（物理电子学专业论文）acdc开关电源控制器的设计与应用.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 随着科学技术的发展，人们的生活越来越离不开电子产品，特别是便携式 产品更是越来越受到人们的青睐，手机、手提电脑、数码照相机等电子设备随 处可见，而这些电子设备都离不开电源，因此一个性能优良的电源可以充分发 挥电子设备的功能。 当前设计a c d c 开关电源管理器技术已经比较成熟，需要攻克的难题是提 高电源工作效率和提高电源输出精度。目前a c d c 开关电源采用p w m 和p f m 技术，这种方式使得变换器发出的每一个能量驱动脉冲都要进行调整，以使输 出电压不偏离额定值。本文在以有的a c d c 开关电源控制技术基础上，采用数 字技术，在每一个周期内，数字脉冲序列抽样一个二进制误差信号，决定是否 驱动开关管导通，从而实现输出电压稳压的功能，解决a c d c 开关电源中存在 的难题。本文提出采用初级反馈技术控制，具有显著特点，解决开关电源成本 高的问题，同时其结构灵活，易于维护，通用性强。 本文的主要工作可归结如下： 1 、根据开关电源管理器控制模式的比较，提出了峰值电流模式控制p w m 技术。 重点研究多种模式的转换，在此基础上引入p s m 模式调节，通过对控制器功能 的需求分析，结合控制器的结构框图和峰值电流模式控制p w m 技术的特点，设 计出了控制器的整体方案框图。 2 、在m a t l a b 仿真环境下，研究控制器整个系统的软件架构，并重点设计软启动 模块、峰值电流的采集模块、模式转换模块和电路保护模块。通过研究控制器 系统，得到控制器的小信号模型，设计了控制级的传输函数，使系统得到补偿。 3 、研究控制器的外围应用电路，重点设计高频变压器，进行参数的设计，系统 的调试，对系统进行完善。 4 、针对在模块测试和系统测试中遇到的问题，提出一些合理的解决方案，使系 统的性能更加优化，得到稳定的系统运行。 通过仿真和测试结果表明，本文设计实现的开关电源控制系统达到预期设 计的功能要求，应用电路功能稳定。同时由于本系统采用的多模式转换，使得 系统的性能更加稳定。在本论文的研究基础上，还可以实现功率、效率、模块 升级等功能。 关键词：变换器，p w m 控制，c v 模式，c c 模式，m a t l a b 仿真 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h es c i e n t i f i ca n dt e c h n o l o g i c a ld e v e l o p m e n t ，m o r ea n dm o r ep e o p l ea r e i n s e p a r a b l ef r o me l e c t r o n i cp r o d u c t s ，e s p e c i a l l yp o r t a b l ep r o d u c t sa r em o r ea n dm o r e p o p u l a rf o ra l lp e o p l e ，f o re x a m p l ec e l lp h o n e s ，l a p t o p s ，d i g i t a lc a m e r a sa n ds oo n t h e yc a nb es e e ne v e r y w h e r e b u tt h e s ee l e c t r o n i cd e v i c e sn e e dp o w e rs u p p l ys oa g o o dp e r f o r m a n c eo ft h ep o w e rs u p p l yc a n m a k ee l e c t r o n i cd e v i c e sw o r kv e r yw e l l t h ec u r r e n td e s i g no fa c - d cs w i t c h i n gp o w e rm a n a g e rt e c h n o l o g yi s r e l a t i v e l ym a t u r e ，i tn e e dt oo v e r c o m et h ec h a l l e n g e st oi m p r o v et h ep o w e re f f i c i e n c y a n di m p r o v eo u t p u ta c c u r a c ya tp r e s e n la c d cs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yw i t hp w m a n dp f m t e c h n i q u e sw h i c hm a yc a u s et h ec o n v e r t e rt oi s s u ed r i v e rf o re a c he n e r g y p u l s e ，i tm u s tb ea d j u s t e ds ot h a tt h eo u t p u tv o l t a g ed o e sn o td e v i a t ef r o mt h er a t e i n t h i sp a p e r , a c d cs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yc o n t r o lt e c h n o l o g yb a s e do nd i g i t a l t e c h n o l o g y , i ne a c hc y c l e i td e c i d e dw h e t h e rt od r i v es w i t c hc o n t r o ll e a dp a s si no r d e r t oa c h i e v eo u t p u tv o l t a g er e g u l a t i o nf u n c t i o nt os o l v et h ee x i s t i n gp r o b l e m s i nt h i s p a p e r , u s i n gp r i m a r yf e e d b a c kc o n t r o l ，w i t hs i g n i f i c a n tf e a t u r e st os o l v et h ep r o b l e m o fh i 曲c o s to fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y , f l e x i b l es t r u c t u r e ，m a i n t e n a n c ea n dh i 曲 u n i v e r s a l i t y t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e rc a l lb es u m m a r i z e da sf o l l o w s ： i a c c o r d i n gt os w i t c hc o n t r o lm o d eo fp o w e rm a n a g e m e n td e v i c e s ，p u tf o r w a r dp e a k c u r r e n tm o d ec o n t r o lp w m t e c h n i q u e f o c u s e so nm u l t i - m o d ec o n v e r s i o n , i nt h i s m o d eo fr e g u l a t i o nb a s e do nt h ei n t r o d u c t i o no fp s m ，t h ec o n t r o l l e rf u n c t i o n s t h r o u g hn e e d sa n a l y s i s ，c o m b i n e dw i t ht h ec o n t r o l l e rb l o c kd i a g r a ma n dp e a kc u r r e n t m o d ec o n t r o lp w m t e c h n o l o g y , d e s i g n st h eo v e r a l lp r o g r a mo f t h ec o n t r o l l e rd i a g r a m 2 i nt h em a t l a bs i m u l a t i o ne n v i r o n m e n tt os t u d yt h ec o n t r o lo ft h es y s t e ms o f t w a r e a r c h i t e c t u r ea n dk e yd e s i g ns o f t - s t a r tm o d u l e ，t h ep e a kc u r r e n to ft h ea c q u i s i t i o n m o d u l e ，m o d e lc o n v e r s i o nm o d u l ea n dc i r c u i tp r o t e c t i o nm o d u l e b ys t u d y i n gt h e c o n t r o ls y s t e ma r es m a l l - s i g n a lm o d e lo ft h ec o n t r o l l e rd e s i g n e dt oc o n t r o lt h el e v e l o f t h et r a n s f e rf u n c t i o na n dt h es y s t e mc o m p e n s a t i o n i i 武汉理工大学硕士学位论文 3 t h ee x t e r n a la p p l i c a t i o no ft h ec o n t r o l l e rc i r c u i t ，f o c u s i n go i lh i g hf r e q u e n c y t r a n s f o r m e rd e s i g n , t h ed e s i g np a r a m e t e r sa n ds y s t e md e b u g g i n g ，t h es y s t e mi s p e r f e c t 4 f o rt h em o d u l et e s t i n ga n ds y s t e mt e s t i n gp r o b l e m se n c o u n t e r e d ，s o m er e a s o n a b l e s o l u t i o nt oam o r eo p t i m i z e ds y s t e mp e r f o r m a n c ea n ds y s t e ms t a b l eo p e r a t i o n t h es i m u l a t i o na n dt e s tr e s u l t ss h o wt h a tt h ed e s i g no fs w i t c h i n gp o w e rs u p p l y c o n t r o ls y s t e mt oa c h i e v et h ed e s i r e dd e s i g no ft h ef u n c t i o n a lr e q u i r e m e n t s ，t h e a p p l i c a t i o n c i r c u i tf u n c t i o na n ds t a b i l i t y a tt h es a m et i m e ，t h es y s t e mu s e s m u l t i m o d ec o n v e r s i o nt om a k et h es y s t e mm o r es t a b l ep e r f o r m a n c e i nt h i sp a p e r , i t c a na l s oa c h i e v ep o w e r , e f f i c i e n c ya n du p g r a d et h em o d u l ef u n c t i o n s k e y w o r d s ：c o n v e r t e r , p w mc o n t r o l ，c vm o d e ，c cm o d e ，m a t l a bs 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 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：日期： 关于论文使用授权的说明 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、送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 酶年翩虢牲 武汉理工大学硕士学位论文 第1 章绪论 开关电源控制器可以分为以下四类：a c a c 、d c d c 、a c d c 、d c a c 。 本课题是设计一款a c d c 开关电源控制器u 1 。 与传统设计开关电源控制器不同，在本课题的设计中，主要有以下四个关 键技术。第一，与传统设计开关电源控制器采用次级反馈不同，本课题采用的 是初级反馈，这种反馈方式可以减少元器件的数量，减轻重量，减少体积，因 而节约成本。第二，传统设计一般采用模拟技术，本课题控制器部分采用的是 数字技术，这样做的原因是可以提高输出电压的精度，提高系统的稳定性，使 得动态响应得到提高。第三，在传统设计方案中，一般将保护电路设置在硬件 部分，但是在本课题设计中将部分保护电路直接在控制器中写入程序进行控制， 最大限度的减小体积，节约成本。第四，传统的a c d c 开关电源管理器的工作 效率一般是低于5 0 ，而本课题设计的a c - d c 开关电源管理器的效率可以达到 6 5 7 5 ，使得功耗低，是一种绿色环保的新型开关电源。 i i 课题研究意义 随着便携式产品越来越多的进入人们的生活，用户对电源的要求也就越来 越高。因此，为了更好的满足消费者的需求，系统设计师们在设计电源控制器 时，需要考虑工作效率等问题。同时，客户希望电源设计师可以提供功能强大、 省电、高效的电源管理器【2 】。 理论分析和实践证明，电子产品的体积和重量与频率的平方根成反比。因此， 随着电子器件的不断发展，尤其是开关管制造技术的不断发展，开关电源的体 积和重量将不断减小。但是在体积减少的同时，会发现将引入更多的电磁污染1 3 j 。 为了减少开关电源的电磁污染，需要将各种新的技术进行融合。在控制部分， 需要引入软启动技术、多种工作模式等。在硬件上，主要是采用无感电容、无 感电阻等元器件。 为了提高开关电源稳定性，可以通过一系列的保护电路来实现。因此，一般 需要集成保护电路，如过压保护、欠压保护、过流保护电路等，使系统可以在 输入电压范围比较大，应用领域比较广泛的条件下，稳定安全工作【4 】。 武汉理工大学硕士学位论文 1 2 开关电源的特点 开关电源产品的优点是：重量轻、体积小、效率高等，因此在很多领域有广 泛的应用，开关电源产品的技术发展趋势正朝着高可靠、高稳定、低噪声、模 块化和抗干扰等方面发展【9 】。可以预测到，开关电源的发展方向是： ( 1 ) 小型化、轻便化 由于元器件的发展，开关电源的频率越来越高，使得电容值和电感值逐渐减 小，因此开关电源的体积变得越来越小，重量变得越来越轻。 ( 2 ) 高频化 高频化是减少开关电源体积、减轻重量的重要途径。高频化可以使开关电源 的动态品质得到很好的改善。 ( 3 ) 高效率、低噪声 效率是衡量开关电源好坏的一个重要标志。但是高效率和低噪声是相互矛盾 的。当开关管的频率较高时，开关管的功耗就加大，使得效率降低，噪声提高， 起到既高效率又高频率的效果。因此，在设计开关电源时，在效率和噪声之间 要做个适当的折中，不能盲目的一味追求高效率或是一味追求低噪声，或是在 提高效率的情况下，寻找一些新的方法来降低噪声【5 】。 ( 4 ) 高可靠性和稳定性 开关电源的可靠性和稳定性对电源而言十分重要，由于开关电源的元器件 很多，使得开关电源的可靠性下降。同时，由于光耦合器和电解电容等器件决 定了开关电源的寿命长短。因此在设计开关电源时，要寻找出延长电源使用寿 命和提高可靠性、稳定性的方法。目前已经研制出通过减少器件的电应力、降 低温度、降低电流等方法，来提高开关电源系列产品的可靠性和稳定性【6 】。 ( 5 ) 电源管理系统的模块化 在电源管理系统中，一般是应用微处理器进行管理。在开关电源中，一般都 内置过压保护电路、过流保护电流、短路保护电路、开路保护电路等，可以实 现微处理单元智能控制，确保开关电源正常运行【7 】。 模块化是为了适应电源供电系统的要求，具有节能、高效、经济、维护方便 等优点，同时也适用于低损耗、高速集成电路低电压电源供电的要求。 ( 6 ) 数字化 开关电源数字化是开关电源的一个重要的发展趋势，过去的电源是通过模 2 武汉理工大学硕士学位论文 拟信号实现的，随着数字化技术的高速发展，可以采用数字技术，来实现脉宽 调制( p w m ) 和脉冲频率调制( p f m ) 等数字化调制方法瞵j 。 ( 7 ) 功能全、更新快、产品种类多 由于开关电源输入电压是通用的，都是市电，所以适用于很多场合。但是 由于输出电压、输出电流、输出功率等的不同，导致开关电源的种类繁多，随 着科学技术的发展，开关电源的功能越来越全面，更新换代的速度也越来越快【9 】。 总而言之，在便携式产品高速发展的如今，设计师们希望能够设计出体积 小、重量轻、效率高的开关电源来满足广大的消费者。 1 3 本文的主要内容和组织结构 1 3 1 论文内容概述 本课题设计一款高性能a c d c 开关电源管理器，采用峰值电流模式控制 p w m 技术。该开关电源采用多种模式( p w m 和p f m ) 调节，提高工作效率； 采用初级反馈技术，有较好的线性特性和负载调节特性；设置内置保护电路( 过 压保护、欠压保护、过流保护、软启动保护等) ，可以减少外部器件的数量，减 少体积、减轻重量；采用数字技术，使得环路响应速度比传统的环路响应速度 要快很多，从而提高动态负载响应。本课题设计的开关电源输入电压范围较大 ( 8 5 2 6 5 v ) ，输出为5 v ，输出纹波较小，限制在2 内波动，输出稳定性好。 本文详细分析开关电源控制器的内部功能框图和工作原理；详细阐述控制 器的工作模式和控制原理，主要包括tj u d g e 模块、s s ( s o f ts t a r t ) 模块设计、 c c ( c o n s t a n tc u r r e n t ) 模块、c v ( c o n s t a n tv o l t a g e ) 模块、s d ( s h u td o w n ) 模 块、t f b 模块和o u t p u t 模块。在控制器的工作模式中，由于控制器采用的是 多模式调制，主要包括：c c 模式和c v 模式，在c v 模式中包括：p w m 模式 和p f m 模式。在理论设计的基础上，通过m a t l a b 仿真软件，对输入整流滤波电 路、高频变压器建模，详细分析变压器的设计方案，最后对电路整体进行仿真， 分析仿真结果。 1 3 2 论文结构 论文共分为六个章节，结构安排如下t 武汉理工大学硕士学位论文 第一章绪论：首先提出研究本课题的意义和目的，简述高频开关电源的特 点，最后提出本课题的主要内容和论文结构。 第二章a c d c 开关电源控制器的系统设计：详细分析a c d c 开关电源控 制器的内部功能框图和工作原理。 第三章a c d c 开关电源控制器的设计：详细介绍控制器的工作模式和控制 原理，主要包括：j u d g e 模块、启动模块、c c 模块、c v 模块、s d 模块、t f b 模块和c h o o s ev i p k 模块。在控制器的工作模式中，由于该控制器采用的是 多模式调制，主要分为c c 模式和c v 模式，在c v 模式中有可以分为p w m 模 式、p f m 模式和p s m 模式。最后给出a c d c 开关电源控制器的流程图，并详 细阐述该流程图的意义及各个模块之间的关系。 第四章a c d c 开关电源控制器建模和仿真：本章主要分为输入整流滤波电 路建模、高频变压器建模和变压器的设计流程，最后给出开关电源的应用图， 得到整体电路的仿真结果并分析仿真结果，达到预期目标。 第五章总结和展望：本章总结和回顾了论文的主要工作，并对开关电源应 用前景和今后研究工作方向进行了展望。 1 4 本章小结 本章主要介绍本课题的研究目的和意义、开关电源的优缺点，并给出本课 题的主要内容和论文框架结构。 4 武汉理工大学硕士学位论文 第2 章a c d c 开关电源控制器的系统设计 2 1a c d c 开关电源控制器的系统框图设计 传统开关电源利用电容元件和电感元件存储能量，当功率管导通关断时， 电压有较大波动，直流电流断续的通过功率管，以磁场能的形式存储在电感元 件中，通过电容滤波得到连续的能量，并给负载供电，得到电压波动较小的直 流电，实现电压转换【1 0 】。 市电( 2 2 0 v ) 进入电源，经过整流电路、滤波电路转化为直流电，通过开 关电路、高频变压器转化为高频电压，再经过整流电路和滤波电路，最后输出 低电压直流电。在输出端一般会有反馈电路来控制占空比的大小，使输出电压 稳定【l l 】。 对于a c d c 开关电源，输入交流电网电压2 2 0 v ，输出为稳定的直流电压。在 一般情况下，a c d c 开关电源必须具有整流滤波电路。图2 - 1 为a c - d c 变换器原理 图。 图2 - 1a c - d c 变换器原理图n 2 1 a c d c 开关电源系统主要由三部分组成：主电路、控制电路、检测和保护电 路 b 】。主电路主要包括：输入电源、开关管、整流管、电感、电容和负载等； 控制电路主要负责控制开关管的导通或截止，这种控制方法的设置，主要是实 时调节输出电压大小，得到稳定的输出电压，同时也可控制电路的工作状态， 使得主电路从输入电源处得到的能量和供给负载的能量维持平衡，即输入电压 5 武汉理工大学硕士学位论文 变化时，输出电压恒定；控制电路一般包括：输出端取样电路、反馈电路、p w i v l 调制器；检测电路一般包括：过流检测、过压检测、欠压检测等；保护电路一 般包括：过流保护电路、过压保护电路、欠压保护电路、软启动保护等多种类 型【1 4 1 。 本课题在设计a c - d c 开关电源管理器中，与传统的设计方法不同。传统的 设计主要采用次级反馈，电源管理器体积大、重量比较重，导致电源管理器的 成本比较高。本课题设计的a c - d c 开关电源管理器采用初级反馈，使体积变小， 重量变轻，节约成本，同时初级反馈的设计方法具有良好的线性特性和负载调 节特性。 从图2 - 1 可知，传统的a c - d c 开关电源管理器中，主要采用的是模拟技术， 输出电压的纹波较大，输出电压精度不高，影响到系统的稳定性。在本课题的 系统设计中，采用数字技术和模拟技术相结合的方法，提高输出电压的精度， 使系统的稳定性有较大的改善。在本课题的控制部分采用的是数字技术，可以 实时分析每一个脉冲波形，这种方式的环路响应速度比传统的环路响应速度快， 动态负载响应和输出调节能力得到提高。需要指出的是，本课题的开关频率为 4 0 k h z ，即每个周期为2 5 u s ，在控制器的处理中，将每个周期分为1 0 0 0 个点， 提高输出电压的精度，减少纹波的大小，每个点的周期为2 5 n s 。 与传统方法类似的是，在本课题设计中，考虑到节约成本和提高系统安全 性，采用了内置保护电路，即在a c d c 开关电源管理器中，通过写入程序，控 制输入和输出的电压和电流，起到保护作用，提高工作效率。同时最大限度地 减少外部元器件的数量，减少体积、减轻重量，节约成本。本课题设计的a c - d c 开关电源管理器的效率达到6 5 8 0 ，使得功耗低，是一种绿色环保的新型开关 电源。 考虑需要实时的控制电压和电流的输出，在a c d c 开关电源管理器系统设计 过程中，定义v s e n s e 端口感应输出电压情况，i s e n s e 端口感应输出电流情况。 同时，考虑a c - d c 开关电源管理器的系统设计与变压器息息相关，需要考虑变压 器设计，变压器的设计将在第四章展开详细分析。当输入电压范围很大时，内 置保护电路可限制功率，优化变压器的设计。考虑启动时，输出的电压不会马 上达到设计值，这段时间内原边的电流会到达最大值，导致开关管关断时的漏 极电压很高，这个电压与原边电流的平方及变压器的漏感成正比，所以在启动 时需要加入软启动，限制软启动时的电流大小。因此定义v i n 端口感应输入端电 6 武汉理工大学硕士学位论文 压，控制软启动。 在设计的过程中，选取的是多种模式工作，而不是单一模式的工作方式，尽 可能提高工作效率。本课题的设计主要采用的是恒流调制( c c ) 模式和恒压调 制( c v ) 模式。传统的设计方法主要是在恒压调制( c v ) 模式下，采用脉冲宽 度调制( p w m ) 方式。为减少功耗，在恒压调制( c v ) 模式下，采用脉冲宽度调 制( p 1 j m ) 、脉冲频率调制( p f m ) 和脉冲跨周期调制( p s h ) 方式三种方式。 从以上分析可知，v i n 、v s e n s e 和i s e n s e - - 个信号为输入信号，o u t p u t 为输 出信号。v i n 是感应输入端的电压，控制软启动；v s e n s e 主要是从辅助线圈处感 应电压，主要是实时调节输出电压；i s e n s e 是从初级线圈处感应电流，主要在每 个周期内采集峰值电流，同时起到限流作用。o u t p u t 为输出信号，将v s e n s e 、 i s e n s e 和v i n 信号经过程序控制处理，得到输出信号o u t p u t ，驱动m o s f e t 管导通 或截止。 现分析a c - d c 开关电源控制器的内部结构。在本课题的设计过程中，输入信 号为v i n 、v s e n s e 和i s e n s e ，包括三个方面设计内部结构。同时考虑到本课题采 用数字技术提高输出电压精度，提高系统的稳定性，需要一个控制器模块来控 制输入或是输出，实时调节输入或是输出情况，得到稳定的输出电压。 考虑至l j v i n 信号是控制软启动，在v i n 处接启动模块，将软启动后信号送入 控制器中，但是需要注意，软启动后的信号是一个模拟信号，因此需要模数转 换器将模拟信号变成数字信号，送入控制器中处理。 考虑至u v s e n s e 信号是辅助线圈处感应的电压，要从三个方面去考虑感应的 电压情况，一是将采集电压与比较器比较，所得信号输入到控制器中；二是要 考虑反馈电压，将反馈后的电压送入到控制器中；三是在控制器中，要内置欠 压和过压保护来实时控制输出电压。 由于启动的时候输出的电压不会马上达到设计值，这段时间内原边的电流 会到达最大值，导致开关管关断时的漏极电压很高，这个电压与原边电流的平 方及变压器的漏感成正比，所以在启动时加入软启动，限制软启动时的电流大 小。由此可知v i n 和i s e n s e 是有一定的关系的，将v i n 信号输入到控制器处理所 得信号经过数模转换后与i s e n s e 进行比较，再送入到控制器中。值得注意的是， 此时i s e n s e 所指为峰值电流i p e a k 电压值。同时由于i s e n s e 主要控制输出电流， 可通过i s e n s e 限流，起到过流保护的作用。 o u t p u t 是经过控制器处理后得到的信号，即为p u l s e ，驱动开关管导通或截 7 武汉理工大学硕士学位论文 止。当p u l s e = l 时，开关管导通：反之截止。 根据以上分析，可得本课题设计的a c - d c 开关电源控制器的系统功能框图， 如图2 - 2 所示。 图2 - 2a c - d c 开关电源控制器的系统功能框图 2 2a c d c 开关电源控制器的工作原理 该控制器主要是针对小功率的电源管理器所设计。图2 2 为a c d c 开关电源 控制器的内部功能框图，电流由v i n 端口流入，流经二极管经过软启动模块判断 处理，得到信号v i n s w ，v i n s w 信号判断开关管导通截止。开关管下接电阻，起 到分压作用，分压得到的电压v i n _ a ，经模数转换器，变为数字信号供给控制器 处理。 v s e n s e 是从辅助线圈处感应得到的电压，主要作用：一是将感应得到的电 压v s e n s e 经过调制得到电压v v m s ，将采集得到的电压v v m s 与比较器比较，所得 信号输入到控制器中。值得注意v v m s 是指电池本身所存储的电压，当电池存储 的值大于v v m s 时，该电池可充电，否则该电池已损坏，不能充电。二是考虑反 馈电压，将反馈后电压送入控制器中。在a c - d c 开关电源控制器的设计中，v s e n s e 端口处，没有设定比较值来防止过压或欠压情况，这是因为在控制器中，将分 出s h u td o w n ( s d ) 模块，通过程序防止过压欠压，减少外部器件的数量，减 轻重量，减少体积，将过压保护和欠压保护内置到控制器中。 武汉理t 大学硕士学位论文 i s e n s e 是感应所得电流，从图2 2 可以看到，i s e n s e 和峰值电流v i p k 比较后 供给控制器处理。值得注意，v i p k 的大小是由v i n 计算得到的，是一个实时变化 的值，其范围为0 2 o 9 v ，可得稳定输出电压。同时，i s e n s e 端口处的电压还 与一个固定的电压1 0 v 比较，得n v o c p 送入控制器中处理，起到过流保护的作 用。 将v i n 、v s e n s e 和i s e n s e 处理后电压，送入控制器处理，得到信号p u l s e 来 驱动m o s f e t 导通截止。当o u t p u t 输出的信号p u l s e = l 时，开关管导通，反之截 止，起到实时调节输出电压的作用，使输出电压稳定。 在下一章，将重点分析控制部分工作原理和控制方案，详细分析本课题设 计的a c d c 开关电源控制部分设计方法，最后得到开关电源控制部分设计流程 图。 2 3 本章小结 本章首先分析本课题所设计a c - d c 开关电源控制器与传统的电源控制器的 不同，提出本课题采用关键技术为：初级反馈技术、数字技术、软启动技术和 峰值电流技术。在设计的过程中，选取多种模式工作，尽可能提高工作效率。 其次，通过v i n 、v s e n s e 和i s e n s e - - 个信号之间的控制关系，可得a c d c 开关电 源管理器的内部功能框图，最后详细分析a c d c 开关电源管理器的内部工作原 理。 9 武汉理工大学硕士学位论文 第3 章a c d c 开关电源控制器的设计 通过第2 章的a c - d c 开关电源控制器的内部功能框图，可将本课题设计的 a c d c 开关电源管理器的控制器内部主要分为三个部分，即为：软启动模块、 v s e n s e 模块和i s e n s e 模块。 3 1 控制器的整体方案 在设计过程中，需考虑各个模块之间的关系，在控制器内部加入j u d g e 模 块，控制各个模块之间的工作。根据图2 - 2 可知，在电源管理器中，除了控制 器外，还有模数转换器、数模转换器和比较器，考虑本课题在m a tl a b 下仿真， 在元件库中没有模数转换器和数模转换器，采用在控制器中嵌入模块，写入程 序，采集信号，则在控制器中加入c h o o s e v i p k 模块，采集v i p k 与i s e n s e 峰 值电流的电压比较，将比较后的结果反馈到控制器中处理。同时，为保护控制 器，节约成本，可将部分保护电路内置到控制器中，采用在控制器中嵌入模块， 写入程序，保护控制器，则在控制器中加入s d 0 ( s h u td o w n ) 模块。值得注意 的是，此时v s e n s e 的导通时间t f b 与v i p k 有关，将在3 4 节详细展开分析， 则在控制器中加入t f b 模块。为较好管理控制器，可将输出结果归于一个模块， 即o u t p u t 模块。 根据以上分析，可知该控制器主要包括：j u d g e 模块、s d ( s h u td o w n ) 模 块、t f b 模块、s s ( s o f ts t a r t ) 模块、c v ( c o n s t a n tv o l t a g e ) 模块、c c ( c o n s t a n t c u r r e n t ) 模块、c h o o s ey i p k 模块和o u t p u t 模块，因此可得该控制器的内部框图， 如图3 1 所示。下面分析各个模块的功能及相互关系，并详细分析工作模式和控 制原理，最后得到该控制器的流程图。 1 0 武汉理工大学硕士学位论文 图3 1开关电源控制器的内部框图 3 2j u d g e 模块设计 在控制器中，将j u d g e 模块分离出来，主要判断是进入s s 模块、c c 模块 或是c v 模块。在设计过程中，主要通过设置标志位和计数来实现对各个模块控 制。通过以上分析可得j u d g e 模块流程图如图3 2 所示。 图3 2j u d g e 模块的流程图 武汉理工大学硕士学位论文 3 3s s ( s o f ts t a r t ) 模块设计 结合图2 2 可知，当交流电接通后，v i n 流经二极管，当v i n s w 值大于阈 值电压时，则开关管导通，控制器就进入软启动( s s 模块) ；反之，开关管截止， 直到v ms w 的值大予阈值电压时，控制器才进入软启动( s s 模块) 。 考虑由于启动的时候输出的电压不会马上达到设计值，这段时间内原边的 电流会到达最大值，导致开关管关断时的漏极电压很高，这个电压与原边电流 的平方及变压器的漏感成正比，所以在启动时加入软启动，限制软启动时的电 流大小。 1 ： 卜一 li ii ii v l n 洲一一盟p 丽厂一 一h 2 0 0 p s 图3 3 软启动序列图 该控制器内置软启动功能，时间设置为3 m s 。当v i n 信号的电压值达到阈值 电压，开关管就导通，但是需限制每个时间段最大百分比。在3 m s 软启动时间 内，i p k l i m i t 被分成三个阶段逐渐放开，即：第一毫秒限制为2 5 ，第二毫秒限 制为5 0 ，第三毫秒限制为7 5 。当v c c 电压值低于v c c 阈值电压值时，控制 器复位，此时v ms w 关断，使v c c 电容可再次充电。由于启动时功率较低，一 般工作在轻载的情况下。需要指出，轻载是电流较小的情况而不是负载较小的 情况。通过以上分析，可得软启动模块的流程图如图3 - 4 所示。 1 2 武汉理工大学硕士学位论文 3 4 恒流模式( c c ) 图3 - 4s s 模块流程图 在恒流模式( c c ) 中，主要给电池充电。当输出电压下降时，控制器可控 制输出电流不超过规定最大值的2 0 。值得注意，当输出电压下降时，下降的 幅度不低于设定值的2 0 ，则仍工作恒流( c c ) 模式。一般情况下，为完成该 控制，i s e n s e 可探测初级线圈电流大小，通过感应初级线圈电流大小来间接感应 负载电流大小。 3 m s 软启动后，i p k 系统调节，g a t e 输出脉冲正常。控制器通过检测v s e n s c 电压判断是工作在恒流( c c ) 模式还是恒压( c v ) 模式。如果检测到v s e n s c 电压低于恒压( c v ) 模式工作电压，则工作在恒流( c c ) 模式，否则工作在恒 压( c v ) 模式。在恒流( c c ) 工作模式下，控制器通过检测t 阳和i p k 来调节 下一个周期的i p k 值，使输出电压恒定。 i o = i p ko t f b e t 2 e t ( 3 1 ) 其中1 0 为电源系统输出电流，i p k 为i s e n s e 电流，n 为变压器匝数比n p n s ，t 为脉冲周期。 武汉理工大学硕士学位论文 3 5 恒压模式( c v ) 如果i s e n s e 信号没有连续的超过0 9 v ，则工作在恒压( c v ) 模式；如果探 测到在2 0 个脉冲周期后，v s e n s e 信号处没有电压，可知变压器辅助线圈断开或 短路，此时控制器关断；如果控制器检测到v s e n s e 电压达到恒压( c v ) 模式下 的工作电压，则工作在恒压( c v ) 模式中。通过分析可知，恒压( c v ) 模式下 的导通时间比恒流( c c ) 模式下的导通时间t o n 要小得多。 囤 l 竺竺蛳一ln 曰 u 一，一一，一，一 i 一一， 一r - - 1 同司 倒 图3 5 工作模式框图 需要指出，在恒压( c v ) 模式下，根据i s e n s e 电压值可判断工作在脉宽调 制( p w m ) 模式、脉冲频率调制( p f m ) 模式或是跨周期调制( p s m ) 模式。 开关电源调制方式主要有两种：脉冲宽度调制方式( p w m ) 、脉冲频率调制方 式( p f m ) 1 5 3 。无论是哪种调制方式，它们都有以下两个相同点： ( 1 ) 它们都是采用时间比控制( t i m er a t i oc o n t r 0 1 ) 的稳压原理，无论调 节的是脉冲的宽度、脉冲的频率还是跨周期，最终都调节脉冲的占空比大小， 通过调节脉冲占空比的大小来调节输出电压的大小，使输出电压稳定n 6 j 。 ( 2 ) 当输入电压在一定范围内波动时，可通过改变频率的方法来调节输出 电压的大小。当输出端接不同大小的负载时，可以通过改变脉冲宽度的方式来 调节电压的大小n 刀。 然而它们之间也有不同，脉冲宽度调制是当开关频率固定的情况下，通过调 节导通脉冲宽度调节占空比，实现对电路控制；脉冲频率调制是当脉冲宽度恒 定的情况下，通过调节开关频率来调节占空比，实现对电路控制n 引。 1 4 武汉理工大学硕士学位论文 3 5 1 脉宽调制( p w m ) 工作模式 脉冲频率调制特点为：固定宽度，调节开关管的频率。控制原理为：通过 比较负载端的反馈信号和基准信号( 如内部产生的一个频率恒定的锯齿波信 号) ，得到误差信号并输出，通过输出的误差信号来调节工作频率，输出宽度恒 定频率变化的方波信号对开关管进行控制，根据负载的大小实时调节开关管的 工作频率，从而可得稳定的输出电压n 帕。该方法在大负载时的效率很高，但是 在小负载时效率较低，因此不适用于小负载的情况 p w m 控制电路的作用主要是通过反馈电路对直流电压采样，来控制开关管的 脉冲宽度，由脉冲宽度来调整导通时间，从而得到稳定电压跚1 。p w m 控制电路是 开关电源的核心部分，有以下三个重要的功能噜： ( 1 ) 固定频率振荡器，频率可以在较宽的范围内调整。 ( 2 ) 可以较好调节占空比的大小。 ( 3 ) 可以起到过压、欠压和过流等保护。 本课题采用峰值电流模式控制p w m 方式。因为峰值电感电流容易取样，在 逻辑上与平均电感电流的大小变化一致池1 。但是峰值电感电流的大小与平均电 感电流之间不存在唯一的对应性，在不同占空比的情况下，相同的峰值电感电 流可以对应不同的平均电感电流大小呛3 】。通过研究发现，在电流控制模式中， 决定输出电压变化的唯一因素是平均电感电流变化的情况，峰值电流模式是一 个双环控制系统，由电流内环和电压外环组成，电流内环是按照各个脉冲工作， 负责输出电感的动态变化，而电压外环可控制功率级的电流源，控制输出电容， 因此在本课题的设计时采用峰值电流的方法。 根据以上分析可知，当i s e n s e 电流大于设定值时，控制器工作在脉宽调制 ( p w m ) 模式，否则工作在脉冲频率调制( p f m ) 模式。控制器工作在脉宽调 制( p w m ) 模式时，工作频率固定，通过检测v s e n s e 电压，调节输出脉冲宽度， 得到p u l s e 为0 或是为l ，控制开关管的导通或是截止，实时的调节输出电压， 得到稳定的输出电压。 3 5 2 脉冲频率调制( p f m ) 工作模式 p f m 调制的优点主要有：在轻载的情况下，效率很高，工作频率高，频率特 性好，输出电压稳定，同时输出电压的调节范围很宽1 。 在本课题的设计中，在恒流模式( c c ) 和恒压模式( c v ) 下，控制器工作 武汉理工大学硕士学位论文 在频率为4 0 k h z 不连续传输模式( d c m ) ，为避免在连续模式下工作，在每个 周期内，控制器都会检测v s e n s e 输入电压的下降沿。如果在一个周期内( 2 5 u s ) ， 没有检测到v s e n s e ，开关周期就延长，直到检测到v s e n s e 为止；如果开关周期 延长3 个周期( 7 5 u s ) ，仍没检测到v s e