（电力电子与电力传动专业论文）基于topswitchⅡ的单端反激式开关电源的研究.pdf

南昌点学硕士研究生学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ed e v e l o p m e n to fp o w e re l e c t r o n i ct e c h n o l o g y ，t h ep o w e re l e c t r o n i c e q u i p m e n t sh a s ai n c r e a s i n g l yc l o s er e l a t i o nw i t ho u rw o r ka n dd a i l yl i f e n o e l e c t r o n i ce q u i p m e n tc a nw o r kw i t h o u tar e l i a b l ep o w e r s i n c e9 0 s ，t h es w i t c h i n g p o w e rs u p p l yh a sb e e nu s e di na l lk i n d so ff i e l d ss u c ha se x c h a n g e r s ，c o m m u n i c a t i o n ， t e s t i n ge q u i p m e n t s ，c o n t r o le q u i p m e n t sa n ds oo n n o w a d a y s ，i ti sb e c o m i n gm o r e a n dm o r e i n t e g r a t e d ，i n t e l l i g e n ta n dg r e e n t h eh i 曲i n t e g r a t e da n dp o w e r f u l s i n g l e - c h i ps w i t c h i n gp o w e rs u p p l yw i l lb et h ed o m i n a n tt r e n di nt h ed e v e l o p m e n to f t h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y t h i st h e s i si sd i v i d e di n t of i v ec h a p t e r s ： t h ef i r s tc h a p t e rp r e s e n t st h eh i s t o r y ，c l a s s i f i c a t i o n ，t r e n do ft h es w i t c h i n gp o w e r s u p p l y sd e v e l o p m e n t ，a n ds e v e r a lr e g u l a rc o n t r o l l i n gm e t h o d so fi t b a s e do nt h e c o m p a r i s o nb e t w e e nt h ed i f f e r e n tm o d e ，i te m p h a s i z e st h ew o r k i n gp r i n c i p l ea n d a d v a n t a g e s o ft h ec u r r e n t m o d es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y a l s o ，t h e r e s e a r c h i n g m e a n i n ga n dc o n t e n ta r em e n t i o n e di nt h ee n d t h es e c o n dc h a p t e ri n t r o d u c e st h ew o r k i n gp r i n c i p l eo fc u r r e n t - m o d ef l y b a c k s w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ，t h em e r i t sa n dd r a w b a c k so fp e a kv a l u ec u r r e n t m o d ec o n t r o l m e t h o d ；t h ei n t e r n a ls t r u c t u r ea n dw o r k i n gp r i n c i p a lo f t o p s w i t c h i i t h et h i r dc h a p t e ri n t r o d u c e sas t a b l em a t h e m a t i c a lm o d eo fc u r r e n t m o d e f l y b a c ks i n g l eo u t p u ts w i t c h i n gp o w e rs u p p l ys y s t e mo nt h eb a s i so ft h ea n a l y s i so f t h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yw o r k i n gi n t e r m i t t e n t l y i tp r o v i d e st h ee v i d e n c et od e s i g n ， a n a l y s e ，a n dc a l c u l a t et h es t a b i l i t ya n dd y n a m i cc h a r a c t e r i s t i co ft h ef o l l o w i n gc i r c u i t t h ef o u r t hc h a p t e rc a r r i e so u tt h er e s e a r c ho nt h ed e s i g na n dr e a l i z a t i o no ft h e c u r r e n t m o d ef l y b a c ks w i t c h i n gs u p p l y i ts t u d i e st h ec h a r a c t e r so ft h es i n g l e - c h i p i n t e g r a t e ds w i t c h i n gp o w e rs u p p l yf r o mt h et h e o r e t i ca n de x p e r i m e n t a la s p e c t sa n d i n t r o d u c e st h ed e s i g n i n gw a yo fc u r r e n t - m o d ef l y b a c ks w i t c h i n gp o w e rs u p p l y a c c o r d i n gt ot h eg i v e nt e c h n o l o g i cp a r a m e t e r ，i tc h o o s e st h et y p e so ft h em a i nc i r c u i t c h i p ，d e f i n e st h es t r u c t u r e sa n dd o e st h ee x p e r i m e n t s t h ef i f t h c h a p t e rp r e s e n t s t h et e s t i n gw a v e f o r m ，a n a l y z e st h e g e n e r a t i n g p r i n c i p a lo ft h eo u t p u tw a v ea n dg i v e ss o m ee f f e c t i v em e t h o d st or e d u c et h er i p p l e a tt h ee n do ft h ep a p e r ，as u m m a r yi sm a d ea b o u tt h ew o r k k e yw o r d s ：s i n g l e c h i ps w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ，t o p s w i t e h - i i ，p w m ，h i g h f r e q u e n c yt r a n s f o r m e r ，r i p p l e 附件一 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，也不包含为获得直昌盍堂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己在论 文中作了明确的说明并表示谢意。 学位论文作者签名：炎稚签字嗍加捭月毋日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解直昌太堂有关保留、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。 本人授权直基盍堂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适用本授权书) 学位论文作者签名炎肫压导师签名 签字日期：，涉6 年，月矛r 签字日期：函年参月g 日 学位论文作者毕业后去向 工作单位： 通讯地址： 电话 邮编 。 护 坎侈 南昌大学硕士研究生学位论文 i i 开关电源的概述 第一章绪论 1 i i 开关电源的发展史 现实生活中常用的电源，可以分为发出电能的电源和变换电能的电源两类 【。自然界并没有可以直接利用的电源，人类所使用的电源都是通过机械能、 热能、化学能等转化而来的。这种把其他能源通过转换而得到的电源称为发出 电能的电源，像发电机、电池等。在很多情况下，发出电能的电源并不符合使 用的要求，需进行再一次变换，这种变换是把一种形态的电能转换成另一种形 态的电能。像变压器、变频器等。我们把输入和输出都是电能的电源称之为变 换电能的电源【1 1 。开关电源就是属于变换电能的电源，此种电源就是电路中的 电力电子器件工作在开关状态的电源。由于，开关电源即节能又将带来巨大经 济效益，因而引起社会各界的重视而得到迅速推广。 开关电源的前身是线性稳压电源。线性稳压电源的结构框图如图1 - 1 所示。 图中的关键元件是稳压调整管，电源工作时检测输出电压，通过反馈电路对 稳压调整管的基极电流进行负反馈控制。这样，当输入电压队发生变化，或负 载变化引起电源的输出电压变化时，就可以通过改变稳压调整管的管压降来 使输出电压稳定。为了使稳压调整管可以发挥足够的调节作用，稳压调整管 必须工作在线性放大状态，且保持一定的管压降。因此，这种电源被称为线性 稳压电源。 图i - i 线性稳压电源的结构框图 线性稳压电源虽然可以满足所需直流电压的高低和供电质量( 精度、纹波等) 的要求，但有两个严重的缺点：一是调整管工作在线性放大状态，损耗很大， 因而使整个电源效率很低；二是需要一个工频变压器，使得电源体积很大。开 关电源出现之前，各种电子装置和电气控制设备的工作电源都采用线性稳压电 - 1 南昌大学硕士研究生学位论文 源。但随着半导体器件的发展，计算机等电子装置的集成度不断增加，功率越 来越强，而它们的体积却越来越小。因此，迫切需要体积小、重量轻、效率高、 性能好的新型电源，这就成了开关电源技术发展的动力。 开关电源的典型结构如图1 2 所示，开关电源和交流电网连接的电路通常是 二极管整流电路，这种电路的输入电流不是正弦波，而是脉动波，这种波形中 含有大量的谐波成分，对电网会造成严重的污染，并且该电路的功率因数也较 低【5 。2 0 2 1 】。当公用电网上接有大量的开关电源负载时，就会对电网产生严重的谐 波污染。为了降低开关电源对电网的谐波污染，提高开关电源的功率因数，就 需要对电流的脉动进行抑制，使电流波形尽量接近正弦波。从而减小开关电源 对交流电网的污染，随后整流电压经过主变换电路变换，由于主电路输出的电 压含有交流成分，所以在负载前端得加整流滤波电路进一步处理，使负载得到 直流电压。若输出电压由于某种原因上升时，反馈电路会对输出电压进行采样， 并把所采的信号送到控制电路中进行比较放大处理，使输出的p w m 脉冲占空比 减小，最终使二次侧的电压回到稳定值；反之，当输出电压下降时，反馈电路 同样会把信号送到控制电路，而后又使p w m 脉动占空比增大，同样可稳定输出 电压。 图1 - 2 开关电源的典型结构 早期的开关电源的频率仅为几千赫，随着电力电子器件及磁性材料性能的 不断改进，开关频率才得以提高。2 0 世纪6 0 年代末，垂直导电的高耐压、大电 流的双极型电力晶体管( 亦称巨型晶体管、b j t 、g t r ) 的出现，使得采用高工作 频率的开关电源得以问世。但当开关频率达到1 0 k h z 左右时，变压器、电感等 磁性元件发出很刺耳的噪声，给工作和生产造成了很大噪声污染。为了减小噪 声，并进一步减小电源体积，在2 0 世纪7 0 年代，新型电力电子器件的发展给 开关电源的发展提供了物质条件。开关频率终于突破了人耳听觉极限的2 0 、 2 南昌大学硕士碍究生学位论文 k h z 【1 4 7 】。开关频率的提高有利于开关电源的体积减小、重量减轻。后来，随着 电力m o s f e t 的应用，开关电源的开关频率进一步提高。2 0 世纪8 0 年代，绝 缘栅双极型晶体管( i g b t ) 出现，i g b t 可以看成是m o s f e t 和g t r 复合而成的 器件【1 3 a 3 2 1 。其具有m o s f e t 的电压型驱动、驱动功率小的优点，同时又具有 g t r 饱和压降低和可耐高压、大电流等一系列应用上的优点。使得开关电源的 容量进一步增大，在许多中等容量范围内，迅速取代了晶闸管相控电源。并且， i g b t 的开关速度也很高，通态压降低。在一些发达国家研制出开关频率高达 1 0 0 k h z 的开关电源，到了9 0 年代，在美国首先出现了单片开关电源了，其工 作频率高达1 3 5 k h z l 2 j 。使得电源体积更小，重量更轻，功率密度进一步提高。 开关频率的提高使开关电源的电磁干扰问题变得突出起来。为了解决这些问 题，2 0 世纪8 0 年代，出现了采用准谐振技术的零电压开关电路和零电流开关电 路【1 j ，也就是我们所说的软开关技术，这种电路利用以谐振为主的辅助换流手段， 即使开关开通或关断前的电压、电流分别为零。解决了电路中的开关损耗和开关 噪声问题，使开关频率可以大幅度提高，从而，使开关电源进一步向体积小、重 量轻、效率高、功率密度大的方向发展。 1 1 2 开关电源的分类 1 按输出输入电压分 开关电源技术就是随着电力电子器件、开关频率技术发展而发展的，两者相 互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着体积小、重量轻、噪声 低、可靠性高、抗干扰能力强的方向发展。开关电源按输入输出电压可分为 a c d c 和d c 佃c 两大类。d c 徊c 变换器现已实现模块化，且设计技术及生产 工艺在国内外均己成熟和标准化，已得到广大用户的认可；但a c d c 变换器因 其自身特性，使得在模块化的进程中遇到较复杂的技术和工艺制造问题。以下分 别对两类开关电源作简要地介绍。 1 ) d c d c 变换器 随着电力电子的发展，开关电源的d c ，d c 变换器型式和种类越来越多，主 要类型如图1 3 所示。 ( 1 ) 反激式：电路拓扑简单，元件数少，因此成本较低。但该电路变换器的 磁芯单向磁化，利用率低，而且开关器件承受的电流峰值很大，广泛用于数瓦 3 南昌大学硕士研究生学位论文 数十瓦的小功率开关电源中。由于不需要输出滤波电感，易实现多路输出。 ( 2 ) 正激式：拓扑结构形式和反激式变换器相似，虽然磁芯也是单向磁化， 却存在着严格意义上的区别，变压器仅起电气隔离作用，而且电路变压器的工作 点仅处于磁化曲线的第1 象限，没有得到充分的利用，因此同样的功率，其变换 器体积、重量和损耗大于半桥式、全桥式、推挽式变换电路。广泛用于功率为数 百瓦数千瓦的开关电源中。 ( 3 ) 半桥式：电路结构较为复杂，但磁芯利用率高，没有偏磁的问题，且功 率开关管的耐压要求低，不超过线路的最高峰值电压。克服了推挽式的缺点。适 合数百瓦数千瓦的开关电源中，高输入电压的场合。 ( 4 ) 全桥式：电路结构复杂，但在所有隔离型开关电源中，采用相同电压和 电流容量的开关器件时，全桥型电路可以达到最大的功率，目前，全桥型电路多 被用于数百瓦数千瓦的各种工业用开关电源中。 ( 5 ) 推挽式：电路形式实际上是两只对称正激式变换器的组合，只是工作时 相位相反。变压器的磁芯双向磁化，因此相同铁芯尺寸的输出功率是正激式的近 一倍，但如果加在两个原边绕组上的v - s 积稍有偏差就会导致铁芯偏磁现象的产 生，应用时需要特别注意。适合中功率输出。 ( a ) 反激式 ( b ) 正激式 ( d ) 半桥式 ( c ) 推挽式 q 囝j c 】 ，d ch i - 瞄： i ( e ) 全桥式 图1 - 3d c d c 变换器的电路拓扑结构 以上几种拓扑各有特点，设计者可以根据不同的要求选取适宜的拓扑结构形 式。例如( a ) 、( b ) 较为适合小功率输出，尤其反激式变换器不需要输出滤波电感。 成为小功率多路输出的开关电源优先考虑的拓扑形式。反激式和正激式变换器都 4 鹾 豁 南昌大学硕士碍究生学位论文 可以经过适当的变化，派生出新的变换器，以提高输出功率，提高效率，降低功 率管的电压应力或减小输出纹波。 今天，随着软开关技术的发展，d c d c 变换电路有了质的飞跃。解决了电 路中的开关损耗和开关噪声问题，使开关频率可以大幅度提高，使d c d c 变换 器进一步模块化、绿色化，且使变换器的重量减轻了。日本n e m i c l 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 0k h z ，采用同步整流器，使整个电路效率提高到9 0 ；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3 0 0 w 、6 0 0 w 、8 0 0 w 等，效率为9 0 以上【6 1 2 4 2 8 1 。 2 ) a c d c 变换 a c d c 变换电路是指能够直接将交流电能变换为直流电能的电路，泛称整 流电路。在所有的电能基本变换形式中，a c d c 最早出现，自2 0 世纪2 0 年代 迄今已经历了以下几个发展阶段【3 】： 旋转式变流机组( 电动机一发电机组) 静止式离子整流器( 由充气闸流管和汞弧整流管组成) 静止式半导体整流器( 低频型、高频型) 整流电路可从各种角度进行分类，主要分类方法有： ( 1 ) 按组成的器件被控程度可分为不可控、半控、全控三种； ( 2 ) 按电路结构可分为桥式电路和零式电路； ( 3 ) 按交流输入相数分为单相电路和多相电路； ( 4 ) 按变压器二次侧电流的方向是单向或双向，又分为单拍电路和双拍电 路。 y j o i f i 谂厂。 f 一 图1 - 4 输入电压电流波形图 南昌大学硕士研究生学位论文 a c d c 变换器输入为5 0 6 0h z 的交流电，其频率为工频，以致整流滤波时 需要体积较大的滤波电容器，另外，整流器和电容滤波电路是一种非线性元件 和储能元件的组合，因此，虽然输入交流电压m 为正弦波，但输入交流电流西 波形却严重畸变，呈脉冲状，如图1 4 所示t 5 1 。交流输入侧必须加e m c 滤波及 使用符合安全标准的元件，这样就限制a c d c 电源体积的小型化；同时，由于 内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决电磁兼容( e m c ) 问题难度加大， 也就对内部高密度电路设计提出了很高的要求，从而限制了a c d c 变换的模块 化。 2 按控制方式分 开关电源按控制方式可分为：1 ) 电压控制型、2 ) 电流控制型、3 ) v 2 控制 型三种。以下对这三种控制方法作简要介绍。 1 ) 电压控制型 目前，开关电源普遍采用电压型脉宽调制( p w m ) 技术，其结构框图如图1 5 示。从图可以看出，电压型控制方法是：利用输出电压采样作为控制环的输 入信号，将该信号与基准电压巩，进行比较，并将比较的结果放大生成误差电压 以。误差电压与振荡器生成的锯齿波珥进行比较生成一脉宽与以大小成正比的 方波，该方波经过锁存器和驱动电路( 图中未画出驱动电路) 来驱动开关管的导通 和关断，以实现开关变换器输出电压的调节。电压型控制方法只有一个控制环， 因而设计和分析相对比较简单。由于锯齿波的幅值比较大，所以抗干扰能力比 较强。 图1 5 电压控制型开关电源结构框图 2 ) 电流控制型 电流型p w m 技术是近年兴起的新技术，电流型控制正是针对电压型控制的 - 、 6 南昌大学硕士研究生学位论文 一些缺点而发展起来的，结构框图如图1 - 6 所示。它除保留了电压控制的输出电 压反馈控制部分外，又增加了一个电流反馈环节，是一个电压、电流双闭环控 制系统【3 7 】。所谓电流型控制，就是在脉宽比较器的输人端将电流采样信号与误 差放大器的输出信号进行比较，以此来控制输出脉冲的占空比，使输出的电感 峰值电流跟随误差电压变化。电流型控制的工作原理是采用恒频时钟脉冲置位 锁存器，输出脉冲驱动功率管导通，电源回路中的电流脉冲就逐渐增大，当电 流在采样电阻上的幅度达到巩时，脉宽比较器的状态翻转，锁存器复位，驱动 脉冲撤除，功率管从导通转为截止【1 1 1 2 1 。这样，逐个检测和调节电流脉冲，就 可达到控制电源输出的目的。与电压型p w m l t l 较，电流型具有以下优点： ( 1 ) 电流型p w m 开关电源具有更好的电压调整率和负载调整率； ( 2 ) 系统的稳定性和动态特性会有明显改善； ( 3 ) 其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路简单可靠【2 2 1 。特别是电流 型控制应是未来开关电源较为理想的工作方式。 图1 6 电流控制型开关电源结构框图 3 ) v 2 控制型 v2 控制型是在电流控制型的基础上产生的，结构框图如图1 7 所。 图1 7v 2 控制型开关电源结构框图 7 南昌大学硕士研究生学位论文 v 2 控制型与电流控制型的区别在于：v 2 控制型用滤波电容电压采样代替了 电流控制型中p w m 比较器的电流采样输入。输出电压反馈回来作为两个控制 环的反馈量。一是慢的外环反馈信号，输入到低带宽的误差放大器，该误差放 大器将与固定的基准电压u 陀，比较，产生一p w m 控制电压u 。；二是输出电压 的纹波【厂口作为内环反馈控制信号，作为p w m h f i 较器的斜坡信号反馈到p w m 比 较器的输入，事实上，u 口为电感的纹波电流在输出滤波电容的寄生电阻上的压 降。v 2 控制型中速度快的p w m 内环控制瞬态响应，速度慢的外环负责优化控制 精度。v 2 控制型稳态时的工作原理为：在每个周期开始时时钟信号使锁存器复 位、开关管导通，开关电湖l 由初始值线性增大。由于负载电流固定不变，所 以该变化的电流完全通过滤波电容的寄生电阻给滤波电容充电，从而在寄生电 阻上产生与电感电流斜率相同的压降u q ，该电压即为内环的采样电压。当u 口增 大到误差电压u 。时，比较器翻转，从而使锁存器输出低电平，开关管关断。直 到下一个时钟脉冲信号到来，开始一个新的周期。 v 2 控制型开关电源虽然响应速度很快，但其抗干扰能力差。当占空比大于 5 0 时，会产生次谐波振荡，所以要使用斜坡补偿；另外，v 2 控制方法对输入 和输出电流都没有直接控制，所以不便于电源的并联使用，需额外的电路进行 过流保护1 1 8 】。 1 1 3 开关电源的发展趋势 今天，开关电源最主要的市场是在小功率领域，但在中等功率以至较大功 率领域，开关电源的优势已十分明显。随着人们对开关电源技术研究的不断深 化，在中等功率及以上的领域内应用更广阔。开关电源的应用范围是越来越广， 反过来又遇到更多的问题和难题。这些问题可归纳为以下几点： 1 电磁兼容性 开关电源具有体积小、重量轻、效率高的优点，加上已有市售的开关电源 集成控制模块，使电源的设计、调试简单化，所以在计算机、电视机以及各种 控制系统中得到广泛应用。但是开关电源在工作时，其开关器件的电压和电流 波形都是以极短的时间上升和下降。这些具有陡变沿的脉冲信号会产生很强的 电磁干扰，使处于同一电磁环境的其他设备降级或失效。目前人们已认识到需 要对这种电磁干扰进行控制，特别是工业发达国家格外重视控制电磁干扰，成 南昌大学硕士研究生学位论文 立了国家级以及国际间的组织，对电磁干扰问题进行研究，并实行电磁兼容性 许可证制度。 2 组建大容量的开关电源 目前，开关电源一直还是处于中小型功率范围内发展。随着半导体器件的 发展，市场上大型电子装置不断的问世，对大容量开关电源的需求越来越强烈。 所以，这对目前开关电源的容量是一个很大的挑战。急需研制出大容量的开关 电源以适应社会的需求和发展。 3 提高功率因数 为提高线性稳压器电源的效率，适应现代电子设备多功能和小型化，开关 电源电路应运而生。但开关电源的电路结构使得电网的功率因数下降( ，只有o 6 5 左右) 2 0 2 1 】，同时又使输电线上损耗增加，浪费了大量电能。为此，提高开关电 源的功率因数不仅有利于提高电网质量，更重要的是节省了能源。 4 提高开关频率 开关电源频率提高，开关电源的动态响应才能快，这样才能适应当今电子 设备中高速微处理器发展，也是使开关电源小型化、模块化的重要途径。 5 使开关电源小型化、模块化 随着电子技术及半导体器件的发展，计算机等电子装置的集成度不断增加， 功率越来越强，而它们的体积却越来越小。因此，迫切需要体积小、重量轻、 效率高、性能好的新型电源，研究小型化、模块化的开关电源是电子装置发展 的前期工作。 这些问题的实现是开关电源能否在更广阔领域中应用的关键。我们应把问 题和困难看成动力和机遇，全身心投入到开关电源这一事业当中来，使开关电 源产业有着广阔美好的发展前景。 1 2 本课题的选题依据和现实意义 1 选题的来源 目前，开关电源普遍采用电压型p w m 技术，其结构图如图1 5 所示。从图 中可以看出，电压型控制方法是利用采样输出电压作为控制环的输入信号，将该 信号与基准电压进行比较，并将比较的结果放大生成误差电压魄。误差电 q 南昌大学硕士研究生学位论文 压沈与振荡器生成的锯齿波折进行比较生成一脉宽与u e 大小成正比的方波， 该方波经过锁存器和驱动电路( 图1 5 中未画出驱动电路) 来驱动开关管的导通和 关断，以实现开关变换器输出电压的调节。其主要缺点是输入或输出的变化只能 在输出改变时才能检测到并反馈回来进行纠正，因此响应速度比较慢，造成输出 电压稳定性差。 电流型p w m 技术是近年兴起的新技术，电流型控制正是针对电压型控制的 缺点而发展起来的，且系统稳定性比v 2 控制型要好。结构如图1 6 所示。它除保 留了电压控制型的输出电压反馈控制部分外，又增加了一个电流反馈环节，是一 个电压、电流双闭环控制系统。所谓电流型控制，就是在脉宽比较器的输人端将 电流采样信号与误差放大器的输出信号进行比较，以此来控制输出脉冲的占空 比，使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化。电流型控制的工作原理是采用恒 频时钟脉冲置位锁存器，输出脉冲驱动功率管导通，电源回路中的电流脉冲就逐 渐增大，当电流在采样电阻上的幅度达到沈时，脉宽比较器的状态翻转，锁存 器复位，驱动脉冲撤除，功率管从导通转为截止。这样，逐个检测和调节电流脉 冲，就可达到控制电源输出的目的。与电压型p w m 比较，其具有以下优点： 1 1 电流型p w m 开关电源具有更好的电压调整率和负载调整率； 2 ) 系统的稳定性和动态特性会有明显改善； 3 ) 其内在的限流能力和并联均流能力使控制电路简单可靠。 2 选题的意义 随着开关电源的发展，电源的小型化、模块化、绿色化越来越受到人们的关 注。以致于2 0 世纪9 0 年代中期，单片开关电源问世了。美国电源集成( p i ) 公司率 先于1 9 9 4 年研制成三端隔离式脉宽调制型单片开关电源。其第一代产品为 t o p s w i t c h 系列，随后于1 9 9 7 年，2 0 0 0 年1 月和1 1 月相继推出了t o p s w i t c h i i 系列， t o p s w i t c h f x ，t o p s w i t c h o x 系列。这几种芯片都为电流控制型芯片，该系 列芯片集p w m 信号控制电路和功率开关器件m o s f e t 于一体。该系列开关电源 集成电路有高集成度、高性能价格比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，能 构成高效率无工频变压器的隔离式开关电源。鉴于电流控制型有电压控制型及 v 2 控制型无与伦比的优点。所以，本课题选择了基于t o p s w i t c h i i 芯片控制的单 端反激式开关电源。 1 0 南昌大学硕士研究生学位论文 单片开关集成芯片一经问世便显示出强大的生命力，目前已成为国际上开发 2 9 0 w 以下中、小功率开关电源、精密开关电源、特种开关电源及电源模块的优 选集成电路。t o p s w i t c h i i 系列产品优点如下： 1 ) 采用高压c m o s 电路的先进技术，实现高压m o s f e t 与低压控制电路的单 片集成化，将p w m 控制系统的全功能集成到三端芯片中； 2 ) 它属于漏极开路输出并且利用电流来线性调节占孔比的a c d c 电源变换 器，即电流控制型开关电源； 3 ) 输入交流电压和频率的范围极宽； 4 ) 此芯片只有3 个引出端，可以同三端线性集成稳压器相媲美，能以最简方 式构成无工频变压器的反激式开关电源； 5 ) 外围电路简单、效率高、成本低； 6 ) 若将它配以低压差线性集成稳压器，则可构成一种新型复合式开关电源， 既保留了开关电源体积小、效率高之优点，又具有线性稳压电源稳定性好、纹波 电压低等优良特性； 7 ) 开关频率高达1 1 0 k h z ，采用这种芯片能够降低开关电源所产生的的电磁 干扰( p w m ) ； 8 ) 其工作温度范围为o 7 0 ，芯片最高结温r j m = 1 3 5 。 1 3 本文的主要内容及工作 1 课题内容 本课题研究的是基于t o p s w i t c h i i 芯片的开关电源，主要有以下工作： 1 ) 分析了电流型反激式开关电源的工作原理，并介绍了电流控制型中的峰 值电流型控制方法的优缺点，最后详细介绍了专用的电流型控制芯片 t o p s w i t c h i i 的内部结构及其工作原理。 2 ) 对电流型反激式单输出开关电源的数学模型进行了研究分析，导出了功 率变换、控制回路、电压电流采样电路各稳态值之间的数学关系，建立了系统工 作在d c m 条件下的稳态数学模型。 3 ) 元器件的选型及制作。包括：变压器的绕制、稳压器及光耦合器的选型、 其他元器件参数的确定； 4 ) 电路图的搭建及制作、电源的调试，对实验波形进行分析。 南昌大学硕士研究生学位论文 2 课题拟解决的主要问题 电压型控制方法只有一个控制环，因而设计和分析相对比较简单。由于锯齿 波的幅值比较大，所以抗干扰能力比较强。其主要缺点是输入或输出的变化只能 在输出改变时才能检测到并反馈回来进行纠正，因此响应速度比较慢，造成输出 电压稳定性差；另外，传统开关电源的开关功率管与控制芯片分开的，这样做成 的开关电源体积大、外围电路复杂。本课题设计的基于t o p s w i t c h i i 的开关电源 可以解决以上问题。使电源具有外围电路简单、体积小、输出电压稳定等优点。 3 课题的创新点与难点 1 ) 课题创新点 本课题设计的基于t o p s w i t c h i i 的开关电源与传统的开关电源相比，有电 压调整率好、系统稳定性高、动态特性得到改善等优点；并在电源后级增加了一 个三端线性稳压器r ( f h 7 8 l 1 2 ) ，使输出电压更平稳，而且输出纹波电压较小。 2 ) 课题的难点 本课题设计的开关电源体积小，频率较高，所以在研制时主要存在以下几 个难点： ( 1 ) 电源开关频率高，高频变压器绕制较复杂； ( 2 ) 开关损耗随电源开关频率的升高而增大，所以如何较好地降低开关损耗 也是一个难点。 1 2 南昌大学硕士研究生学位论文 2 1 引言 第二章电流型反激式开关电源的工作原理 随着电流型控制技术的不断发展和日臻完善，电流型反激式开关电源以其结 构简单、无输出滤波电感、易实现多路输出等优越性广泛应用于小功率多输出的 场合。由于反激式开关电源的功率开关管m o s f e t 在截止期间承受的最大电压较 高，适于高输入电压的应用场合，因此本文设计适合高输入电压应用场合的单端 反激式开关电源。 开关电源设计中常用的控制方法主要有电压型和电流型。电流型控制方法是 近十年来发展起来的一种新颖的控制方法，按频率是否恒定可分为：恒频控制和 变频控制两种，后者又可进一步分为恒导通时间和恒关断时间两种。其中恒频控 制应用较多。按控制对象的不同可以分为：峰值电流控制、电流滞环控制和平均 电流控制，前者的电路实现比后者简单。 本章首先根据电流型单端反激式开关电源的系统结构框图介绍其工作原理， 然后对峰值电流控制方法作进一步深入分析，最后介绍电流型专用控制芯片。 2 2 电流型反激式开关电源的结构框图及工作原理 由t o p s w i t c h i i 芯片构成的单端反激式开关电源框图如图2 1 所示。主要包 括：输入整流滤波电路、功率变换电路、输出滤波电路、电流、电压采样反馈电 路及控制电路几部分组成。功率电路采用单端反激式d c d c 变换器，控制电路是 t o p s w i t c h i i 芯片来实现电流型控制的功能。 电源简要工作原理如下：交流电阢经输入整流滤波电路后输入到高频变压 器一次侧，电压经反激后，二次侧上的高频电压经过输出整流滤波电路整流滤波 后，获得输出电压。图中钳位电路是用来吸收高频变压器的漏感产生的尖峰电 压，从而保护了t o p s w i t c h i i 中功率管不被尖峰电压烧毁。稳压管和光耦合器组 成反馈电路。输出电压的稳压原理如下：当由于某种因致使上升，则光耦中 发光二极管的电流升高，经过光耦后，使光耦中的接收管电流也升高，使得 t o p s w i t c h i i 控制端电流升高，经t o p s w i t c h i i 内控制后，使控制脉宽占空比降 低，导致下降，从而实现稳压目的；反之，当下降时也一样稳定。 1 3 南昌大学硕士研究生学位论文 图2 - 1t o p s w i t c h - i i 构成的单端反激式开关电源框图 电流型控制技术是针对电压型的缺点发展起来的一种新颖的控制思想，它以 独特的优越性替代电压型控制被广泛应用于正激、反激及推挽式等d c d c 功率变 换器的控制电路中，虽然这种控制方法优点较突出，但也存在一些缺点。 电流型控制方法可分为三种形式，即峰值电流控制、电流滞环控制以及平均 电流控制【引。由于电流滞环控制方法存在负载的大小对开关频率影响甚大的问 题，而平均电流型控制电路实现较复杂，所以本设计是采用峰值电流控制方法。 下面对峰值电流型控制的特点进行介绍。 2 3 峰值电流型控制方法的特点 2 3 1 峰值电流型控制的优点 1 抵抗输入电压变化的能力 输入电压变化时，由于副边d c 输出电压与副边绕组的峰值电压及功率管的 导通时间成正比，为维持输出电压恒定必须改变占空比的宽度。假定，输入电压 升高，原边绕组电感电流的上升斜率增大，从而电流检测信号的上升斜率增大， 因反馈环的延迟作用，误差电压信号来不及发生变化。较快的电流上升斜率而提 前达到给定的电流基准值，使占空比减小，快速实现了稳定输出电压的目的。反 之亦然。 电流型固有的输入电压前馈特性，使输入电压的瞬态变化而导致输出电压瞬 态变化的周期和幅值均减小，改善了动态调节特性。尤其是，反激式开关电源工 作在电感电流不连续模式，能使系统获得很好的开环线性调整率。而在电压型 控制的电路中，由于仅监控输出电压，输入电压的变化只能通过所采样的输出电 压反映出来，所以调节过程比电流型控制要慢。 南昌大学硕士研究生学位论文 2 改善输出负载电流的调节 电流型控制能更好的改善输出负载电流的变化。若主输出负载电流迅速增 大，主输出电压也同步变化，通过电压反馈环获得的误差电压信号立即减小。这 时，电流检测信号将提前达到误差电压，使占空比减小，输出脉宽做较大的变化， 缩短开关曹导通时间，以适应负载变化要求；反之，若主输出负载电流门限电压 迅速减小时，主输出电压也减小，误差放大器输出误差电压信号增大。从而占空 比增大，同样起到调节作用。值得注意的是，系统对负载电流变化的响应速度和 误差放大器的带宽有关【4 1 1 。 3 简化反馈环的设计 在电压型控制中，系统是一个二阶有条件稳定系统，输出l c 滤波器对控制 环增加了两个极点，使其在谐振频率附近产生近1 8 0 0 的相移，随着频率增加，滤 波器输出、输入间的增益将以4 0d b d e c a d e 的斜率迅速衰减。较大的相移以及 增益随频率的快速变化使得环路增益不能满足系统稳定标准，抗干扰能力差，因 此需要增加一个零点补偿，而环路增益又随输入电压的变化而变化，使补偿变得 更加复杂化。 电流型控制时，电流控制内环逐脉冲检测电路的峰值电流，用小信号法进行 系统的稳定性分析时可发现，输出电感就好象不存在，电路就象有一恒流源为输 出电容和负载电阻提供电流，系统模型发生降阶，开关变换器成为一阶无条件的 稳定系统。一阶系统只有单个极点和9 0 0 的相位滞后，消除了输出电感带来的极 点和系统的二阶特性。因此网络产生的是9 0 0 的相移而不是1 8 0 0 的相移，且l c 滤 波器输出、输入间的增益也是以2 0d b d e c a d e 而不是4 0d b d e c a d e 的斜率随频率 的增加而衰减。因而很容易不受约束的得到大的开环增益和完善的小信号、大信 号特性，简化了反馈环节的设计，增强了反馈系统抗输入、输出扰动能力，提高 了系统的可靠性【3 4 4 1 4 2 1 。 两种控制模式的反馈环的补偿网络分别见图2 - 2 0 7 的( a ) ( b ) 所示。 南昌大学硕士碍究生学位论文 ( a ) 电压型 ( b ) 电流型 图2 - 2 两种控制模式的反馈环的补偿网络 4 具有良好的模块冗余能力 电流型控制允许多台负载电流相同的电源并联运行。负载电流正比于误差电 压信号，当多台并联运行时，因电流内环直接逐个脉冲监控电流峰值，只要给定 或限制参考基准信号，并将采样的相同电流信号与这个共同的给定信号相比较， 并联运行的各台变换器就能自动完成均流功能m 然而在传统的电压型开关电源 中，由于电路电流没有参与控制，均流功能只能通过电路自身的阻抗实现或者另 设一个负载分配电路。由此可见，电流型的自动均流能力便于系统的冗余化模块 设计，提高系统运行的可靠性。 5 具有自动限流作用，可靠性高 电流型对瞬态冲击电流的反向抑制作用及最大电流值限幅设定，使得通过功 率开关管的最大电流得到限制，因此系统的限流能力及抗短路冲击能力强，过载 保护和短路保护措施得到简化。 6 自动消除变压器偏磁的能力 偏磁主要发生在推挽式和全桥式变换器电路。对反激式、正激式变换器而言， 其变压器加有气隙及磁恢复绕组，变压器的磁芯不会因严重偏磁饱和而产生电流 尖峰，导致电路无法正常工作。由于设计是反激式开关电源，所以在此对电流型 控制自动消除变压器偏磁的能力不作过多讨论，详细介绍参见文献【3 4 1 。 1 6 南昌大学硕士研究生学位论文 2 3 2 峰值电流型控制的缺点 峰值电流型控制较好的解决了系统稳定性和快速性问题，因此得到广泛的应 用，但该控制方法也存在一些不足之处： 1 ) 该控制方法是电感电流的峰值，而不是电感电流的平均值，且两者之间 的差值随着电感电流的上升率和下降率的不同而改变。 2 ) 当占空比大于5 0 时，由于电感电流上升斜率不够大，但电感电流中通 常含有一些开关过程产生的噪声信号，容易造成比较器的误动作，可能导致抗干 扰能力差。 2 4 控制电路的专用芯片 本文采用的控制芯片是美国电源集成公司( p o w e ri n t e g r a t i o n s ) 公司生产的 t o p s w i t c h i i 系列芯片，该系列芯片具有高集成度、高性能价格比、最简外围电 路、最佳性能指标等优点【2 1 。其内部结构如图2 3 所示。 图2 - 3t o p s w i t c h 芯片内部结构 该器件外部仅有3 个控制管脚：d ( 漏极) 为主电源输入端i ，c ( 控制端) 为控 制信号输入端；s ( 源极) 为电源公共端，也是控制电路的基准点。此芯片有三种 封装方式t o p 2 2 0 、d i p 8 、s m d 8 ，用户可根据需要进行选择。它将脉宽调制 ( p w m ) 控制系统的全部功能集成到三端芯片中。 ，-， 1 7 南昌大学硕士研究生学位论文 2 4 1 芯片管脚功能和典型参数 芯片的引脚功能如图2 4 所示。 c o n t r o l d i p - 8 ( p 删 s m d 4 ( g 0 8 棚 ( h vr t n ) ( h vr t n ) ( h vr t n ) 下曲i 阻m 删i 箩 c o n n e c t e dt ls o u r c ep l n t o p -