图3.3电流模式控制原理图 电流控制模式是一种固定时钟开启，峰值电流关断的控制方法。PWM脉冲的开通时刻有振荡器脉冲决定，关断时刻由误差电压放大器输出UE与代表电流峰值的信号US比较决定。峰值电流控制模式是双环控制系统，电压外环的输出控制电流内环，电流内环检测瞬时快速，它是采用逐个脉冲检测工作的，因此，峰值电流控制模式比电压控制模式瞬态响应速度快，而且可以限制电路的峰值电流。3.2 DPA426芯片工作原理 DPA426芯片的内部结构图如图3.4所示，DPA426的控制端具有较低的输入阻抗，并且能够接收一个合成的控制电压或一个反馈控制电流。在正常工作期间，芯片内部连接于控制端的一个并联稳压器便可将来自于输出负载电流中的反馈信号分离出来。为了控制包括栅极驱动器在内的所有电路，控制端的电压被设置成电源电压VC。通过外部电路就近连接控制端与S端之间的一个电容，可使芯片构成一个反馈控制补偿环，不但可为栅极驱动器提供所需的驱动电流，而且还可以设置芯片的自动重新启动周期时间。在启动期间，当输入的直流电源电压被施加到D端时，芯片内部的MOSFET功率开关就会关闭，控制端外接的电容就会通过集成在芯片内部的D端与控制端之间的一个高压电流源开始充电。当控制端的电压VC被充到大约为5.8V时，控制电路就会被激活，软启动电路也开始工作。而软启动电路工作后，就会在大约5ms的时间内将芯片内部的MOSFET功率开关的占空比从零逐渐增大到最大值。当软启动电路的工作结束后，芯片内部的高压电流源也会随之被关闭。如果无外部反馈电流或电源电流馈入到控制端，该端就会通过控制电路放电，从而使电源电流或MOSFET功率开关栅极驱动器的电流下降。如果电源设计得较为合理时，也就是不存在像开环或输出过压等诸如此类的故障时，或者当控制端的电压被释放到4.8V的欠压封锁门限电压以下时，反馈环路就会闭合，外部便可为控制端提供电流。当外部电路为控制端所馈入的充电电流将该端的电压充电到内部稳压器所提供的5.8V时，补偿端所提供的电流就会通过电阻RE分流给S端，流过电阻RE的电流将会控制芯片内部MOSFET功率开关的占空比，从而提供闭环稳压作用。当使用初级反馈电路结构时，芯片内部的稳压器具有一个较低的输出阻抗，并且输出阻抗还可以通过改变内部误差放大器的增益来设置。控制端的动态阻抗与外接电容联合起来便可设置控制环的最佳极性。当像开环或输出过载等诸如此类的故障发生而阻挡了外部电流进入控制端时，该端的电容就会放电，将其电压放到4.8V。这时，自动复位启动电路就会将输出端的MOSFET功率开关关闭，并且还可将控制电路的电流降低到较小的正常工作模式，内部的高压电流源就会导通，图3.4 DPA426内部结构图该端的外接电容也会再次充电。芯片内部一个具有延迟功能的欠压比较器就会将VC保持在可使高压电流源导通的4.8V与关闭的5.8V之间，如图3-5所示。具有8分频器的重新启动电路就会使输出端的MOSFET功率开关在8倍的充/放电周期时间之后再次导通，这样一来就可以使输出端的MOSFET功率开关在1/8的时间内达到满计数。因此就有效地限制了DPA423DPA426系列芯片的功率损耗，并且把电源输出的功率通过将自动重启动周期减小到4%的方式，使其达到最大。另外，当反馈环路闭合之后，而输出电压还没有稳定之前自动重启动模式将会连续运行。控制端的电流与占空比之间的关系曲线如图3.6所示。 芯片内部的振荡器在两个电压之间为其内部的一个电容进行线性充/放电，从而为脉宽调制器产生一个三角波。振荡器在每一个周期开始时不但能够设置脉宽调制器的门限，而且还能够设置限流门限。由于芯片内部的振荡器的振荡频率高达400kHz，因此不但能够使用最小体积的变压器，而且具有较快的功率环响应速度。当DPA423DPA426系列芯片的控制端C。图3.5 各工作过程典型波形：（1）上电（2）正常工作（3）自动重启动（4）关机图3.6 控制端的电流和占空比之间的关系一旦出现短路时，其开关工作频率选择端F就会将振荡频率降低到300kHz，这样一来就可使某些应用更趋合理，如次级具有同步整流电路的这些应用。无论如何，只要该系列芯片的开关工作频率选择端F连接到其输出端，即MOSFET高压功率开关源极引出端S时，芯片内部的振荡器的工作频率就被设置为默认的400kHz；当连接到控制端C时，其工作频率就被设置为300kHz。在任何应用电路中，开关工作频率选择端均不能悬空使用，如图3.7和3.8所示。 图3.7 300KHz工作频率设置电路 图3.8 400KHz工作频率设置电路3.3 驱动电路的设计 由上一节的介绍可知DPA426芯片相当于一个300KHz（当选用300KHz频率工作时），并且可以根据取样电流变化而改变占空比的PWM波发生器，相当于图3. 2电压前馈模式原理图中的振荡器，锁存器，放大器，开关管，以及PWM比较器等原件的总和，即只需要一个取样电流输入DPA426的C端，就能够得到一个占空比可控的PWM控制波形来控制开关管的开通与关断。如果输入电压变大，那么取样电路输入C端的电流也就越大，PWM波占空比越低（线性范围内），从而形成一个负反馈，使得输出基本稳定。 由此可以设计出驱动电路如图3.9所示图3.9 驱动电路第4章 系统建模和仿真本章主要是利用Simulink仿真工具对双向DC-DC变换器进行建模与仿真。首先对仿真工具MATLAB/Simulink进行了简单的介绍，对整个系统模块化，针对每个功能模块进行建模与仿真，包括移相PWM信号发生器部分、主电路部分、闭环控制部分的建模，然后是对整个系统模型进行仿真。4.1 MATLAB/Simulink简介MATLAB(Matrix Laboratory)，即矩阵实验室，是在1980年由美国的Cleve Moler博士建立的。MATLAB早期用于数值计算及控制系统的仿真和分析，经过多年不断地扩展，目前涉及通信、信号处理、电气工程、人工智能等诸多领域，已经成为风靡全球的科学计算软件。Simulink是MATLAB下的一个分支产品，主要是用来实现对工程问题的模型化及动态仿真。MATLAB仿真编程是在文本窗口中进行的，编制的程序是一行行的命令和MATLAB函数，而在Simulink仿真环境中，由于它与用户交互接口是基于Windows的模块化图形输入，所以用户可以通过单击拖动鼠标的方式绘制和组织系统，并完成对系统的仿真。Simulink体现了模块化设计和系统级仿真的思想，采用模块组合的方法使用户能够快速、准确地创建动态系统的计算机模型，使得建模仿真如同搭积木一样简单。Simulink现已成为仿真领域首选的计算机环境。在Simulink仿真环境中，系统的各元件的模型都用框图来表示，框图之间的连线则表示了信号流动的方向。对用户来说，只需要知道这些功能模块的输入、输出、功能模块的功能以及图形界面的使用方法，就可以方便地使用鼠标和键盘进行系统仿真，而不必通过复杂的编程语言完成系统的动态仿真，这无疑是很受欢迎的。Simulink中提供了非常丰富的模块库，包括了各种功能的模块在电力电子仿真分析中，常用的模块库有Simulink、SimPowerSystems等，库里面包含了大多数常用的电力电子元器件模块。在电路建模时，只需要将库中的模块拖动放入新建的simulink文件中，然后是模块的连线，连好电路后修改参数设置在弹出的窗口进行仿真环境的设置，然后再点击仿真平台页面工具栏中的运行图标进行电路的仿真。4.2 正激开关电源的建模与仿真首先新建一个模型文件，进入Simulink建模仿真平台，然后在原件库中选取合适的原件搭建出如图4-1所示的仿真图所示的。此仿真模块主要有电源模块，反馈模块，正激电路模块组成。图4.1 搭建的仿真原理图4.3 参数的设置 为了能够很好的观察仿真电路输出的各种波形，又为了使计算机仿真时间不至于太长，综合考虑下确定仿真时间为0.2s。 由于要求的电压范围为3672V直流，而simulink元件库里面的直流电源均为固定输出的直流电源，因此选取一个直流电源和一个交流电源串联。直流电源电压设置为54V，交流电源电压设置为18V，频率设置为5Hz，保证在0.2s的仿真时间之内能完成一个周期。这样就可以得到一个在36-72V的直流电源。输出波形如图4.2所示。反馈环给定值给定为5V，滤波电容值和储能电感值有本文第三章给出公式计算出。由于本方案采用闭环控制，闭环控制电路建模过程中主要用到PID调节器模块或PI调节器模块。闭环控制电路建模的重点和难点是整定PID调节器和参数，包括比例系数、积分系数和微分系数。PID 控制器参数整定的方法很多，概括起来有两大类：理论计算整定法和工程整定方法。其中理论计算整定法要求获得对象的特性参数，建立对象的数学模型，通过计算方法求得控制器参数,计算非常复杂和繁琐，在工程实际中很少使用，仅用于理论分析。工程整定方法避开对象的数学描述，其方法简单，计算方便，容易掌握。本文采用工程整定方法，进行PID的手动调节：首先整定比例部分。将比例参数由小变大，并观察相应的系统响应，直至得到反应快、超调小的响应曲线。如果在比例调节的基础上系统的静差不能满足设计要求，则必须加入积分环节。在整定时先将积分时间设定到图4.2 输入电压波形一个比较大的值，然后将已经调节好的比例系数略为缩小，然后减小积分时间，使得系统在保持良好动态性能的情况下，静差得到消除。在此过程中，可根据系统的响应曲线的好坏反复改变比例系数和积分时间，以期得到满意的控制过程和整定参数。如果在上述调整过程中对系统的动态过程反复调整还不能得到满意的结果，则可以加入微分环节。首先把微分时间D设置为0，在上述基础上逐渐增加微分时间，同时相应的改变比例系数和积分时间，逐步凑试，直至得到满意的调节效果。4.4 仿真和校正图4.3 原始波形根据上节数据代入图4.1中，PI调节器先只要P调节，取P=1，进行仿真，得到输出电压的波形如图4.3。根据图4.3看出，由计算值代入得到的波形很差，完全不符合要求，由该图可以看出纹波极大，需要极大上调电容参数，将电容值扩大10倍；而储能电感越大，输出就越平滑，则也需要适当增大电感的值，将电感值增至，而由于仿真图中有很多突变的部分，因此可认定快速性不好，P值适当增大到100，得到仿真图如图4.4。图4.4 初次调整后的波形根据图4.4的波形，可以看出经过调整后的波形比最开始的波形要好的多，但是仍然不符合要求。纹波依然过大，需要继续增大滤波电容值，将电容值扩大16倍至，得到波形如图4.5 所示。其中（a）图为原始比例图，（b）图为放大图。（a） （b） 图4.5 第二次调整后的输出波形 根据图4.5的输出波形，可以基本认定纹波符合了要求，但是电路的快速性仍然不好，将P值调节到1000，可以得到仿真波形如图4.6 图4.6 调节完参数后的最终波形 由图4.6可以看出，该反馈已经能够达到目标要求，系统无静差，无需添加积分调节器来消除误差，因此调节器确定为P调节器，参数为P=10004.5 仿真结果的分析和结论 这一章的主要内容是对正激开关电源的闭环下的仿真，通过对一系列仿真结果的分析，可以加深对整个系统电路的工作原理的认识。通过4.4节的几个仿真图可以看出，电容越大，纹波越小；P值越大，快速性越好；储能电感也是越大越好。同时通过对仿真图4.6的分析，本仿真电路的输出电压范围为4.99V-5.03V，满足输出电压纹波=50mV的设计要求，由图4.2可以认定电路的输入满足设计要求，综上，可以认定本设计满足设计要求。第5章 全文总结与展望这次毕业设计，我所设计完成是小功率稳压电源的设计，使用的是DPA426芯片。而DPA426是我们以前没有接触和学习过的芯片，所以我们先通过各种可用的途径查找关于DPA426的功能和其