（微电子学与固体电子学专业论文）一种恒流恒压输出acdc控制器设计.pdf

摘要 随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种 类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。任何电子设备都 离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高，电能变换已经成为应用最广 泛的技术。本文是以参加西安民展微电子有限公司的一种a c 。d c 开关电源管理 芯片设计项目为背景的。 本文首先详细的介绍了a c d c 开关电源系统的基本工作原理和控制模式， 为实现管理芯片的设计做了充分的理论准备，然后根据设计要求提出了详细的设 计方案，最后对方案完成了电路实现。芯片内集成了控制电路和保护电路，可广 泛的应用于小功率反激式原边反馈模式的开关电源系统中。 该芯片采用了电流反馈脉宽调制的控制方案，恒流恒压工作模式，大大提高 了系统的响应性能和工作效率。振荡器工作过程中同时启动频率抖动电路，以降 低整个电路的e m i 。整个芯片的设计包括了带隙基准电源、软启动、误差放大器、 振荡器、频率抖动、p w m 逻辑控制、过欠压保护等内部模块电路，并在最后一 章给出了整体系统的测试结果。 该芯片基于s i n o m o s1 o 岬c m o s 工艺设计，基于c a d e n c es p e c t r e 完成了 各个模块的仿真验证。测试结果表明，电路功能和性能指标均己达到设计要求。 关键词：开关电源恒流恒压频率抖动 脉冲宽度调制 a b s 仃a c t w i t ht h er a p i dd e v e l o p m e n to fe l e c t r o n i ct e c h n o l o g y , e l e c t r o n i cs y s t e m sm o r ea n d m o r ea p p l i c a t i o n s ，m o r ea n d m o r et y p e so fe l e c t r o n i ce q u i p m e n ta n dp e o p l ew o r k i n g a n dl i v i n gi n c r e a s i n g l yc l o s er e l a t i o n s h i p a n ye l e c t r o n i ce q u i p m e n tc a l ln o tb e s e p a r a t e df r o mar e l i a b l ep o w e rs u p p l y , t h e i rp o w e rr e q u i r e m e n t sa r ea l s or i s i n g ， e n e r g yc o n v e r s i o nh a sb e c o m et h em o s tw i d e l yu s e dt e c h n o l o g y t h ep a p e ri sb a s e do n t h ep r o j e c tw h i c hi s a c - d cs m p s ( s w i t c hm o d ep o w e rs u p p l y ) r e g u l a t i o nc h i p d e s i g n i nx i a l lm y p o w e r r a i lm i c r o c o ，l t d t h i sp a p e rf i r s td e t a i l e da c c o u n to ft h ea c - d cs m p ss y s t e m ，t h eb a s i cw o r k i n g p r i n c i p l ea n dc o n t r o lm o d e lf o rt h er e g u l a t i o no ft h ec h i pd e s i g nh a sm a d ef u l l p r e p a r a t i o n sf o rt h et h e o r y , a n dt h e np u tf o r w a r dad e t a i l e dd e s i g no ft h ep r o g r a mi n a c c o r d a n c ew i t ht h er e q u i r e m e n t s ，f i n a l l y , t h ep r o g r a mc o m p l e t e dac i r c u i to n c h i p i n t e g r a t e dc i r c u i t sc o n t r o la n dp r o t e c t i o no ft h ec i r c u i tc a l lb eu s e di naw i d er a n g eo f l o w - p o w e rf l y b a c kf e e d b a c kf r o mt h eo r i g i n a le d g eo f t h es m p s s y s t e m t h el l s eo ft h ec u r r e n tp w mf e e d b a c kc o n t r o lp r o g r a m ，t h ec c c vm o d eo f o p e r a t i o n ，g r e a t l ye n h a n c e dt h es y s t e m sr e s p o n s et ot h ep e r f o r m a n c ea n de f f i c i e n c y o s cw o r ka tt h es a n l et i m es t a r tt h ep r o c e s so ff x e q u e n c ys h u f f l i n gc i r c u i t ，t h ec i r c u i t a saw h o l ei no r d e rt or e d u c et h ee m i t h ee n t i r ec h i pd e s i g n ，i n c l u d i n gt h o s eo ft h e b a n d g a pr e f e r e n c e ， s o f ts t a r t ,b 田 l o ra m p l i f i e r ,o s c ， f r e q u e n c ys h u f f l i n g , p w m c o n t r o l & l o g i c ，0 v p , u v l oa n ds oo n t h eo v e r a l ls y s t e mt e s tr e s u l t sa r es h o w ni n t h el a s tc h a p t e r t h ec h i pi sb a s e do ns i n o m o s1 0 l x mc m o sp r o c e s sd e s i g n ，a n dc a d e n c e s p e c t r ec o m p l e t i o no ft h ev a r i o u sm o d u l e so ft h es i m u l a t i o n t h et e s tr e s u l t ss h o w c i r c u i tf u n c t i o n a l i t ya n dp e r f o r m a n c ei n d i c a t o r sh a v eb e e nd e s i g n e dt om e e tt h e r e q u i r e m e n t s k e y w o r d ： s m p sc c c v f r e q u e n c ys h u f f l i n g p w m 西安电子科技大学 学位论文独创性( 或创新性) 声明 秉承学校严谨的学风和优良的科学道德，本人声明所呈交的论文是我个人在 导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标 注和致谢中所罗列的内容以外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成 果；也不包含为获得西安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已在论文中做了明确的说 明并表示了谢意。 申请学位论文与资料若有不实之处，本人承担一切的法律责任。 本人签名：，是鱼! 盘日期2 翌：! ：! 西安电子科技大学 关于论文使用授权的说明 本人完全了解西安电子科技大学有关保留和使用学位论文的规定，即：研究 生在校攻读学位期间论文工作的知识产权单位属西安电子科技大学。学校有权保 留送交论文的复印件，允许查阅和借阅论文；学校可以公布论文的全部或部分内 容，可以允许采用影印、缩印或其它复制手段保存论文。同时本人保证，毕业后 结合学位论文研究课题再撰写的文章一律署名单位为西安电子科技大学。 ( 保密的论文在解密后遵守此规定) 本学位论文属于保密，在一年解密后适用本授权书。 本人签名： 导师签名： 日期竺z ：兰：! 日期幽。! ：! 第一章绪论 第一章绪论 本章简要介绍了什么是开关电源及开关电源的分类，简要阐述了开关电源现 阶段的发展情况及未来的发展趋势，最后结合本论文主要完成的设计工作，介绍 了论文的章节安排。 1 1 1 什么是开关电源 1 1 开关电源及其分类 电是工业的动力，是人类生活的源泉。我们所用的电，一般都需经过转换才 能适合使用的需要，如交流转换成直流，高电压变成低电压，大功率变换为小功 率等。为了达到电源转换的目的，自2 0 世纪6 0 年代，人们研发出了二极管、三级 管半导体器件后，就用半导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开 关，将一种电源形态转换成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时， 以自动控制稳定输出并有各种保护环节的电路，称为开关电源( s w i t c h i n gm o d e p o w e rs u p p l y ) 【1 1 。 开关电源是相对线性电源说的，简单的说，就是通过用电子线路组成开关式 ( 方波) 振荡电路来达到对电能的转换。这种方式有很多优点，一是稳压范围宽， 在一定范围内输出电压与输入电压变化无关，如个人电脑电源在8 0 v - 2 4 0 v 都可以 正常工作，是其它方式电源无法比拟的。二是效率高，由于采用开关振荡工作方 式，热损耗特别少，发热低。三是结构简单，相对于其它相同功率的电源，开关 电源的体积与重量要少得多。因此，在众多的电子设备中，开关式电源已经是相 当普遍。 1 1 2 开关电源的分类 开关电源可分为a c d c 和d c i d c 两大类，d c d c 变换器现已实现模块化，且 设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可。但一次 电源a c d c 因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺 制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。 1 ) d c d c 类开关电源 种恒流恒压输出a c d c 控制器设计 d c d c 类开关电源是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流 斩波器。斩波器的工作方式有两种：一是脉宽t 不变，改变频率f 的调制方式( 通 用) ；二是频率f 不变而改变脉宽t 的调制方式( 易产生干扰) 。其具体的电路 有以下几类i b u c k 电路：降压斩波器，其输出平均电压u o 小于输入电压u i ，极性相 同。 b o o s t 电路：升压斩波器，其输出平均电压u o 大于输入电压u i ，极性相 同。 b u c k b o o s t 电路：降压或升压斩波器，其输出平均电压u o 大于或小于输 入电压u ，极性相反，电感传输。 c u k 电路：降压或升压斩波器，其输出平均电压u o 大于或小于输入电压 u i ，极性相反，电容传输。 当今软开关技术使得d c d c 发生了质的飞跃，美国v i c o r 公司设计制造的 多种e c i 软开关d c d c 变换器，其最大输出功率有3 0 0 w 、6 0 0 w 、8 0 0 w 等， 相应的功率密度为( 6 、2 、1 0 、1 7 ) w e r a 3 ，效率为( 8 0 9 0 ) 。日本n e m i cl a m b d a 公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块r m 系列，其开关频率 为2 0 0 - - 3 0 0 k h z ，功率密度已达到2 7 w c m 3 ，采用同步整流器( m o s f e t 代替肖 特基二极管) ，使整个电路效率提高到9 0 。 2 ) a c d c 变换器 a c d c 变换器是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的。功率电流流 向负载的变换称为“整流”，功率电流由负载传输回电源的称为“有源逆变”。a c d c 变换器输入为5 0 6 0 h z 的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤 波电容器是必不可少的。同时，因遇到安全标准( 如u l 、c c e e 等) 及e m c 指 令的限制( 如i e c 、f c c 、c s a ) ，交流输入则必须加e m c 滤波及使用符合安全 标准的元件，这样就限制了a c d c 电源体积的小型化。另外，由于内部的高频、 高压、大电流开关动作，使得解决e m c 电磁兼容问题难度加大，也就对内部高 密度安装电路设计提出了很高的要求。由于同样的原因，高电压、大电流开关使 得电源工作消耗增大，限制了a c d c 变换器模块化的进程，因此必须采用电源 系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。 a c d c 变换器按电路的接线方式可分为半波电路、全波电路：按电路的控制 特点可分为不可控、半控和全控；按电源相数可分为单项、三相和多相；按电路 工作象限又可分为一象限、二象限、三象限和四象刚2 。 第一章绪论 1 2 开关电源的现状及发展趋势 目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为 主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞 速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体 管制成的1 0 k i - i z 、用m o s f e t 制成的5 0 0 k h z 电源，虽已实用化，但其频率有 待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需 要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二 极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还 会大大降低电源本身的可靠性。其中，为了防止随开关开启闭合所发生的电压浪 涌，可采用r c 或l - c 缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非 晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1 m i - i z 以上的高频，要采用谐振电路，以 使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可 控制浪涌的发生，这种开关方式称为谐振式开关。目前对这种开关电源的研究很 活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗 降到零，而且噪声也小，有望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界 上许多国家都在致力于数兆h z 的变换器的实用化研究。随着电子产品轻、薄、 小的发展趋势，要求电子元件体积更小，耗能更低。开关电源作为电子设备中不 可或缺的组成部分也在不断的改进。高效率、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和 模块化，成了开关电源的发展方向。 高效率：为了使开关电源轻、小、薄，高频化( 开关频率达兆赫级) 是必然 发展趋势。而高频化又必然使传统的p w m 开关( 属硬开关) 功耗加大，效率降 低，噪声也提高了，达不到高频、高效的预期效益，因此实现零电压导通、本电 流关断的软开关技术将成为开关电源产品未来的主流。采用软开关技术可使效率 达到8 5 8 8 。 高可靠：开关电源比连续工作电源使用的元器件多数十倍，因此降低了可靠 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。追求寿命的延长要从设计方面着眼，而不是从使用方面着想。美国一公司 通过降低给温、减少器件的电应力、降低运行电流等措施使其d c d c 开关电源 系列产品的可靠性大大提高，产品的平均无故障时间高达1 0 0 万小时以上。 模块化：无论是a c d c 或是d c d c 或是变换器都是朝模块化方向发展。其 特点是：可以用模块电源组成分布式电源系统；可以设计成n + 1 冗余电源系统， 从而提高可行性：可以做成插入式，实现热更换，从而在运行中出现故障时能高 一种恒流恒压输出a c d c 控制器设计 速更换模块插件；多台模并联可实现大功率电源系统。此外，还可以在电源系统 建成后，根据发展需要不断扩充容量。 低噪声：开关电源的又一缺点是噪声大，单纯追求高频化，噪声也随之增大， 采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以高频化，又可以低噪声。但谐振转 换技术也有其难点，例如很难准确地控制开关频率、谐振时增大了器件负荷、场 效应管的寄生电容易引起短路损耗、元件热应力转向开关管等问题难以解决。 抗电磁干扰( e m i ) ：当开关电源在高频下开关时，其噪声通过电源线产生 对其它电子设备的干扰，世界各国已有抗e m i 的规范或标准，如美国的f c c 、德 国的v d e 等，研究开发抗e m i 的开关电源越来越重要。 1 - 3 论文的主要工作 本文结合公司项目和当今电源管理的发展趋势，设计了一款小功率、离线式 a c - d c 开关电源管理芯片。该芯片工作在原边反馈模式，所以可以省略光电耦合 器( o p t i c a lc o u p l e r ) 和精密稳压源t l 4 3 1 。在工作方式上分阶段采取恒流恒压 的模式，恒流( c o n s t a n tc u r r e n t ) 工作模式下，工作频率由1 2 k h z 逐渐上升至 5 0 k h z ；恒压( c o n s t a n tv o l t a g e ) 工作模式下，工作频率固定在5 0 k h z 。当达到 额定输出电压时，电路将进入突发( e x t e n d e db u r s tm o d e ) 模式工作，工作频率跳 变为2 2 k h z 。该芯片还包括了软启动电路、过欠压保护和自动恢复、电流限制等 功能，同时采用频率抖动技术来减小整体电路的e m i 。 本文的主要工作是a c d c 开关电源管理芯片电路的设计及验证。首先，从 开关电源系统的角度出发设计该芯片的整体结构：其次，根据设计要求，利用自 己的电路知识设计出模块电路；接着，利用s p e c t r e 软件对各个模块电路进行仿真 验证，使模块电路达到系统的设计要求；最后，给出样片的测试结果并对其作简 要分析。 本文主要由下面几个部分组成： 第一章：绪论，简要介绍了什么是开关电源及开关电源的分类，简要阐述了 开关电源现阶段的发展情况及未来的发展趋势。 第二章：介绍了开关电源系统的基本原理和工作流程，并详细分析了开关电 源系统在控制方式、工作模式等方面的基本理论和原理。 第三章：介绍了a c d c 开关电源系统的基本原理，接着给出本文所设计芯 片工作的a c d c 开关电源系统的要求、工作原理，最后介绍芯片内部结构的划 分和工作原理。 第四章：系统中模块电路的设计，主要包括过欠压保护电路、带隙基准电路、 软启动电路、前沿消隐电路、振荡器电路、频率抖动电路、p w m 逻辑电路等的 第一章绪论 设计与仿真。 第五章：测试结果与分析。 最后是结束语、致谢及参考文献。 第二章开关电源i c 的概述 第二章开关电源i c 的概述 本章首先简单介绍了开关电源的基本原理和工作流程，接着详细分析了开关 电源系统的调制方式、控制方式、工作模式等方面的基本理论和原理，为本文的 设计提供了理论基础。 2 1 开关电源的基本原理和工作流程 2 1 1 开关电源的基本原理 开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管的开通和关断的时间比 率，维持稳定输出电压的一种电源，简单结构如图2 1 所示。 图2 1 开关电源基本电路 开关晶体管v t 串联在输入电压v i 和输出电压v o 之间，当晶体管v t 的基 极输入开关脉冲信号时，v t 则被周期性地开关，即轮流交替处于饱和导通与截 止。假定v t 为理想开关，则v t 饱和导通时基极发射极之间的压降近似为零， 输入电压v i 经v t 加至输出端；反之，在v t 截止期间，输出为零。v t 经周期 性开关后在输出端得到脉冲电压，且经滤波电路可得到其平均直流电压，输出电 压如下式所示： ， v o = 巧等= 形o d ( 2 - 1 ) t o n 为开关导通时间，t 为开关周期，d 为占空比。由此可见，开关稳压电源 可以通过改变开关脉冲占空比，即开关导通时间t o r i 来控制输出直流电压值3 1 。 2 1 2 开关电源的工作流程 开关电源通常由六大部分组成，如2 2 图所示。 第一部分是输入电路，它包含有低通滤波和一次整流环节。2 2 0 v 交流电经低 通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压v i ，此电压送至第二部分进行功率因 8 一种恒流恒压输出a c - d c 控制器设计 图2 2 开关电源工作原理框图 数校正，其目的是提高功率因数，它的形式是保持输入电流与输入电压同相。所 谓有源功率因数校正，是指电源在校正过程中常采用三极管和集成电路。第三部 分是功率转换，它是由电子开关和高频变压器来完成的，是把高功率因数的直流 电压变换成受到控制的、符合设计要求的高频方波脉冲电压。第四部分是输出电 路，用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。第五部分是控制 电路，输出电压经过分压、采样后与电路的基准电压进行比较、放大。第六部分 是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽 调制，达到脉冲宽度可调。有了高频振荡才有电源变换，所以说开关电源的实质 是电源变换【1 1 。 2 2 开关电源的控制方式 2 2 1 开关电源控制信号的调制方式 目前生产的开关电源多数采用脉宽调制方式，少数采用脉冲频率调制方式， 很少见到混合式调制方式。 脉冲频率调制( p f m ) 是将脉冲宽度固定，通过调节工作频率来调节输出电 压。在电路设计上要用固定频率发生器来代替脉宽调制器的锯齿波发生器，并利 用电压、频率转换器( 例如压控振荡器v c o ) 改变频率。稳压原理是：当输出电 压升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变，而工作周期变长，使占空比减小， 输出电压降低。调频式开关电源的输出电压的调节范围很宽，调节方便，输出可 以不接假负载，详见图2 3 ( b ) 所示波形。 第二章开关电源l c 的概述 9 混合调制方式是指脉冲宽度与频率都不固定，都可以改变。目前这种调制方 式应用的不是很多，产品类型也不多，只是在个别实验室中使用，其原因是两种 调制方式共存，相互影响较大，稳定性差。再者，这种开关电源电路比较复杂， 集成控制电路也不是很多，但是它的占空比调节范围很宽，输出电压能作到很低。 一t o r - hh 叶一 v i “ v o kh v i “ v o ( a ) p w m 调制方式 v 面 v o v 蛔 v o ( b ) p f m 调制方式 图2 3p w m 、p f m 调制方式波形图 1 ) 脉宽调制的基本原理 开关电源采用脉宽调制方式的占很大比例，所以有必要对脉宽调制的基本原 理加以了解。2 2 0 v 交流电输入电压经过整流( b r ) 滤波后变为脉动直流电压， 供给功率开关管作为动力电源。开关管的基极或场效应管的栅极由脉宽调制器的 脉冲驱动。脉宽调制器由基准电压源、误差放大器、p w m 比较器和锯齿波发生 器组成，如图2 4 所示。开关电源的输出电压和基准电压进行比较、放大，然后 将其差值送到脉宽调制器。脉宽调制的频率是不变的，当输出电压v o 下降时，与 基准电压比较的差值增加，经放大后输入到p w m 比较器，加宽了脉冲宽度。宽 脉冲经开关晶体管功率放大后，驱动高频变压器，使变压器初级电压升高，然后 耦合到次级，经过二极管v d 整流和电容c 2 滤波后，输出电压上升，反之亦然。 几 印 1 0 一种恒流广匿乐输出a c d c 控制器设计 图2 4 脉宽调制的原理图 2 ) 脉冲频率调制的基本原理 脉冲频率调制的过程是这样的：如图2 5 所示，从输出电压中取出一信号电 压并由误差放大器放大，放大后的电压与5 v 基准电压进行比较，输出误差电压 v r ，并以此电压作为控制电压来调制v c o 的振荡频率f o 再经过瞬间定时器、控 制逻辑和输出级，输出一方波信号，驱动m o s 开关管，最后经高频变压器t r 和 整流滤波电路获得稳定的输出电压v o 。假设由于某种原因而使v o 上升或负载阻 抗下降，控制电路立即进行下述闭环调整：v o 下一v r t 一日_ v oj ，。该循环的结 果使得输出电压v o 趋于稳定。假设电源效率为 1 ，脉冲宽度为r n ，脉冲频率为f ， 则有v = 厂k 。当，7 聊k 确定后，通过调制的振荡频率就可以调or m v c o 节输出电压v o ，并实现稳定输出。其中：a 、b 、c 是v c o 外围元件连接端，它 们将决定振荡的工作频率和频率调制灵敏度，d 端为锯齿波电压输入端，由它改 变定时器定时时间。 第二章开关电源i c 的概述 2 2 2 开关电源控制方式 图2 5 脉冲频率调制的基本原理 我们通常使用的开关电源都是基于p w m 的调制方式，所以我们着重分析 p w m 方式下的控制技术。p w m 控制技术主要分为两种：一种是电压模式p w m 控制技术，另一种是电流模式p w m 控制技术。 1 ) 电压模式p w m 控制器 开关电源最初采用的是电压模式p w m 技术，基本工作原理如图2 6 所示。 输出电压v o 与基准电压相比较后得到误差信号v 。附。此误差电压与锯齿波发生 图2 6电压模式p w m 控制技术原理 1 2 一种恒流恒压输山a c d c 控制器设计 器产生的锯齿波信号进行比较，由p w m 比较器输出占空比变化的矩形波驱动信 号，这就是电压模式p w m 控制技术的工作原理。 由于此系统是单环控制系统，其最大的缺点是没有电流反馈信号。由于开关 电源的电流都要流经电感，因此相应的电压信号会有一定的延迟。然而对于稳压 电源来说，需要不断地调节输入电流，以适应输入电压的变化和负载的需求，从 而达到稳定输出电压的目的。因此，仅采用采样输出电压的方法是不够的，其稳 压响应速度慢，甚至在大信号变化时，会因为产生振荡而造成功率开关管的损坏 等故障发生，这是电压模式p w m 控制技术的最大不足之处。 2 ) 电流模式p w m 控制器 电流模式p w m 控制技术是针对电压模式p w m 控制技术的缺点而发展起来 的。所谓电流模式p w m 控制，就是在p w m 比较器的输入端直接用输出电感电 流检测信号与误差放大器的输出信号进行比较，实现对输出脉冲占空比的控制， 使输出电感的峰值电流跟随误差电压变化。这种控制方式可以有效地改善开关电 源的电压调整率和电流调整率，也可以改善整个系统的瞬态响应。电流模式p w m 控制技术的工作原理如图2 7 所示【4 j 。 图2 7电流模式p w m 控制技术的工作原理 出电压 v o 电流型p w m 控制技术主要分为峰值电流控制技术和平均电流控制技术，这 两种控制技术检测并反馈的是一个导通周期内电流变化的峰值和平均值。 峰值电流控制技术：峰值电流模式控制是直接控制峰值输出侧电感电流的大 小，然后间接地控制p w m 的脉冲宽度。因为峰值电感电流容易检测，而且在逻 辑上与平均电感电流大小变化一致。但是，峰值电感电流的大小不能与平均电感 电流的大小一一对应，因为在占空比不同的情况下，相同的峰值电感电流可以对 第二章开关电源i c 的概述 应不同的平均电感电流，而平均电感电流的大小才是唯一决定输出电压大小的因 素。当系统p w m 占空比d 5 0 时，固定频率峰值电流模式控制方式存在着固 有的开环不稳定现象，需要引入适当的斜坡补偿，去除不同占空比对平均电感电 流大小的扰动，使得所控的峰值电感电流最后收敛于平均电感电流。当外加斜坡 补偿信号的斜率增加到一定程度时，峰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中的三角波代替，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。峰值电流模式控制是双闭 环控制系统( 外环为电压环，内环为电流环) ，电流内环是瞬时快速按照逐个脉冲 工作的。在该双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态变化，因而电压外环 仅需控制输出电压，不必控制储能电路。因此，峰值电流模式控制具有比电压模 式控制大得多的带宽。 平均电流控制技术：平均电流控制需要检测电感电流，电感电流检测信号与 给定的v 。进行比较后，经过电流调节器生成控制信号v 。，v 。再与锯齿波调制信 号进行比较，产生出p w m 脉冲。电流调节器一般采用p i 型补偿网络，并可以滤 除采样信号中的高频分量。 两种电流控制技术的比较：峰值电流型控制技术的特点是方便、快速，但是 需要稳定性补偿；平均电流型控制技术的特点是稳定可靠，但是响应速度较慢， 而且控制起来也比较复杂。因此，在实际应用中，峰值电流控制模式比平均电流 控制模式应用更为普遍【2 j 。 2 3 1 反激式p w m 变换器 v 2 3 开关电源工作模式 图2 8 反激式变换器基本电路 1 4 一种恒流恒压输出a c d c 控制器设计 所谓反激式是指变压器的初级极性与次级极性相反，如图2 8 所示。它是由 开关管v t 、整流二极管d 1 、滤波电容c 和隔离变压器构成的。如果变压器的初 级上端为正，则次级上端为负，开关管v t 按照p w m 方式工作。反激式变换器 效率高，线路简单，能提供多路输出，所以得到了广泛应用。 ( a ) v t 导通 v ( c ) v t 关断，电流断续 ( b ) v t 关断 图2 9 不同开关模式下的等效电路 反激式p w m 变换器有电流连续和电流断续两种工作方式。对初级绕组w l 流经开关管的电流i d 而言，它的电流是不可能连续的，因为开关管v t 断开后， 其电流必然为零，但此时在次级绕组w 2 中必然引起电流，故对反激式变换器来 说，电流连续是指变换器两个绕组的合成安匝在一个开关周期中不为零，而电流 断续是指合成安匝在开关管v t 关断期间有一段时间为零。当电流连续时，反激 式变换器有两种开关模式，如图2 9 中( a ) ( b ) 所示；而当电流断续时，反激式 变换器有三种开关模式，如图2 9 中( a ) ( b ) ( c ) 所示。 1 ) 电流连续时反激式变换器的工作原理 第二二章开关电源l c 的概述 开关模式1 如图2 9 ( a ) ，在t = 0 瞬间，开关管v t 导通，电源电压v j 加在变压器初级绕 组w l 上，此时，在级次绕组w 2 中的感应电压心= 一w 形2v ，使二极管d 1 截止， 负载电流由滤波电容c 提供。此时，变压器的次级绕组开路，只有初级绕组工作， 相当于一个电感，其电感量为l i ，一次初级电流i p 从最小值i p 而。开始线性增加， 其增加率为： 生丘 ( 2 2 ) 面l 1 在t = t 时，电流i p 达至l l 大值i p 啦x 。 k 呜岫+ 三。丁 ( 2 - 3 ) 在此过程中，变压器的铁芯被磁化，其磁通也线性增加。磁通的增加量 为： 咏，= 鲁。丁 c 2 4 ， 开关模式2 如图2 9 ( b ) ，在t - t o 时，开关管v t 关断，初级绕组开路，次级绕组的感 应电动势反向，使二极管d l 导通。储存在变压器磁场中的能量通过二极管d 1 释 放，一方面给电容c 充电，另一方面也向负载供电。此时，只有变压器的次级绕 组工作，相当于一个电感，其电感量为l 2 。次级绕组上电压为v o ，次级电流l 从最大值i s 瑚。线性下降，其下降速度为： 堡：兰(2-5) d t l 2 在t = t 时，电流i 。达到最小值i s 晌。 l 晌= ，。吣+ 善( d ) t l - d ) ( 2 - 6 ) l 晌“s 呲+ 芒 在此过程中，变压器铁芯去磁，其磁通也线性减小。磁通的减小量为： 啡，= 鲁( ) 丁 ( 2 7 ) 2 ) 电流连续时反激式变换器的基本关系 在稳压工作时，开关管导通铁芯磁通的增加量政+ ) 必然等于开关管v t 关断 1 6 一种恒流恒压输出a c d c 控制器设计 时的减少量破一) ，即咴+ ) = 矽( 一) ，则由式( 2 - 4 ) 和式( 2 - 7 ) 可得： 堡：堕旦：上生 ( 2 8 ) 二= = 一= 一一 l z 一6 ， k彤1 一dk 1 2 1 一d 式中，足。：= 甍是变压器挈、次级绕组的匝数比。 当k 1 2 = 1 时，则有： 堡：旦 ( 2 9 ) 一= 一 iz ，j i 1 一d 开关管v t 关断时所承受的电压为v i 和初级绕组w 1 中感应电动势之和，即： = k + 熹匕= 尚 ( 2 _ 1 0 ) 在电源电压v i 一定时，开关管v t 的电压和占空比d 有关，故必须限制最大 占空比d m “的值。 二极管d l 的电压等于输出电压v 。与输入电压v i 折算到次级的电压之和，r p ： v d i - 圪+ 苦 ( 2 - 负载电流i o 就是流过二极管d l 的电流平均值，即： ，。= 去( j ，i | 血+ l 一) o ( 1 一d ) ( 2 - 1 2 ) 根据变压器的工作原理，下面的两个表达式成立： 彬i p 晌= 吸，晌 ( 2 - 1 3 ) 彤，= ，岫 ( 2 - 1 4 ) 由式( 2 3 ) 和式( 2 1 2 ) ( 2 1 4 ) 可得： k = 鲁击1d 小南。 协 户一 形 一 2 厶厂一 k - w 。l i d l + 老土2 l , f 。( 2 - 1 6 ) i 口和i s 一分别是流过开关管v t 和二极管d 1 的最大电流值。 3 ) 电流断续时反激式变换器的工作原理和基本关系 如果在临界电流连续时工作，则式( 2 9 ) 仍然成立。此时，初级绕组的电 第二章开关电源i c 的概述 流最大献i p r n a x - - - v i d ，则k = 老丑l , f 峨撇载电溉 l = 圭t 一( 1 一d ) ( 2 - 1 7 ) 故有临界连续负载电流： k 小南甚( 1 - d ) 。( 2 - 1 8 ) 在d = 0 5 时，i o o 达到最大值： ， i a g m a x - - w 2 i 旦8 z , f ( 2 - 1 9 ) 于是式( 2 1 8 ) 可以写成： k = 4 ，o g 恤( 1 一d ) d ( 2 2 0 ) 式( 2 2 0 ) 就是电感电流临界连续的边界。 在电感电流断续时，不仅与占空比d 有关，而且还与负载电流i o 的大小 有关。假设z k d t 为i s 续流相对时间，由一个开关周期内铁芯磁通增加量和减少 量相等可得鲁佃= 鲁凹，故衄= 鲁旦v o 。又l 眦= 鲁凹丁， l = 丢t 一曲，则有： v o = 掣( 2 - 2 1 ) 2 l t f i 。 式( 2 2 1 ) 表明：电流断续时，输出电压不仅与占空比d 有关，而且还与负 载电流i o 的大小有关，当占空比d 一定时，减小负载电流i o 就可以使输出电压 v 。升高【1 1 【4 】。 电流断续模式情况下，储存在原边电感中的能量取决于峰值电流的大小： e = 华2 = 等2 l 协2 2 ， 2 ，z 能量每个周期传递一次， p = ；= 等( 2 - 2 3 ) 丁2 厶厂 这个方程告诉我们，一旦输入电压固定，如果要增加输出功率那么只能诵 一种恒流恒压输出a c d c 控制器设计 过降低开关频率或者减少电感来实现。而如果开关频率也已经选定，那么只有通 过减少电感才能增加功率。但是实际的电感都有一个最小值，断续模式工作的反 激式变换器有最大输出功率的限制，一般低于5 0 w 5 1 。 图2 1 0 给出反激式p w m 变换器工作波形图。 k 广广k 广 l 广 v 1 场 0 t o n t 电流连续的工作波形 v 1 v 2 j i p | 1 1 j ： 。i 卜ji 卜 0 t t d 喀t 电流断续的工作波形 图2 1 0 反激式p w m 变换器主要工作波形 2 3 2 正激式p w m 变换器 如图2 1 】所示，正激式变换器的变压器纯粹是个隔离元件，它的初级分为两 组w l 和w 3 ，中心抽头接输入电压的正极，两端分别接二极管d 3 和开关三极管 v t 的集电极。次级绕组接整流二极管d l 、续流二极管d 2 以及电感器l 。正激式 第二章开关电源i c 的概述 1 9 变换器是利用电感l 储能及传送电能的。变压器的初级和次级线圈是相同的同名 端，由于电感l 的存在，它的电感折算到初级，使初级电感增大，而电流却减小。 筚 d 3 】【 一 w ， t v h ji d 3 _ 广 j 一 卜 _ _ _ _ _ _ - _ - _ j 图2 1 l 正激式变换器基本电路 i ：“ b 0 2j i1l ( a ) v t 导通 l v v 3 。 _ 卜 w t ：d 3 j 7 。v t + 嵋 l 一 一嗣 d 2j 1 ( b ) v t 关断 i l t d 2 ：【 c -r 。 1 ( c ) v t 关断，磁复位完成 图2 1 2 不同开关模式下的等效电路 正激式变换器工作原理：开关三极管v t 截止时，在电感的反激作用下，d 2 正向导通，导通后的电路通过电感l 和负载r l 构成回路，这时电感上的电压等 于输出电压v o 。电感l 中存储的能量的大小将影响输出电压的峰值，电感电流等 一种恒流恒压输出a c d c 控制器设计 于峰值电流。当开关三极管v t 导通时，电源电压经变换器初级线圈向三极管v t 充电，这时变压器初级线圈w l 储能，而线圈w 2 在二极管d 2 的作用下释放电能， 结果d l 导通，d 2 截止。d 1 向电感l 供电，“感化”储能，输出直流电压。当三 极管v t 截止时，电感器l 积蓄的电能经二极管d 2 整流、l c 滤波后，向负载供 电。正激式变换器次级整流二极管与开关管集电极的电流一致的，输出电压为： 圪= 瓮即。( 2 - 2 4 ) 图2 1 2 给出了变换器在不同开关模式下的等效电路【1 1i 。 由于本文开关电源系统采用反激式变换器来实现能量的传递，所以对正激式 变换器我们只是简单了解的它的工作原理和模式，而对其定量的分析不在此赘述。 第三章单片a c d c 开关电源i c 设计 第三章单片a c d c 开关电源i c 设计 本章首先介绍了a c d c 开关电源系统的基本原理，接着给出本文设计 a c d c 开关电源系统的要求，系统的工作原理及芯片内部结构的划分和工作原理 及典型特性，为下一章具体模块电路的设计打好基础。 3 1a c d c 开关电源的基本原理 图3 1 副边反馈a c - d c 开关电源示意图 如图3 1 所示，开关电源中主要的组成部分有：p w m 控制器、功率开关管、变 压器和反馈电路。 a c 电源经过整流滤波，然后经过变压器和初级开关，通过变压器将能量传递 到次级线圈并经过输出滤波电路后得到稳压d c 电源。次级电路通常通过光电耦合 器和精密稳压源向初级电路反馈信号，依据反馈信号来控制p w m 控制器，进而改 变功率开关管的占空比，从而使得输出电压维持在一个稳定值上。图3 1 所示电路 是一个典型的副边反馈的示意图，也是经常使用的一种a c d c 开关电源系统。 采用光电耦合器和精密稳压源的优点是反馈速度较快，控制精度高。但它也 有较大的缺点：在a c o d c 开关电源中，初级电路与次级电路之间的安全隔离要求 非常高，而光电耦合器中发光二极管和光敏二极管之间可能会存在不可靠的隔离， 造成使用上的故障，而且光电耦合器的隔离性能与其价格有关，隔离性能越好， 价格越高。 如果在负载调整率要求不高的情况下，我们可以去掉副边反馈，省略光电耦 合器和精密稳压源，采用互感来检测输出端电压，也就是用原边反馈来控制开关 管的工作，示意图如图3 2 所示【6 】【7 1 。 一种恒流恒压输出a c d c 控制器设计 图3 2 原边反馈a c d c 开关电源示意图 3 2 系统设计要求 本文需要设计的a c - d c 开关电源芯片是一个集成各种控制功能、保护功能于 一体的控制功率开关m o s f e t 的电源管理芯片。为了让采用该芯片的整个开关电 源系统结构尽量简单，设计尽量简便，成本较低，我们采用反激式变换器原边反 馈的形式来设计整个系统。芯片集成尽可能多的控制电路，其中包括起主要功能 的p w m 控制电路和耐高压的功率m o s f e t 驱动电路外，还必须包括软启动、电流 检测、电压检测、过压欠压保护以及内部偏置等各种电路，以保证整个系统稳定 而安全的工作。 该开关电源是小功率的a c d c 转换电路，主要有以下几方面的用途： 手机充电器 数字照相机充电器 小功率适配器 个人电脑、电视中的辅助电源 线性稳压器 整个系统的输入电源为一般民用交流电，所以功率m o s f e t 要求能耐6 5 0 v 左右的高压，其他的一般性能要求如下： 当输入电压2 3 0 v + 1 5 交流有效值电压时的输出功率为1 0 w 可调节