（电力电子与电力传动专业论文）基于dsp的高频通信电源的研究.pdf

a b s t r a c t s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yf o rc o m m u n i c a t i o ni s ac e n t e ri nc o m m u n i c a t i o n e q u i p m e n t i th a si n c o m p a r a b l ei m p o r t a n c ei nt h ec o m m u n i c a t i o ns t a t i o n w i t ht h e r a p i dd e v e l o p m e n to fc o m m u n i c a t i o n sa n dt h ec o n s t a n t l yu p d a t e do fc o m m u n i c a t i o n s e q u i p m e n t ，t h er e q u i r e m e n t so ft h ep o w e rs u p p l y f o rm o d e mc o m m u n i c a t i o n s t e c h n o l o g yi si n c r e a s i n g h i 曲e f f i c i e n c y , h i g hf r e q u e n c y , m o d u l a r , d i g i t a lw i l lb e f u t u r ed i r e c t i o no ft h ed e v e l o p m e n ti nc o m m u n i c a t i o np o w e rs u p p l y i nt h i sp a p e r , a g a i n s tb o t t l e n e c k so ft h et r a d i t i o n a la n a l o gc o n t r o ls w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , w ew i l l s t u d ya b o u td i g i t a lc o n t r o lb a s e dd s po fh i g hf r e q u e n c ya n dh i g he f f i c i e n c y s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , e x p e c tw ec a nd e s i g nam o r es t a b l ea n ds m a l l e r , m o r e e f f i c i e n td cp o w e rs u p p l yf o rp r a c t i c a la p p l i c a t i o n s f i r s t l y , t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h em a i nc i r c u i ta n dw o r k i n gp r i n c i p l ea b o u t 1 1 i g h - f r e q u e n c ys w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , r e s e a r c ht h ee m ip r o b l e m so fi n p u ta n d o u t p u ta b o u ts w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , e s p e c i a l l y , w ea n a l y z e dt h ep o w e rf a c t o r c o r r e c t i o na n dp h a s es h i f tf u l l - b r i d g es o f t - s w i t c h i n gp w mt e c h n i q u e si nd e t a i la b o u t s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y s e c o n d l y , w ew i l ld e s i g n a4 8 v 2 5 ah i g hf r e q u e n c y c o m m u n i c a t i o ns w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , s w i t c h i n gf r e q u e n c yi s10 0k h z i ti n c l u d e s p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o na n dd c - d ct r a n s f o n n a t i o nc i r c u i t c o n t r o lc i r c u i tu s i n gd s p f 2 812g e n e r a t e dd i g i t a lp w mw a v e f o r m ，i td r i v em o s f e t so ft h em a i nc i r c u i ta n d p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i tb yt h ei s o l a t e dp u l s et r a n s f o r m e r , i nt h ep o w e r f a c t o r c o r r e c t i o nc i r c u i tw eu s et h ea v e r a g ec u r r e n t - m o d eb o o s t - p f cc i r c u i t ，i n c l u d i n gt h e m a i nc i r c u i t ，a u x i l i a r yc i r c u i t ，c o n t r o ll o o pd e s i g n i n g t h e nw eh a v eam a t l a b s i m u l a t i o na n a l y s i so fp o w e rf a c t o rc o r r e c t i o nc i r c u i t i nt h ed c d cc o n v e r t e rw e a d o p t ef u l l b r i d g ep h a s e - s h i f t i n gz v sc o n t r o ls e r v ea st h em a i nc o n v e r t e r c i r c u i t t h r o u g ht h ea n a l y s i so ft h ep h a s es h i f tc o n t r o lf u l l - b r i d g e c o n v c r t e r sw o r k i n g p r i n c i p l e ，f a c ed u t yc y c l el o s so ns e c o n d a r ys i d e i nt h ep h a s e - s h i f tf u l l b r i d g e c o n v e r t e r , w ed e c i d e r e t a i ns e r i e sr e s o n a n ti n d u c t o ri nt h eh i g h - f r e q u e n c y t r a n s f o r m e rp r i m a r ys i d ea n da d daa u x i l i a r yr e s o n a n tn e t w o r ki nt h el a g g i n gl e go f p h a s es h i f tf u l lb r i d g ec o n v e n e r s oi tw i l la c h i e v ez v si nl e a d i n gm o s f e ta n d l a g g i n gm o s f e t t h e nw eu s ep s p i c es o f t w a r et of i n i s hs i m u l a t i o na n a l y s i so nt h e m a i nc i r c u i td e s i g n a tl a s t ，t h r o u g hs t u d yo fp a r a l l e lc u r r e n ts h a r i n gf o rp o w e rs w i t c h i i s u p p l y ，a i ma tt h ep r o b l e m sf o r t h ec o m m 砌y u s e da v e r a g ec u r r e n ta u t o m a t i cc u f r e n t s h a r i n g w ep r o p o s eap r a c t i c a l a v e r a g ec u r r e n ta u t o m a t i c c u r r e n ts h a r i n gc i r c u i t c 。m b i n e dw i 也t h ec 。n l c 1 此u i t p o w e r 。d e s i 萨，b a s e d 。nt h ed etailedint h i st h e s i s t h em a i nl i n ei s s u p p t y ， p o w e r 婀m 争1 。”一。 a n a l y s i so f t h ec i r c u i tp r i n c i p l e , w e f i n i s h c e 骶dd u i t e s i g a n d na b s o i m u l u tt h a t i e 。m n a i n f i c n a l i r c l y u i t i p c a 。r n a m f i 傩e t e e r d s o ft h es y s t e m ，a u x i l i a r yc i r c u i t ，c o n t r o lc l r c l ma n q 跚1 u 呲“一一 似m yp r o p 。s e dm e t h o d s i se f f e c t i v ea n df e a s i b l e k e vw 。r d s ：h i g h 缸q u e n c y s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , p h a s e s l l i rf u l lb r i d g e c o n v e a e r ，p o w e rf a c t o rc o r r e c t i o n ，d i g i t a lc o n t r o l , s i m u l a t i o n i i i 独创性声明 本人声明，所呈交的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。尽我所知，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 武汉理工大学或其他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作了明确的说 明并表示了谢意。 印i o 堂艿 学位论文使用授权书 本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定，即 学校有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版， 允许论文被查阅和借阅。本人授权武汉理工大学可以将本学位论文的 全部内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制 手段保存或汇编本学位论文。同时授权经武汉理工大学认可的国家有 关机构或论文数据库使用或收录本学位论文，并向社会公众提供信息 服务。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 研究生c 签名，：泰花、导师c 签名，：孑萄垂舅砂，9 砂 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 1 论文研究的背景与意义 高频开关电源在通信行业中得到广泛的应用，常用的通信高频开关电源一 般有2 4 v d c 和4 8 v d c 两种系统。高频开关电源是通信电源系统的核心，随着通信 技术的发展，通信行业的发展壮大，为了适应行业的要求，高频开关电源自身 也在不断的进步发展之中，高频开关电源将会更加数字化、人性化，智能化。 随着新技术的使用以及设计理念的创新，高频通信开关电源的精度、准度、效 率将会越来越高，而电源的体积、噪音会越来越小。 2 1 世纪我国通信、信息产业高速发展，对通信电源将提出更新更高的挑战。 国内通信电源的技术发展，基本上源于7 0 年代末和8 0 年代初，8 0 年代中期，一 些敏锐的科研人员开始了对开关电源探索性的研究生产和市场推广，这是通信 电源的发展初级阶段。伴随着中国通信业巨大的市场容量和通信电源高额的效 益，使得通信电源的研究生产爆发开来，产品技术也逐步趋于成熟。控制电路 模式由早期的硬开关模拟控制向软开关数字控制方式转换。并且有源功率因数 校正技术、整流模块均流技术和计算机监控组网技术也得到了广泛的应用。目 前，国内通信电源在技术方面和国外先进的通信电源技术已经不相上下，甚至 在交流输入范围、先进电路模式应用、监测组网等方面比国外同行要更胜一筹。 但是国外电源产品的稳定性和可靠性仍然比我们做得更好，而这也是通信行业 用户最为关心的问题。 “小型高效”是当今电源发展的主要趋势，要实现这些目标，高频化是最重要 的技术手段之一。而数字控制技术则是推动电源技术水平和性能不断提高的另 一个基本要素，通过数字控制可以在同一硬件环境下采用不同的控制策略，可 以满足不同情况下的不同需要。数字控制芯片的应用大大简化了控制电路，因 此也是未来通信直流电源的发展方向之一。 本论文的研究意义有以下几点： ( 1 ) 本论文研究的是中小功率的高频开关电源及其几个研究热点，符合未 来开关电源的发展方向，有助于国内开关电源的技术创新和新理论知识的实际 应用。 ( 2 ) 本论文通过对p f c 技术和d c - d c 数字控制技术的理论研究和试验，使得 武汉理工大学硕士学位论文 d s p 数字控制技术能比较好的应用到实际产品中。 ( 3 ) 因为论文中理论联系实际，通过对高频开关电源的研发，可以使得理 论知识应用于实际工程中，培养了科研能力和创新意识。 随着电力电子技术以及相关科学技术的发展，通信直流电源的发展亦是如 火如荼，一日千里。全数字化控制的开关电源是目前研究较热门的一个话题， 也是高频通信电源的发展趋势之一。随着电力电子技术的不断创新，数字化通 信开关电源产业有着广阔的发展前景。 1 2 通信电源系统的介绍 现代通信技术的飞速发展，电信网络结构亦日益复杂，而作为通信网络的 动力能源亦即通信系统的“中枢”一通信电源系统的重要性也日益体现出来。 高频通信电源系统可根据系统电压值量选用4 8 v 系列和2 4 v 系列的直流开关 电源。电源电流容量一般有从2 0 a 5 0 a 不等。通过对多个通信直流电源模块进 行组合，高频通信开关电源系统装机扩展可达到6 0 a 3 0 0 0 a 不等的功率值。目 前，通信直流电源系统容量扩展十分方便，通信电源模块之间支持自动均流， 而且还支持在线更换故障电源模块。现代通信电源还具有远程监控故障的能力， 利用监测模块可以方便地实现对通信电源系统管理，通过配置网络调制解调器， 可以达到网络远端集中监控。先进的通信高频开关电源要具有高功效、高可靠， 并且还要支持全自动均流技术与冗余备份。监测系统实时监测并且时刻保持电 源运行的最新状态信息。除此以外，现代通信电源还具有多级防雷措施，系统 抗冲击能力强、动态响应快等特点。目前的通信电源设备针对通信行业要求设 计，均采用国际先进的高频技术、相移边缘谐振技术，超宽电网交流输入误差 值，主电路模块采用功率因数校正技术等【1 】。现在基于数字控制的通信电源即将 广泛的应用于各种通讯设备中。 1 2 1 通信电源系统的组成与性能要求 一般的通信电源系统既包括有直流供电，同时又有交流供电部分。直流电 供电系统设备由整流器、蓄电池、直流变换器( d c d c ) 和直流配电屏等组成。电 路整流器的交流电源由交流配电屏引入，整流器与蓄电池都是通过直流配电屏 和负载连接。 2 武汉理工大学硕士学位论文 新型的通信用高频开关整流电源，是将交流市电先直接整流成直流，然后 经过高频开关功率变换得到高频交流电，最后再经过输出整流滤波电路而得到 4 8 v 输出的直流电压。在d c d c 变换电路中高频变压器取代替了5 0 h z 的工频用变 压器，高频变压器的体积和重量都要小了很多：并且输出的电压纹波频率高， 滤波环节也明显地减小了体积重量，这样使得电性能得到整体提高。采用大功 率晶体管的通信高频电源是电源技术上是一次革命。在1 9 9 4 年我国邮电部做出 重大决策，要求在通信领域推广应用开关电源以取代相控电源。实践证明，这 一决策为国家节省了大量铜材、钢材和占地面积。由于变换效率高，能耗减少， 既达到了节能效果，又降低了电源机房的室温，还改善了工作环境1 2 j 。 本文主要考虑通信直流供电系统，即开关电源的研究，开关电源是通过驱 动电路控制开关管进行高速的导通与截止，将直流电转化为高频率的交流电提 供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压。转化为高频交流电 的原因是高频交流在变压器变压电路中的效率要l 匕5 0 h z 高很多。所以高频变压 器可以做的很小，而且工作时不会很热，成本也很低。如果不将5 0 h z 变为高频 那开关电源就没有意义了。高频变压器也就是一个普通的变压器。交流电源输 入时一般要经过厄流圈一类的东西，过滤掉电网上的干扰，同时也过滤掉电源 对电网的干扰。在开关电源的功率相同时，开关的频率越高，开关变压器的体 积就越小，但却对开关管的要求就越高。开关变压器的副边可以有多个绕组或 一个绕组有多个抽头，以得到多组需要的输出电压。设计中一般还需要增加一 些保护电路，否则运行中有可能会烧毁通信电源。 当通信设备直接由市电供电时，电网负载变化引起的电压瞬变会严重地干 扰通信设备。因此，一般通信设备都直接由通信电源供电。随着通信事业的飞 速发展、通信设备的不断更新，现代通信技术对通信电源的要求也是越来越高。 目前针对通信设备配备的通信电源需要稳定可靠、小型高效。 1 稳定可靠 现在许多城市的电话局容量普遍都在几万以上，电信综合枢纽楼的话机容 量和规模更大，担负的通信任务十分重要，一旦通信断电，将造成极坏的社会 影响和巨大的经济损失。为了确保可靠供电，由交流电源供电的通信设备一般 采用交流不问断电源。在直流供电系统中，一般采用整流器与电池并联浮充供 电方式，以高可靠的电源配合高可靠的通信设备。一般先进的通信电源设备的 平均无故障时间达2 0 年。现在较先进的开关整流器都采用多只整流模块并联工 作的方法，这样当某一个电源模块发生故障时也不会影响供电。 武汉理工大学硕士学位论文 各种通信设备都要求电源电压稳定，不能超过允许变化范围。电源电压过 低，通信设备不能正常工作，若电源电压过高的话，则会损坏通信设备中的电 子器件。此外，直流电源电压中的脉动杂音也必须低于允许值，否则也会严重 影响通信质量。 2 小型高效 现今电子模块技术的突飞猛进，通信设备的体积越来越小，势必导致通信 电源的体积亦越来越小。此外，各种移动通信设备和航空、航天装置中的通信 设备更要求电源装置体积小，重量轻。为了减小电源的体积，现在各种集成稳 压器和高频率开关电源得到越来越广泛的应用。近年来，国外通信设备中已大 量采用工作频率高达几万k h z 而且体积非常小的谐振型开关电源。 同时在创造节约型社会的今天，能源的清洁和效率是整个电力行业的主要 目标，因此高效节能也是通信电源所必需的发展方向。 1 2 2d s p 在通信开关电源中的应用优势 电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。全 数字控制是一个新的发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。过去数 字控制在d c - d c 变换器中用得较少，近年来通信电源的数字控制芯片已经开发， 费用也下降很多，已有多家公司制造出相关的高性能数字控制芯片。全数字控 制的优点是：数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量，电流检测误差 可以更加精确的校正，电压检测也更精确；可以实现快速灵活的控制设计。 随着电子技术的发展，高速数字信号处理芯片( d s p ) 的出现，使得数字化 的控制在电气控制领域中应用有了更多的可能性。把数字信号处理芯片引入开 关电源主要优点有： ( 1 ) 数字化的控制可采用先进的控制方法和智能控制策略，使得电源的智能 化程度更高，性能更加完美。在高频开关工作状态下，逆变电源的模型更加复 杂化，模拟控制或经典控制理论都难以达到良好控制效果，先进的的数字控制 策略可以从根本上提高直流电源系统的性能指标；智能化控制代表了自动控制 的最新发展程度阶段，继承了人脑的定性、自适应、变结构等思维模式，也给 电力电子控制带来了新的方向。 ( 2 ) 控制灵活，系统升级方便。数字控制系统的控制方案也就体现在控制程 序上，因此不必对硬件电路做硬件改动，一旦相关硬件资源得到合理的配置， 4 武汉理工大学硕士学位论文 只需要通过修改和重置控制软件，根据不同的控制对象实时、在线更换不同的 控制策略，就可以得到所需电源系统的控制性能。 ( 3 ) 控制系统可靠性提高，易于标准化。由于数字控制的高可靠性，必然使 得整个控制系统可靠性的提高，而且可以针对不同的系统采用统一的控制板， 只需要对控制软件做一些修改，即可达到相应的控制效果，这对生产厂家而言 是有着巨大的吸引力的 3 1 。 目前，数字信号处理芯片的性能己经得到了很大的发展，提高了机器周期 速度并增强了程序设计指令装置。性能更高、成本更低的d s p 控制器可以满足先 进的电源拓扑电路的工作要求，为电源设计提供了一个高性价比的解决方案。 随着用户对电源保护的要求越来越严格，d s p 控制技术的应用使得集成化程度更 高，系统控制更精确，升级更加方便。d s p 高速的处理速度，也使得数字p i d 控 制、重复控制、无差拍控制、模糊控制以及神经元网络控制等先进的控制方法 得以实现。 1 3 通信开关电源的发展现状和发展方向 通信电源作为高频开关电源的一个典型，发展到今天已经有十多年历史了。 十多年来，采用高频开关直流输出的通信电源，它的发展趋势可概括为：高频、 小型化；高效率、无污染；模块化、数字化等。开关电源频率要高，这样动态 响应才能快；配合高速数字电路工作，也是减小体积的重要途径；体积要小， 变压器电感、电容都将小型化。高性能数字化控制集成芯片的应用是将来开关 电源发展的一个方向。 1 高频化、小型化 通信电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化、 小型化。然而要实现通信电源轻、小、薄的关键技术就是高频化，高频化不但 可以减小电源体积，同时还可以有效抑制噪声干扰。在使用中为了得到电源输 出高功率密度，必须提高p w m 变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体 积重量。因此现代通信电源研发都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特 别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体材料上加大科技创新，以提高 在高频率和较大磁通密度下获得高的磁性能。高频通信电源的发展有赖于我们 p w 4 软磁体氧体材料的大批量生产和p w 5 软磁体氧体材料的成功使用。超容电容 和压电变压器技术的发展亦推动着电源小型化技术的不断成熟1 4 1 。因此应用压电 武汉理工人学硕士学位论文 变压器，开发容量大、等效串联电阻小、体积小的新型电源用电容器件以及s m t 技术的应用均可使高频通信电源实现轻、小、薄和高功率密度。 高频化使通信电源趋向小型化，并使通信电源进入更广泛的应用领域，特 别是在高新领域里面的应用，亦推动了高新技术产品的小型化。针对通信电源 运行噪声大的这一个缺点，我们如若单纯追求高频化，则电源噪声也必将随着 增大，而采用部分谐振转换电路，在理论上即可实现电源高频化又可降低噪声， 只是部分谐振转换电路的实际应用仍存在着问题，故仍需在这一块开展研究工 作，才能使得谐振电路得以实用化。 2 高效率，无污染 高效率一作为通信电源，工作效率是重要的指标之一。提高了效率才能减 少电源损耗，减小发热量。对于高功率因数的通信开关电源，可以用两级电路 组成方式，而对于小功率的通信开关电源来说，用两级电路总体效率偏低、不 划算。此时如果在输入端加入功率因数校正，即将p f c 电路和后级d c d c 变换器 组合成一个单级高功率因数a c d c 式，输出直流电压可调的s 4 p f c 变换器电源。 在通信开关电源生产中有效地利用软开关技术，并采取高性能的谐波抑制 电路技术，同时基于新型的电子元器件性能的提高，尽量减小功率器件的损耗， 各项技术的综合应用保障了电源输出的高效性。 3 数字化、标准化、模块化 在通信设备中，由于绝大多数通信电源都是采用模拟电路，数字控制作为 一种新技术还处于摸索阶段，从模拟控制转到数字控制面临诸多挑战。尽管如 此，在通信行业中已开始使用数字电源，随着数字技术的不断发展，通信电源 的精度越来越高，功能也是越来越完善。远程监控是数字化电源的一项重要标 志，通过与微机的互联通信实现电源操作的标准化管理，远程微机管理等。同 时，电子器件的高集成性也促使电源设备走向模块化，这样既满足了现在大功 率设备的需求，又确保了电源的使用操作简单和安全可靠。通过模块的组合可 以达到我们所需的功率要求，且可以方便地实现在线故障判断与修复，不会影 响整体系统的输出供给。 1 4 本文的主要工作 本选题的主要任务是在掌握开关电源电路结构原理的基础上，结合d s p 的数 字控制技术，以设计一款额定输出电压4 8 v 、额定输出电流2 5 a 的全数字技术的 6 武汉理工大学硕士学位论文 高频通信开关电源模块为目标，开关频率为i o o k h z 。并在设计过程中结合仿真 软件m a t l a b 和p s p i c e 对主电路和功率校正电路进行参数设置以及仿真结果分 析，确保设计的可行性。 设计中重点研究开关电源中的有源功率因数校正( p f c ) 技术、移相全桥软开 关d c - d c 变换技术、高频变压器的设计实现以及e m i 滤波电路的处理，结合d s p 的 优质性能通过软件编程实现通信电源的数字控制脉冲信号。最后结合实际应用 讨论一下通信开关电源的并联均流的技术。 根据对电源理论知识的深入了解，我拟设计研究的通信电源主要电路结构 框图如图卜1 所示。 a 图i - 1 通信电源系统结构图 在设计研究上完成高频开关电源主电路的设计与仿真分析：完成p f c 和 d c d c 变换器的控制部分的电路设计，高频变压器的设计，还有e m i 滤波的优化。 主功率电路由抗电磁干扰( e m i ) 滤波器、单相整流桥、功率因数校正( p f c ) 电路、 移相全桥软开关d c - d c 变换器、输出整流滤波电路组成，控制环路由一块d s p 芯 片完成，采用t i 公司最新的t m s 3 2 0 f 2 8 1 2 芯片。主功率电路与控制电路在电气上 隔离，电压电流检测采用电压电流传感器实现隔离，开关管驱动器采用带脉冲 变压器隔离的驱动电路实现隔离。 具体研究内容如下： ( 1 ) 介绍通信开关电源的原理、常用器件，以及开关电源的拓扑结构，对 移相全桥d c - d c 主电路工作原理进行了详细的分析。 7 武汉理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 设计通信开关电源主电路、有源功率因数校正电路，还有数字控制的 软件实现，采样信号的有效提取方案。同时利用p s p i c e 软件设置相关器件参数 调试仿真波形，以期达到我们预期的设计要求。 ( 3 ) 介绍数字控制的有源功率因数校正( a p f c ) ，对功率因数校正电路关键 参数的计算，并利用计算机仿真对构建的模型进行参数设置和仿真分析。 ( 4 ) 结合d s p 的高性能参数，分析主电路的脉冲移相要求，我们拟通过d s p 的全比较单元来产生所需的脉冲，结合采样电压和采样电流的p i 环节控制策略， 实现对z v sd c - d c 功率变换器的数字控制，同时设计出了驱动电路和采样电路。 ( 5 ) 分析主电路设计中的高频变压器的计算设计和e m i 滤波电路的优化处 理。并对实际使用中常用的均流方法进行了研究和改进。 8 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章开关电源的主电路拓扑结构与原理分析 2 1 高频开关电源的基本工作原理 高频开关电源是将交流输入电压转变为所需的直流输出电压，在电路上采 取电气隔离的供电装置。工作原理图如图2 - 1 所示。交流输入电压经过整流滤波， 然后在高频变换器中将整流直流电逆变为高频交流电，在控制上通过电压电流 采样确定控制电路p w l - i 脉冲占空比。控制电路中还包括控制芯片的辅助电源和保 护电路等。逆变后的高频交流电通过变压器隔离变压后，得到所要求的高频的 交流电压，最后通过输出的整流滤波，将变换器输出的高频交流电压经整流滤 波得到需要的高性能效率的直流电压。 图2 - 1 开关电源基本原理图 以采用全桥式变换的高频直流电源为例，从电压交流输入到最后输出，得 到所需直流电压的各环节，对全部电路每一部分作用、原理分别简述如下： ( 1 ) 输入电网滤波器：可以消除来自电网中的各种干扰，如电器开关的合 关，电机起动，还有雷击等产生的尖峰干扰。同时还阻止开关电源产生的高频 噪声向电网扩散而造成污染。 ( 2 ) 输入整流滤波器：将输入的交流电进行整流和滤波，给下一级变换器 提供波纹较小的直流电。而且，在电网出现瞬间断电时，滤波电容器储能可使 9 武汉理工大学硕士学位论文 电源输出维持一段时间。 ( 3 ) 高频变换器：它是开关电源的重要核心组成部分。高频变换器是把直 流电压转变成高频交流电压，然后经过变压器隔离式输出所需要的交流电压。 ( 4 ) 输出整流滤波器：将变压器输出的高频率交流电压经过整流和滤波得 到负载需要的直流电压。输出滤波器还可以有效阻止输出干扰。 ( 5 ) 辅助电源：为控制电路和保护电路提供所需直流供电电源，以保证它 们工作稳定可靠。辅助电源可以是独立的，但也可以由开关电源本身提供。 ( 6 ) 电路控制部分：控制部分通过电压电流采样，反馈给控制芯片，从而 产生电路所需要的脉冲，去控制开关管的导通状态得到稳定的输出电压。 ( 7 ) 保护电路：当开关电源发生过电压、过电流或短路时，保护电路使开 关电源停止工作以保护负载和开关电源本身。并可以发出报警信号【5 枷。 2 主电路功率变换器结构拓扑 通信电源中高频变换器以及高频变压器是一个很重要的环节。开关电源的 主要部分是d c - d c 变换器，它是转换电路的核心，还涉及频率的变换。通常采用 隔离式直流开关变换器，隔离指输入端与输出端在电气上不相通，只是通过 脉冲变压器的磁耦合的方式传递能量，输入与输出完全电气隔离。其按照电路 拓扑结构可以分为如下的几种方式： 2 2 1 单端正激变换电路 1 基本工作原理 单端一是指利用一只开关管去单向驱动脉冲变压器； 正激一是指脉冲变压器的原一副边的相位关系，保证在开关管导通驱动脉冲 变压器原边时，变压器副边同时对负载供电。 正激式开关直流电源的核心部分就是正激式直流一直流变换器，基本电路结 构如图2 - 2 所示。 电路基本工作路线如下：当开关管v 1 导通时，直流电压u i n 全部加到变压器 初级线圈w 17 的两端，这时去磁线圈w 1 上产生的感应电压则使二极管v 2 截止， 而次级线圈w 2 上感应产生电压使二极管v 3 导通，并将输入电流的能量传送给电 感l 0 和电容c 以及负载：与此同时在变压器t 中建立起磁化电流，当v 1 开关管截 l o 武汉理工大学硕士学位论文 止时，二极管v 3 亦截止，此时l o 上的电压极性反转并通过续流二极管v 4 向负载 供电，变压器中的磁化电流则通过w l ”、v 2 向输入电源u i n 释放而去磁：这里w 1 ” 起到箝位作用，其上的电压等于直流电压u i n ，在开关管v l 再次导通之前，脉冲 变压器中的去磁电流必须减+ n o ，即变压器中的磁通必须复位，否则，t 将饱 和导致功率管v 1 损坏，通常w l = w l ”，采用双线并绕耦合方式。v 1 开关管的导 通时间应小于截止时间，即占空比 i m h z ) 调制，调制的优点 是可以传递的占空比不受限制。将信号加在脉冲变压器的原边，在副边上通过 直接整流得到自给电源，而原p w m 调制信号则需要经过解调而取得。自给电源驱 动电路线路比较复杂j 元件成本古【1 8 棚】。 本通信电源设计中开关管的驱动信号是t 妇d s p 产生，它是一个3 v 幅值的p w m 3 2 武汉理工大学硕+ 学位论文 脉冲信号，通过脉冲变压器的隔离驱动器去驱动主电路的开关管，从而保证d s p 系统与主功率电路在电气上实现隔离运行。经过分析我们拟采用带变压器隔离 的单路驱动器。 3 5 2 信号采样电路的设计 有源功率因数校正中，比较信号的采样是至关重要的一环，一般有输入电 压、输出电压和输入电流三个采样值。采样值经过变换、隔离滤波等一系列过 程送给d s p 全比较单元，产生的信号值去控制开关管以实现输出电压和输出电流 的稳定。 在设计中我们拟通过霍尔电压传感器和霍尔电流互感器去实现控制电路电 气隔离式的信号采样，这样可以避免主电路中的大电流干扰。根据整流桥输出 电压lv i nl 的最大值是3 5 8 v ，电感电流f ，的最大值为1 2 6 a ，而功率校正后输出电 压v o 为直流电压3 9 5 v 。因此我们可以在输入电压采样处选用莱姆公司的 l v 2 8 一p 电压传感器，电路中原边串联的电阻是3 5 k 欧姆，副边采用1 2 0 欧姆采 样电阻，因此k ，= 3 3 5 0 = 0 0 0 8 6 ；在电路中输入电流采样处我们采用莱姆公司 的l a 2 8 一p 电流传感器，因为额定电流是2 5 a ，所以k 。= 3 2 5 = o 1 2 ；在输出 电压采样处的电压传感器也采用莱姆公司的l v 2 8 一p 型号，电路中原边串联的 电阻值4 0 k ，而副边的采样电阻值同样取1 9 0 欧姆，所以p i 控制中的 髟= 3 3 9 5 = o 0 0 7 6 。 在电路设计中用电阻、电容、放大器等分立元件构成的采样电路具体如下： 。1 输入电压采样电路 图3 - 4 输入电压采样电路 在输入电压采样电路中，也要考虑电路滤波，在电路设计中利用运算放大 武汉理工大学硕士学位论文 器u 。与电阻、电容元器件组成的二阶低通滤波可以滤除输入的高次谐波，提高 输入电压性能。但由于低通滤波会使电流相位有些滞后，所以在采样电路中还 需要引入高通滤波器进行补偿。而以。与周围的电阻电容一起组成了二阶高通滤 波器。我们利用高通滤波器的超前相位去抵消低通滤波器的滞后相位。经过高 通低通滤波后，可以很好的滤除谐波，得到没有相位移的正弦波。最后经过零 回差电路得到与输入信号同相位的方波。 2 输入电流采样电路 输入电流采样电路中电流传感器输出电流信号，它通过测量电阻r m 转换为 电压型采样信号后，通过设计运算放大器阢。的放大增益，利用r m 的电阻值，我 们让输出的双极性信号幅值保持在- 5 v n 5 v 的范围内，而双极性信号通过矾。运 算放大器可以按照比例转成方便测量的单极性信号。r c 低通滤波器可以滤除交 流输入信号的开关频率次谐波，钳位二极管稳住电压。 图3 - 5 输入电流采样电路 3 输出电压采样电路 直流输出电压的采样电路是通过直流侧电压闭环的前端传感器，其作用是 测量直流侧电容电压来获取采样信号。在实际电路中由于电容电压中含有一定 的纹波，因此在设计上也需引入滤波环节。 图3 - 6 输出电压采样电路 武汉理工大学硕士学位论文 3 5 3 输入端保护电路 由于通信电源本身也会产生电磁干扰，为了防止干扰信号反入电网中，同 时也为了阻止谐波干扰通信电源，我们必须对输入端采取保护电路。因为高频 通信电源中开关管处于高速的通断转换状态，电路中会产生电压、电流的跳变， 从而形成干扰源。因此对于交流输入端的浪涌保护电路的设计也是至关重要。 1 输入电路的瞬间电压保护 为了阻止因为雷电或者感性开关造成的电压瞬间脉冲，一般要在交流输入 端并接金属氧化物压敏电阻对输入电路瞬态电压进行抑制。此时压敏电阻起到 一个可变阻抗的作用，当高压尖峰瞬间出现在压敏电阻两端时，它的阻抗将减 小到一个最低值，瞬间能量会消耗在压敏电阻上。从而消除尖峰电压使得输入 电压达到安全值。 2 输入电路的浪涌电流抑制 为了抑制由于滤波电容在开关管导通瞬间的低阻抗大电流，在本通信电源 设计中，在交流输入端拟串入负温度系数的热敏电阻，这样将会加大交流线路 的阻抗，从而减小输入浪涌电流到安全范围。当通信电源在接通时，串入的热 敏电阻的阻值是其标称值大小。这样大阻值的热敏电阻就可以有效地限制了浪 涌电流的增加。当电容器开始充电后，热敏电阻因电流的流过而发热，由于热 敏电阻的负温度系数特性，随着热敏电阻的温升其电阻值也开始下降，理想状 态一般是电路输出稳定后，热敏电阻阻止最小，因此根本不会影响电源的输出 效率。 3 6 有源功率因数校正的m a t l a b 仿真 为了初步验证设计的功率校正电路的可行性，在研究设计中我们利用 m a t l a b 语言对a p f c 电路性能进行了仿真。 经过一系列的设置调试，从仿真波形图3 8 的结果中得出经过功率因数校正 电路后，通信电源的输入电流在相位上能够很好地跟随输入电压u i n ，电路很快 地生成平稳的直流电压，为下一级d c - d c 变换提供所需高性能电压，纹波系数也 可以很好地控制在我们要求范围内。通过对m a t l a b 软件的应用，为我们实现对 设计电路的初步分析和判断设计参数和思路的正确与否提供了很大的便捷性。 通过输出波形我们可以对电路设计结果进行分析。 武汉理工大学硕士学位论文 通信电源前级a p f c 的m a t l a b 仿真图如图3 - 7 所示： 图3 - 7a p f c 电路仿真图 v j 。一 0 - j 一 图3 - 8a p f c 电路仿真波形图 武汉理工大学硕士学位论文 驱动信号p 州脉冲波形产生的m a t l a b 仿真模型与输出波形如图3 9 所示 ( a ) p 帆波形电路仿真图 ( b ) 参考电压波形 一 熏 武汉理工大学硕士学位论文 第4 章通信高频开关电源主电路的设计和实现 4 1 移相控制全桥z v s - p w m 变换器 全桥移相控制零电压软开关变换器( f b p s z v s p w mc o n v e r t e r ) 是把软 开关电路和p 1 】| m 移相控制技术有机结合在一起，在大范围内实现固定频率p w m 控 制，而在开关过程的瞬间利用谐振原理对开关管并联谐振电容充放电，这样使 得即将导通的开关管两端电压迅速降至零，同时其反并联二极管被导通，将该 开关管两端电压钳位在o v ，以致达到功率器件零电压开通，实现了固定开关频 率下的软开关。移相全桥控制是目前应用最广、也是最有前途的一种软开关电 路拓扑结构。 4 1 1 移相控制全桥z v s - p w m 变换器工作原理 图4 - 1 为移相控制全桥z v s - p w m 变换器的电路原理图。在图中v s 表示输入直 流电压。t r i ( i = l ，2 ，3 ，4 ) 表示第i 个功率m o s 开关管，相应的二极管我们用 d i ( i = l ，2 ，3 ，4 ) 来表示，l l k 表示的是输出变压器的漏电感，变压器的副边 电压v s 经过桥式整流器和输出l c 滤波器之后给负载供电。在图4 1 电路中没画 出t r i 的输出电容。 图4 - 1 移相控制全桥z v s - p w m 电路原理图 3 8 武汉理t 大学硕士学位论文 在图4 2 中给出了移相全桥z v s - p g i 变换器中变压器的原边电压v a b 以及副 边电压v 7 s 还有原边电流i 的波形图。 i f l l v s 弱翠、蛐，o 几f ：_ 一一产- 、，婆 | |察i 率v 舭 彭| f 7 t l1 2，c 46 ：jf ! f 卜 嘲0 2 i ：t f lt 弭 i- 7 v s 卜u f 肚+ u 1 图4 - 2 移相控制全桥z v s - p w m 变换器主要电量波形 i f 表示为原边电流峰值。在上述波形图4 - 2 中1 1 及1 2 分别表示t - - - - t 4 及t 6 时 的原边电流值；t - - - - t 5 时i = i p ；t - - - - t 3 和t 7 的时侯，电流值i = 0 。在一周期内我们 可以分成六个运行模式来判断，如下表4 - 1 所示。 时间间隔 t 1 t 2t 2 t 3t 3 t 4 一t 5t 5 t 6t 6 t 7t 7 t 8 t 9 导通管序号 d 1 t r 4d 1 d 2 t r l ，t r 2t r 2 ，d 3d 3 ，d 4 t r 3 t r 4 z v 开通的管 t r lt r 2|t r 3t r 4| 表4 - 1 移相控制全桥z v s p w m 变换器周期运行模式 在传统的f b - p i 张! 变换器中四个开关管的导通次序一般是： ( 1 ) t r l 和t r 2 开关管同时导通，这时侯输出变压器传送能量给负载； ( 2 ) t r i ( i = 1 ，2 ，3 ，4 ) 关断时，变压器的原边电流为零值，此时负载主要 通过整流器续流( f e e w h e e li n g )