（电力系统及其自动化专业论文）基于单片机的高频开关电源的研究.pdf

i l at h e s i si np o w e rs y s t e ma n da u t o m a t i c d e s i g no f t h eh i g hf r e q u e n c y s w i t c h i n gp o w e r s u p p l yb a s e d o nm c u b yz h e n g j i n s u p e r v i s o r ：a s s o c i a t ep r o f e s s o rt o n gy u p e n g n o r t h e a s t e r nu n i v e r s i t y j u l y2 0 0 9 4 删6帅8 iiilm 4 删8iii1y 、二 il11 独创性声明 本人声明，所呈交的学位论文是在导师的指导下完成的。论文中取得 的研究成果除加以标注和致谢的地方外，不包含其他人己经发表或撰写过 的研究成果，也不包括本人为获得其他学位而使用过的材料。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谢 = 也 思。 学位论文作者签名：郑金 日 期：渺z77 、 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者和指导教师完全了解东北大学有关保留、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 磁盘，允许论文被查阅和借阅。本人同意东北大学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、交流。 作者和导师同意网上交流的时间为作者获得学位后： 半年口一年口一年半口两年一 k j 学位论文作者签名：辫仓 导师签名：j 喜z 心 乞签字日期：幽7 。一71 1签字日期：矽矽7 7 ， 龟 冬 东北大学硕士学位论文摘要 基于单片机的高频开关电源的研究 摘要 随着电力电子技术的迅速发展，高频开关电源已经广泛的应用于计算机、通信、工 业加工和航空航天等领域。它能把电网提供的强电和粗电，变换成各种电气设备和仪器 所需要的高稳定度的精电和细电，它是现代电子设备重要的“心脏供血系统”。但是， 现在普通的开关电源存在着智能性差、通用性差等一些缺点，针对这些问题进行了创新 性设计。 本文对单片机智能开关电源进行了研究和设计，论文首先介绍了开关电源领域的发 展情况和开关拓扑基本知识。然后提出了现阶段开关电源存在的各种问题，并在理论分 析的基础上提出了自己的设计方案。通过大量的实验和理论的分析发现用集成有p w m 模块的单片机替代传统的p w m 芯片可以解决开关电源普遍存在的问题。本文提出了一 种组合式的结构，以半桥变换器拓扑构成主电路，单片机及其i o 口电路构成控制电路， 其中利用自行设计的电压调理电路对电网电压进行采样并显示，在一定程度上实现了电 源的智能化，而且对输出电压进行采样运算处理后，输出相应的p w m 波形，从而控制 半桥拓扑的输出。另外在控制电路中添加了键盘，实现输出电压的调节，实现了电源的 通用性。其中单片机的i o 电路包括a d 采样，数码管显示，p w m 波的放大和反馈采 样。a d 采的是电网电压，所以要有一个电网电压处理电路，将2 2 0 伏的交流电压，变 成0 到5 伏的单极性变化的电压信号，将此信号送给单片机，经过其内部集成的a d 模 块运算后输出显示到四位数码管上。反馈采样电路将输出结果进行隔离和放大处理然后 送给单片机，参与单片机内部的p i d 运算，从而控制其p w m 波的占空比。 在设计部分详细的给出了整个单片机电源的设计过程，其中主电路的设计包括半桥 变换器电路的设计、驱动电路的设计、缓冲电路的设计和变压器的设计：控制电路的设 计包括单片机外围电路的设计、辅助电源模块的设计、显示模块和键盘模块的设计。在 论文的系统调试部分记录了此次电源设计的步骤和过程，以及调试波形和数据，从结果 看电源运行状态良好，输出电压稳定，验证了系统设计方案的可行性。 关键词：单片机；开关电源；p w m ；半桥变换器 i i 、 ， ， 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 c s ，h i l g hf r e q u e n c ys w i t c h i n gp o w e rs u p p l yh a s b e e nw i d e l yu s e di nt h ea r e a so fc o m p u t e r ，c o m m u n i c a t i o n ，i n d u s t r yp o r c e s sa n da v i a t i o n i t c a nt u r ns t r o n ga n dc o a r s ee l e c t r i c i t yi n t op r e c i s ea n de x q u i s i t ee l e c t r i c i t y ，w h i c hc a nb eu s e d b ym a n yk i n d so fe l e c t r i c i a le q u i p m e n t sa n di n s t r u m e n t s ，a n di ti st h e “h e a r tb l o o ds u p p l y s y s t e m ”o f m o d e me l e c t r i c i a le q u i p m e n t s b u tt h et r a d i t i o n a ls w i t c h i n gp o w e rs u p p l yh a sl o w i n t e l l i g e n c ea n dp o p u l a r i t y i no r d e rt os o l v et h i sp r o b l e mt h i si n n o v a t i v ed e s i g nw a sm a d e t h i st h e s i si sm a i n l ya b o u tt h er e s e a r c ha n dd e s i g no fh i 曲f r e q u e n c ys w i t c h i n gp o w e r s u p p l yb a s e do nm c u f i r s t ，t h ec u r r e n td e v e l o p m e n to fp o w e rs u p p l ya n ds w i t c h i n g t o p o l o g ya r ei n t r o d u c e d t h e nb r i n gf o r w a r ds o m ep r o b l e m sa b o u ts w i t c h i n gp o w e rs u p p l y a n dd e s i g ns c h e m eb a s e do nt h e o r e t i c a la n a l y s i s e s b ym e a n so fn u m e r o u se x p e r i m e n t sa n d t h e o r e t i c a la n a l y s i s e sw ec a nf i n dt h a tu s em c uw h i c hc o n t a i n sp w mm o d u l et or e p l a c e p w mc h i pi nt h es w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc a ns o l v et h ep r o b l e m t h i st h e s i sp u tf o r w a r da c o m b i n a t o r i a ls t r u c t u r e ，h a l fb r i d g et o p o l o g ym a k eu po ft h em a i nc i r c u i t ，m c ua n di t si o i n t e r f a c ec i r c u i t sm a k eu po ft h ec o n t r o lc i r c u i t u s et h et r a n s a c t i o nc i r c u i tw h i c hd e s i g n e db y m y s e l ft os a m p l ep o w e r 鲥dv o l t a g ea n dd i s p l a yi t t h i sm a k e st h ep o w e rs u p p l ym o r e i n t e l l i g e n t ，a n da tt h es a m et i m e st h em c us a m p l e sa n dt r a n s a c t st h eo u t p u tv o l t a g et h e ni t w i l le x p o r tp w mw a v et oc o n t r o lt h eo u t p u to fh a l fb r i d g et o p o l o g y s o m ek e y sw e r ea d d e d i n t ot h ec o n t r o lc i r c u i t ，w h i c hc a r lr e g u l a t et h eo u t p u tv o l t a g em a k et h ep o w e rs u p p l yh a v e b a t t e rp o p u l a r i t y t h em c ui oi n t e r f a c ec i r c u i ti n c l u d e sa ds a m p l i n g ，n i x i el i g h td i s p l a y ， t h ea m p l i f i c a t i o no fp w mw a v ea n ds a m p l i n gf e e d b a c kc i r c u i t b e c a u s et h eo b j e c to fa d s a m p l i n gi sp o w e r 咖d ，s ow en e e dat r a n s a c t i o nc i r c u i t ，w h i t c ht u r nt h e2 2 0 va l t e r n a t i n g v o l t a g ei n t o0t o5 vu n i p o l a r i t yc h a n g e dv o l t a g es i g n a l t h i ss i g n a li st r a n s m i t e di n t oa d m o d u l eo fm c ua n dd i s p l a y e db yf o u rn i x i el i g h t s t h es a m p l i n gf e e d b a c kc i r c u i ti s o l a t e s a n da m p l i f y st h eo u t p u tv o l t a g e ，t h e ns e n d si tt om c uf o rt h ep i dc o m p u t e ，t oc o n t r o lt h e p w mw a v e sd u t yr a t i o t h i st h e s i si n t r o d u c e st h ed e s i g np r o c e s so ft h ew h o l es w i t c h i n gp o w e rs u p p l y ，t h e d e s i g no fm a i nc i r c u i ti n c l u d e sh a l fb r i d g et o p o l o g yd e s i g n ，d r i v ec i r c u i td e s i g n ，b u f f e rc i r c u i t d e s i g n ，a n dt r a n s f o r m e rd e s i g n ；t h ed e s i g no fc o n t r o lc i r c u i ti n c l u d e se x t e r n a lc i r c u i to fm c u d e s i g n ，a u x i l i a r yp o w e rd e s i g n ，k e y b o a r da n dd i s p l a ym o d u l ed e s i g n s t h er e g u l a t i n gp a r to f t h i st h e s i s r e g i s t e r ss t e p sa n dp r o c e s s e so ft h i sp o w e rs u p p l yd e s i g n ，a n dr e g u l a t i n g w a v e f o r m sa n dd a t a , w h i c hs h o wp e r f e c to p e r a t i n gs t a t eo ft h ep o w e rs u p p l y ，s t a b l eo u t p u t i i i 一 ， 产叫 东北大学硕士学位论文 a b s t r a c t v o l t a g e ，a n dt h ef e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g ns c h e m ei sa l s ov e r i f i e d k e yw o r d s ：m c u ；s w i t c h i n g m o d ep o w e rs u p p l y ；p w m ；h a l fb r i d g et o p o l o g y 一 一 一一一 一 一一 一i v i 东北大学硕士学位论文 目录 目录 独创性声明i 摘要i i a b s t r a c t i i i 第1 章绪论1 1 1 开关电源简介1 1 2 开关电源的发展状况1 1 3 单片机控制开关电源设计方案的选取3 1 4 本文主要内容3 第2 章主电路的选取及其工作原理5 2 1 几种主要的拓扑结构5 2 1 1 b u c k 开关型调整器拓扑5 2 1 2 b o o s t 开关拓扑6 2 1 3 推挽拓扑8 2 1 4 正激变换器拓扑“1 0 2 1 5 反激变换器拓扑”1 2 2 1 6 全桥变换器拓扑1 4 2 2 主电路的选择l5 2 3 半桥变换器电路15 2 4 半桥变换器电路的仿真1 9 2 5 本章小结2 3 第3 章电源主电路的设计2 5 3 1 单相桥式整流电路2 5 3 2 缓冲网络的设计一2 8 3 3 高频变压器的设计3 0 3 4 变压器原边阻断电容的选择3 2 3 5 主输出电感的最小电流限制3 4 一v 一 东北大学硕士学位论文目录 3 6 本章小结3 5 第4 章电源控制电路的设计3 7 4 1 高频开关电源的控制方式3 7 4 1 1 电压模式控制_ 3 7 4 1 2 电流模式控制”3 8 4 2p i d 数字控制器在开关电源中的应用3 9 4 3 开关电源控制模块的硬件设计4 0 4 3 1 单片机选型4 0 4 3 2 调理电路设计4 2 4 3 3 显示模块设计4 3 4 3 4 电网电压的采样“4 4 4 3 5 键盘模块设计一4 5 4 3 6 驱动模块设计4 7 4 3 7 采样反馈模块设计4 7 4 3 8 芯片供电电源的设计4 9 4 4 开关电源控制模块的软件设计5 0 4 4 1 主程序设计一5 0 4 4 2 初始化模块设计”5l 4 4 3p i d 数字控制模块主程序设计5 2 4 。4 4 键盘模块主程序设计5 2 4 4 5p w m 模块主程序设计5 3 4 5 系统抗干扰5 5 4 6 本章小结“5 6 第5 章系统的调试5 7 5 1p i c l 6 f 8 7 7 芯片的测试5 7 5 2 电路的调试“5 8 5 3 本章小结6 l 第6 章结论与展望6 3 参考文献6 5 一v i 东北大学硕士学位论文 目录 致谢6 9 附录a 主电路电路图7 1 附录b 控制电路电路图7 3 一v i i i 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 开关电源简介 信息时代离不开电源设备，电源是对公用电网或电能进行变换和控制，并向各种用 电负载提供优质电能的供电设备。应用大功率半导体器件，在一个电路中运行于开关状 态，按一定规律控制开关，对电能进行处理变换而构成的电源，被称为开关电源。广义 地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成另一形态的主电路都叫做 开关变换电路，转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节的则称开关电源。 开关电源发展到今天，从以前的线性电源、相控电源逐渐发展到现在的开关电源， 而开关电源在效率、重量、体积等方面相对于传统晶体管线性电源具有显著优势，因此 在电源领域里高频开关电源成为最为广泛使用的电源。传统的相控整流电源采用体积较 大的工频变压器，且输出电压的纹波系数大，而且它的监控系统不完善，用户使用不方 便；更重要的是它无法达到电力系统监控设备和通信设备要求的电源纹波小、可靠性高、 抗干扰能力强的新的技术标准，另外因其网侧功率因数低、调整速度慢、噪声大等缺点， 正在被逐步淘汰，取而代之的是高频开关电源。 开关电源取消了传统电源笨重的工频变压器，使得电源的体积大大缩小，电源中的 电力电子器件工作在开关状态，使整机效率很高；开关器件的开关频率一般大于2 0 k h z ， 所以基本上没有噪声。由于高频开关电源在重量、体积等方面较传统电源显著减小，而 且对整机多项指标有良好的影响，因此它在工业应用中迅速得到了推广，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、 工业设备等，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式1 2 1 。 开关电源中的电子电路，也就是常说的主电路，是开关电源的核心电路。对各种开 关电源主电路的工作原理与适用条件的分析是进行开关电源电路选型的基础，也是主电 路和控制电路参数设计的基础。开关电源按输出端与输入端是否电气隔离可分为隔离型 的开关电源和非隔离型的开关电源；隔离型的开关电源可分为正激型、反激型、半桥型、 全桥型和推挽型，加入隔离的开关电源可以实现输入与输出的电气隔离，通常采用变压 器实现隔离，变压器本身有变压的功能，有利于扩大电源的应用范围和实现多路不同电 压或多路相同电压的输出；非隔离型的开关电源可分为b u c k 型、b o o s t 型、b u c k b o o s t 型、c u k 型、z e t a 型和s e p i c 型l j j 。 1 2 开关电源的发展状况 1 9 9 5 年，美国罗耶( g h r o g e r ) 发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 实现高频转换控制电路的开端。1 9 5 7 年，美国查赛( j e ns e n ) 发明了自激式推挽双变压器， 1 9 6 4 年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重 量的下降获得了一条根本的途径。到了1 9 6 9 年，由于大功率硅晶体管的耐压提高，二 极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了2 5k h z 的开关电源【4 。5 】。 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、工业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。市场上d c d c 开关电源中，用m o s f e t 制成的 3 0 0 5 0 0 k h z 电源，早己实用化，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。对1 m h z 以上的高频，要采 用软开关电路，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，可望成为开关电源高频化的一种主要方式【“7 1 。 高频化、小型化、模块化和智能化是开关电源的发展趋势。随着开关电源集成度的 提高，功率密度将越来越大，对工艺的要求也会越来越高。在半导体器件和磁性材料没 有新的突破之前，重大的技术进展可能很难实现，技术创新的重点将集中在如何提高效 率和减小重量，因此，工艺水平将会在电源制造中占的地位越来越高。伴随着频率的提 高，效率的增加和功率密度的提高，特别是开关电源逐渐要求小型化和模块化，对开关 电源的性能要求越来越高。模块电源主要用在通信领域，市场庞大，在汽车领域也有应 用，但主要是电信业，模块电源虽然线路不太复杂，但工艺要求极高，不易模仿，高功 率密度、小体积是模块电源永恒的追求【8 】。 另外，数字控制集成电路的应用也是将来开关电源发展的一个方向，这依赖于数字 控制器的运行速度和抗干扰技术的不断提高，至于先进的控制方法，目前已经有模糊控 制、模糊p i d 控制等控制方式移植到开关电源的控制中。 在传统的模拟开关电源系统中，专用模拟芯片为核心的传统模拟控制方法经历了数 十年的不断发展完善，在很多应用领域己堪称理想之选，但模拟开关电源的电路结构复 杂，需要较多的分立元件，所占体积较大，灵活性不够，实现的控制策略也非常有限， 硬件电路设计好了控制策略就无法改变，调试不方便，由于所采用器件特性的差异，致 使电源的可靠性和一致性都受到影响。相对于模拟电源的控制技术，数字电源具有较强 的在线可编程能力，要实现各种控制，无需变动硬件电路，只需修改软件即可，缩短了 开发周期，具有更高的的控制精度和工作可靠性、损耗低、效率高【9 】。 目前制约开关电源数字化发展的一个重要因素是数字化控制系统中核心处理器的 价格，伴随着数字控制技术及大规模集成电路的发展，数字芯片的成本将不断下降，数 一2 一 东北大学硕士学位论文第1 章绪论 字电源具有的更大集成度、更高效率、更快瞬时响应及更高灵活性等突出的性能优势更 加凸显，同时，专门针对高频功率变换器的芯片也已出现，这类芯片内部集成了精度较 高的a d 转换器和硬件实现的p w m 单元，非常适合电源领域的应用；在大功率规模化 电源产品应用方面，专用于电源控制技术的高速高性能微控制器的推出，使电源高频化 和软开关技术更容易实现，其构成的数字系统集成度更高，采用数字电源解决方案越来 越具有优势，长期综合成本并不一定就比模拟电源高，以技术获得经济效益的空间更大， 这在市场需求量大的通信电源、工业用电源、电力控制电源产品中的经济性优势更加凸 现，所以数字电源的前景变得非常广阔，数字电源的应用必将越来越广泛，如通讯、不 间断电源、医疗设备、工业系统应用、计算机服务器电源系统及小型便携式设备等领域 都将成为数字电源的应用范围，电源行业也将逐步走向数字电源时代【1 0 4 1 1 。 1 3 单片机控制开关电源设计方案的选取 单片机控制的开关电源的设计方案介绍【1 4 j ： ( 1 ) 单片机输出一个电压用作开关电源的基准电压。这种方案仅仅是用单片机代 替了原来开关电源的基准电压，可以用按键设定电源的输出电压值。 ( 2 ) 单片机和开关电源专用p w m 芯片相结合。此方案利用单片机扩展a d 转换 器，不断检测电源的输出电压，根据电源输出电压与设定值之差，调整d a 转换器的输 出，控制p w m 芯片，间接控制电源的工作。 ( 3 ) 单片机直接控制型。即单片机扩展a d 接口，不断检测电源的输出电压，根 据电源输出电压与设定值之差，输出p w m 波，直接控制电源的工作。 第一种方案仅仅是用单片机代替了原来开关电源的基准电压，单片机并没有加入电 源的反馈环，电源电路并没有什么改动，没有什么实际性的意义；第二种方案单片机可 以只是完成一些模拟给定，后面则由开关电源专用p w m 芯片完成一些工作，在这种方 案中，对单片机的要求不是很高，5 l 系列单片机已可胜任，从成本上考虑，5 l 系列单 片机和许多p w m 控制芯片的价格低廉，但是这种方案无法解决p w m 芯片容易受n 多 i - 界干扰工作不稳定的问题，显得单片机有些大材小用；第三种方案要求单片机运算速度 足够快，且能输出足够高频率的p w m 波，p i c 类单片机速度够快，而且价格也不是很 高，占电源总成本的比例不大，而且可以通过编程给单片机输入一些先进的算法来实现 电路的控制，有利于日后维护。 通过以上比较分析，本文所研究单片机开关电源选用单片机产生p w m 波形来控制 开关管的设计方案，解决了p w m 芯片容易受到外界干扰工作不稳定的问题。 1 4 本文主要内容 本单片机电源采用半桥电路组成主电路，以单片机和其外围i o 接口构成数字控制 一3 一 东北大学硕士学位论文第l 章绪论 电路，单片机对电网电压和系统的输出电压进行采样，将电网电压单纯用来显示，系统 的输出电压应用数字p i d 原理来处理，最终单片机输出p w m 波形，控制半桥电路，稳 定输出电压；通过试验证明，系统对输出电压的控制效果良好，电源输出电压稳定，系 统具有快速的动态响应性。开关电源系统框图如图1 2 所示： 图1 1 开关电源系统框图 f i g 1 1t h ef r a m eo fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l ys y s t e m 本论文主要是针对单片机开关电源来进行研究的，电源的性能指标如下： ( 1 ) 输入电压a c2 2 0 v 1 0 ； ( 2 ) 输出电压d c5 v ，绝缘耐压l k v ，输出电压波动l ，输出电流 5 a ； ( 3 ) 电网电压数字显示； ( 4 ) 输出电压数字显示； ( 5 ) 电源在室温环境下可2 4 小时连续工作。 针对上述性能指标，本文主要做了以下几个方面的工作： ( 1 ) 分析了各种拓扑结构的特点和存在的问题，并最终选择了半桥拓扑来完成本 次设计，分析了该结构的工作原理，并对电路进行了仿真，给出了仿真波形； l ( 2 ) 系统主电路的设计，其中包括驱动电路、缓冲电路及变压器和辅助电源的设 计； 1 ( 3 ) 系统控制电路的硬件及软件设计； ( 4 ) 系统的调试。 一4 一 作原理 路的结 发，分 后对主 图2 1b u c k 开关拓扑结构 f i g 2 1t h es t r u c t u r eo fb u c ks w i t c h i n gt o p o l o g y ( 1 ) b u c k 变换器的工作原理 最早的开关型调整器- - b u c k 调整器。其中开关器件g 作为单刀单掷开关与直流输 入电压吃串联。在开关周期t 内，q 1 的导通时间为。鸟导通时，k 点电压为吃。q 1 关断时，巧点电压迅速下降到零。若没有钳位二极管q 将其钳位于地，则k 点的电压会 降的很负而损坏q 。设二极管q 的压降为零，则k 点的电压波形为矩形波，。时段的 电压为吃，其余时段电压为零。该电压的直流值( 或称平均值) 为吃l r 。厶c o 滤波 器接于k 和r o 电压之间，它使输出点圪成为幅值等于吃乙丁的无尖峰无纹波的直流电 压。 采样电阻蜀和r 2 检测输出电压圪，并将其输入误差放大器e a 与参考电压进行 比较。被放大的误差电压圪被输入到脉宽调制器p w m 。 ( 2 ) b u c k 电路的特点 b u c k 电路最大的优点是损耗低、效率高。q 1 导通时( 设导通压降为零) ，加在厶上 一气一 东北大学硕士学位论文第2 章主电路的选择及其工作原理 的电压为( 吃一) 。由于电感上的电压恒定，所以流过电感上的电流线性上升，其斜率 为刃刀= ( 吃一) 厶，这使电感电流为有阶梯的斜坡，由于电感的电流不能突变，所 以q 1 关断是电感两端电压极性迅速颠倒以保持电感中电流厶不变。这种电压极性颠倒的 现象称为“电感反冲。为了保护q 所以接入q ，此时d l 导通将电感厶前段电压钳位 于比地低一个二极管导通压降( 约l v ) 。b u c k 电路的缺点在于其传输能量是靠开关管 后面的电感，而并非开关变压器，所以这种电路不具有隔离作用。 n 一一一一一一一一一一一 吃 形 一 k 。 o 矿 图2 2b u c k 开关拓扑的主要波形 f i g 2 2t h em a i nw a v e f o r m so fb u c ks w i t c h i n gt o p o l o g y 2 1 2b o o s t 开关拓扑 ( 1 ) b o o s t 开关拓扑的工作原理 当q l 在乙时段导通时，b 反偏，厶的电流在直流电压的影响下线性上升到 l = 吃么厶，在这期间电感储存的能量为： e ：三厶2 (21)2 p i、， 一6 一 厶 如 丘易 ， 东北大学硕士学位论文第2 章主电路的选择及其工作原理 图2 3b o o s t 开关拓扑的结构 f i g 2 3t h es t r u c t u r eo fb o o s ts w i t c h i n gt o p o l o g y 由于在q 导通的时间段内，输出电流完全有c o 提供，所以c o 应该足够大，以使在乙时 间段向负载供电时其电压将能满足要求。g 关断时，由于电感电流不能突变，厶的电压 极性颠倒，其异名端电压相对同名端为正。而厶同名端的e g e , 始终为吃，且厶经q 向c o 充电，使c o 两端的电压高于吃，我们管这种电压叫做泵升电压。此时电感的储能一部 分给负载，另一部分补充c o 损失的电荷。另外在q 关断的时候吃也向负载提供一部分 电荷。 ( 2 ) b o o s t 开关拓扑的特点 若q 下次导通之前，经过q 的电流已经下降到零，则上次g 导通时储存在厶中的 能量已经释放完毕，电路工作于不连续模式。若电流厶的电流在关断时间结束时还没有 下降到零，则由于电感电流不能突变，q l 再次导通时电流的上升会有一个阶梯。g 和日 上的电流将呈现典型的阶梯斜坡形状，此时电路工作于连续模式。能使不连续模式下反 馈环稳定工作的误差放大器，不能使连续模式下的反馈环稳定，并会产生振荡。 从控制原理角度分析这是因为连续模式的b o o s t 电路存在右半平面零点。稳定有有 半平面零点的反馈环的惟一办法是大幅减小误差放大器的带宽。b o o s t 调整器通常用于 低功率场合一般小于1 0 w ，一般用在印制电路板上将5 v 升压至1 2 v 或者1 5 v ，给运放 供电。从结构图2 3 中我们可以看出b o o s t 拓扑结构类似于b u c k 结构，其能量的传递主 要依靠电感，所以不具有隔离性。 一7 一 东北大学硕士学位论文 第2 章主电路的选择及其工作原理 。 一。一。一 j 图2 4b o o s t 开关拓扑的主要波形 f i g 2 4t h e m a i nw a v e f o r m so fb o o s ts w i t c h i n gt o p o l o g y 圪 吃 0 1 1 圪。 i p q l 电流 l p q 电流 2 1 3 推挽拓扑 ( 1 ) 推挽拓扑的工作原理 推挽拓扑如下图所示它主要有带有多个次级绕组的变压器t 构成，其中每个次级绕 组提供相位差为1 8 0 的方波脉冲，脉冲的幅值有次级绕组的匝数决定，而且次级绕组的 脉冲宽度有相同，均由负反馈控制电路决定。两个开关管q 和q 2 在直流电压控制的脉 宽调制器的控制下，互差1 8 0 。进行轮流导通，当q 导通时，电流从。的异名端流入并 从其同名端流出经过q 入地，反映到变压器二次侧，使m 和卅的异名端为高电平，由 于二极管d 2 、q 、d 6 的反向截止性，所以只从q 、b 、d 5 输出脉冲电流，q l 导通结 束后，经过一定的死区时间q 2 导通，此时的现象与q 导通时的类似但是相反，在此不 赘述。最后主输出电压圪经过采样和反馈电路的处理，来控制q l 和q 的导通角度，从 而使输出稳定。 导通阶段，开关管的基极驱动必须足够大，以使在整个电流范围内开关管都工作在 饱和区，从而使其压降为其饱和导通压降约为l v ，因此任一个开关管导通时都能给初 级半绕组提供幅值为吃- 1 的方波电压。另外考虑到输出整流二极管的正向压降圪，整 流二极管阴极输出的是一个导通时间为乙，幅值为( 一1 ) ( m 口) 一圪的平项方波。 一r 一 东北大学硕士学位论文第2 章主电路的选择及其工作原理 孓n s 2 刀 = f lc 3 = n p ，。； n 。：d 5 u j 刀 一 u 4 u x 一一、 、 1 ( v s l ) m 1 门 c 2 = 三0 r 2 。呈 1d 3 u i d 2 刀一广电 k i l 一 lir 4 山 l 刀 = 申刚r 5 【n mc l = q i h 。d 1 u 肾芦l 刀i 二 i l i r 磊嚣茹磁 “ ： 、 、型 图2 5 推挽拓扑的结构 f i g 2 5t h es t r u c t u r eo fp u s h p u l lt o p o l o g y 若整流二极管为肖特基二极管，那么圪可为0 5 v 。因为每1 8 0 。就会有一个时长为乙 的方波从整流二极管的阴极输出，所以整流二极管输出脉冲的占空比为e l t 。所以我 们可以得到输出圪的直流或平均电压为 匕= ( v d c - - 1 ) - 麓- p o 5 j 争 亿2 a ， 同样我们可以得到两个从输出的电压为 肾卜，护5 孕 肾卜，争5 争 ( 2 2 b ) ，。 ( 2 2 c ) ( 2 ) 推挽拓扑存在的问题 推挽拓扑中的磁通不平衡是其实际应用中的主要问题所在。在实际应用中推挽拓扑 的输出功率大幅增加时，会出现功率管无缘无故损坏的情况，后来原因被找到，那就是 推挽的磁通不平衡问题。如下图所示，当g 导通时，。的异名端为正，磁芯沿磁滞回 线上升，即从尽向易移动。其上升的实际值与川两端电压和q 导通时间的乘积成比例。 当q l 关断q 导通时，。：的同名端为正，磁芯沿磁滞回线从最往局下降，其下降的实 际值与p ：两端电压和q 的导通时间成比例。如果g 导通时n 。施加的伏秒数与q 导通 时。：施加的伏秒数相等，则一个周期后，磁芯会从且上升至及，正好又返回到蜀。但 只要伏秒数稍有不等，磁芯就不能回到起点，并且若干周期后，磁芯将偏离磁滞回线， 一9 一 东北大学硕士学位论文 第2 章主电路的选择及其工作原理 进入饱和区。 关频率 d 2 的阴极 ，见的阴极 图2 6 推挽拓扑的主要波形 f i g 2 6t h em a i nw a v e f o r m so fp u s h p u l lt o p o l o g y 饱和区的磁芯不能承受电压，当相应的开关管再次导通时，开关管将承受很大的电 压和电流，导致开关管损坏。 f l | ：厂 上 j j 图2 7 推挽拓扑的磁滞回线 f i g 2 7t h eh y s t e r e s i sl o o po fp u s h - p u l lt o p o l o g y 2 1 4 正激变换器拓扑 在最大直流输入电压为6 0 2 0 0 v ，输出功率为1 5 0 - 2 0 0 w 的场合，正激变换器可能 是最广泛应用的拓扑。正激变换拓扑如图2 8 所示，这种拓扑是由推挽拓扑派生出来的， 且没有推挽的磁通不平衡问题。因为它只有一个开关管，同推挽电路相比，正激变换器 一1 0 一 、 ， 东北大学硕士学位论文第2 章主电路的选择及其工作原理 更加经济且体积较小。在正激变换器中，当q l 导通时，初级绕组。及所有次级绕组的 同名端相对与异名端为正。电流及能量流入n p 的同名端。所有整流二极管砬d 4 正向 偏置，电流和能量从所有次级绕组的同名端流出到l c 滤波器和负载。注意，能量是在 开关管q 导通时流入负载的，因此称为正激变换器。推挽即b u c k 调整器都是在开关管 导通时传递能量到负载的，所以也属于正激类型。相反，b o o s t 调整器在开关管导通时 将能量储存于电感或者变压器初级，然后在开关管关断时将能量传递给负载，属于反激 类型。从正激变换器拓扑的电路图可以看出，如果设q 导通压降为l v ，整流管正向压 降为：，则整流二极管d 2 阴极的电压为 厂 圪= ( 吃一1 ) 争卜2 ( 2 3 ) 。，l j 一 ? 宁f 一【 n r f “ 2 j ； 5 d 3 l 一 1 2 一 j ! _ j 刀 d 6 c 2 = = 妒 车“ j l _ j n 口j ”j。2 u ：虬。ir 4 ， 刀 。 一a 卡f 中 i 陈q l车“ 】 i 瑚 f - v 磊蒹妄焉蓊掣f 监稚 、u 图2 8 正激变换器拓扑的结构 f i g 2 8t h es t r u c t u r eo ff o r w a r dc o n v e r t e rt o p o l o g y q l 关断时，励磁电感电流是n p 的电压反向，且其异名端电压( 2 吃) 持续时间足 以是磁芯回到其磁滞回线的起始位置，下一个周期就可以安全启动。专业术语中这种情 况被成为复位伏秒数与置位伏秒数相等。q l 关断后，所有的次级绕组的同名端相对于异 名端变负。所有的输出电感( 厶厶) 中的电流下降。由于电感反冲作用，电感的前段被 ( d 2 皿) 钳位于地。经过推算我们可以得出直流输出电压为 z - - - 肛叫一n r a 一巧净 ( 2 4 ) 从式( 2 4 ) 可以看出，当吃改变时，反馈环通过保持吃乙。恒定来保持输出恒定。因此 东北大学硕士学位论文 第2