单片开关电源的研究优秀毕业论文 参考文献 可复制黏贴.pdf

单片开关电源的研究 i 贵州大学 2009 届硕士研究生学位论文 单片开关电源的研究 学科专业 微电子学与固体电子学 研究方向 ic 设计 导师 杨健 研 究 生 杨仕伟 中国 贵州 贵阳 2009 年 5 月 分 类 号 tn433 论文编号 2006080499 密级 公开 单片开关电源的研究 ii 目录目录 摘要摘要 iviviviv abstractabstractabstractabstract v v v v 第一章第一章 引言引言 1 1 1 1 1 1 管理 ic 在开关电源中的应用和发展现状 2 1 2 开关电源的发展趋势 2 1 2 1 开关电源的发展历史 3 1 2 2 电源管理芯片简介 3 1 2 3 单片开关电源的发展趋势 4 1 2 4 研究单片开关电源的意义 5 1 2 5 单片开关电源在电源中的应用 6 第二章第二章 开关电源控制方式介绍开关电源控制方式介绍 8 8 8 8 2 1 开关电源控制方式 8 2 2 开关电源的控制模式 10 2 2 1 电压控制模式 11 2 2 2 峰值电流控制模式 12 2 2 3 平均电流控制模式 15 2 3 脉宽调制式开关电源的基本原理 16 2 4 集成 pwm 控制器原理 18 第三章第三章 整体电路设计整体电路设计 19191919 3 1 集成电路设计流程介绍 19 3 2 电路的整体结构和工作过程分析 20 第四章第四章 电路主要子模块的分析与仿真电路主要子模块的分析与仿真 26262626 单片开关电源的研究 iii 4 1 振荡器 26 4 2 前沿消隐与过流保护电路 28 4 3 基准电压源 30 4 4 过热保护电路 35 4 5 pwm 比较器电路 36 4 6 误差放大器电路 39 4 7 上电复位电路 42 4 8 欠压检测电路 43 4 9 schmitt 触发器电路 44 4 10 八分频器电路 47 4 11 驱动电路 51 4 12 高压电流源 53 4 13 整体电路与仿真 55 第五章第五章 结论结论 57575757 致谢致谢 59595959 参考文献参考文献 60606060 单片开关电源的研究 iv 摘要摘要 随着电子技术的发展 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 对电源的要求更加灵活多样 电子设备的小型化和低成本化使电源以 轻 薄 小和高效率为发展方向 单片开关电源是开关电源专用集成电路 他将 脉宽调制电路与高压 mosfet 开关管及驱动电路等集成在一起 具备完善的保护 功能 使用该芯片设计的小功率开关电源 可大大减少外围电路 降低成本 提高 可靠性 现在一般应用的串联调整稳压电源 是连续控制的线性稳压电源 这种传统 的串联稳压器 调整管总是工作在放大区 流过的电流是连续的 这种稳压器的 缺点是承受过载和短路的能力差 效率低 本文介绍了开关电源的基本构成以及 开关电源的核心部分 研究了一种新型的 pwm 脉冲宽度调制开关电源电路 它具 有电路较简单 组成元件较少 功耗低 转换损失低 应用广泛等特点 文中 作者首先介绍了 pwm 的工作方式 然后按照超大规模集成电路设计方法 设计了 电路的整体框架和各部分子模块 对各子模块进行了功能仿真 分析了单片开关 电源的特性和工作原理 对系统中振荡器电路 基准电压源电路 保护电路 pwm 比较器电路 误差放大器电路 schmitt 触发器电路 八分频电路等几个部分进 行了详细的分析 并按照指标要求 进行了实际参数值计算 器件的选取与电路 设计 最后 给出了该电源输出实验波形及整体性能分析 实验证明 该开关稳 压电源效率高 纹波小 输出电压稳定 性能优良 此电源具有低成本 高效率 小尺寸 全密封式的特点 适合于仪器仪表的控制用电 关键词 开关电源 pwm 工作方式 单片集成 电路功能仿真 单片开关电源的研究 v abstractabstractabstractabstract nowadays electronicsystemsbecomemoreandmorepopularwiththe development of electronic science and technology as the most important part of electronic systems power supply is becoming more and more versatile and it has been developing towards the trend of light more flexible and more efficient single chip switching power supply are produced especially for switching power supply which integrate pwm and high voltage mosfet together and have perfect protection function designing low power switching power supply with such integrated circuits can decrease parts count and cost increase reliability nowadays the applied series adjustable regulator is linear regulator of continuous control the traditional series regulator it s adjustable transistor always working at amplifier area the electric current is continuous the disadvantages of regulator are low efficient and capability in overload the paper introduces basic structure of switching power supply and type of power converter in this paper a new pwm monolithic switched power supply circuit is researched the author firstly introduces the basic theories about pwm then under the guidance of methodology of integrated circuits design the author has designed the total circuit the author simulates functions of every module firstly the principle and characteristics of this single chip switching power supply are analyzed second the external circuits of system include several parts these are an oscillator circuit datum potential source protection circuit pwm comparator electric circuit error repeater circuit schmitt trigger circuit eight frequency dividing circuits according to the design requirements the detailed analysis of the several parts is presented calculation of the values of the parameters and selection of the components are provided at last output voltage wave and the analysis of the whole electrical character are given the test result shows the power supply have high efficiency low ripple stability output voltage and excellent electrical characteristics this power supply is low cost high efficiency small size and fully sealed and be used as control power supply of instruments and meters 单片开关电源的研究 vi key words switched power supplypwmintegrated morphology simulation of functions of circuits 单片开关电源的研究 1 第一章第一章引言引言 电源是实现电能变换和功率传递的主要设备 是一种技术含量高 知识面宽 更新换 代快的产品 此产品现今已广泛应用到农业 能源 交通 运输 信息 航空 航天 航 运 国防 教育 文化等领域 从日常生活到最尖端的科学都离不开电源技术的参与和支 持 而电源技术和产业对提高一个国家劳动生产率的水平 即提高一个国家单位能耗的产 出水平 具有举足轻重的作用 在当前信息时代 上述各行各业都在迅猛异常地发展 发 展的同时又对电源产业提出了更多更高的要求 如节能 节电 节材 缩体 减重 防止 污染 改善环境 可靠 安全等 这就迫使电源工作者在电源研发过程中不断探索 寻求 各种相关技术 做出合格电源产品 以满足各行各业的要求 从而又无形地带动了相关技 术的高速发展 而正由于这些技术的高速发展又推动了电源产业的发展 1 以电力电子学为核心技术的电源产业 从 20 世纪 60 年代中期开始形成 以整流技术 ac dc 为主的各种电源装置 如电解 电镀和中小容量的 ad dc 变换器的出现是这个 时期的主要标志 2 开关电源被誉为高效节能电源 它代表着稳压电源的发展方向 现已 成为稳压电源的主流产品 采用了控制集成电路的开关电源更具有效率高 输出稳定 可 靠性高 并可实现远程控制等功能 是开关电源的发展趋势 经过近十年的努力 我国电 子半导体器件的研制和生产有了长足的发展 20 世纪九十年代以来是我国电力电子技术和 电源产业快速发展的时期 产业界也涌现一些技术难度较大 具有国际先进水平的产品 如 多谐振双环控制的通信开关电源 单芯片控制的 500w 以下 pfc 控制器 智能化 高频开关电源 用于空调和冰箱的无位置传感器的变频调速器部件 和 数千 kw 级的 igbt 中压变频器 等 但与国际发达国家相比 在应用基础研究深度方面差距为五至十年 在电源产品的质量 可靠性 开发投入 生产规模 工艺水平等综合实力方面差距估计为 十至十五年 3 目前国际上流行的开关电源向着以下几个方面发展 l 进一步提高电能 变换效率 降低待机损耗 2 避免电力公害 尽量减少网侧电流谐波 并使网侧功率因 数接近 1 3 提高电源装置和系统的电磁兼容性 emc 4 降低电噪声 5 小型 轻量化 通过高频化 元件小型化和先进工艺加以实施 6 高性能 4 单片开关电源的研究 2 1 11 11 11 1 管理管理管理管理 icicicic 在开关电源中的应用和发展现状在开关电源中的应用和发展现状在开关电源中的应用和发展现状在开关电源中的应用和发展现状 在晶体管发明以后 微电子技术对电子系统的发展起到了巨大的推动作用 尤其是在 计算机和信号处理方面的成果更是有目共睹 目前 绝大部分电子系统中都大量使用了集 成电路来减小体积 减轻重量 提高可靠性 5 同样微电子技术对电力电子的影响也非常 明显 这一点可以从各种功率电子器件和功率集成电路的广泛应用看出 并且这一趋势将 一直继续下去 ic 产品在功率电子中的应用可以简单分为两类 第一类为分立器件 包括晶闸管 大 功率双极型晶体管 dmos 和现在更常用的 ldmos igbt mct 等 这些器件具有功率容 量大 能量损耗低 开关速度快等特点 适用于电力电子装置 得到了大量应用 关于性 能更优的分立器件一直是研究的对象 也将进一步提高整机系统的性能 但这种器件需要 采用与集成电路不同的纵向工艺和较厚的外延层来达到耐压要求 另一类得到广泛应用的 产品是功率集成电路 power integrated circuit pic 它一般包含低压逻辑部分和 高压功率部分 还设计有必要的各种过热过流等保护电路 6 八十年代 新型功率 mos 器 件和以其为基础的智能功率集成电路 smart power ic spic 随着微电子技术的进步 而迅速发展起来 它们融功率半导体 信息电子学 超大规模集成电路 电机学和计算机 辅助设计为一体 成为未来工业自动化 汽车制造业 航空航天技术和其它高新技术工业 的基础产业 特别是 spic 在目前微电子走向系统集成的情况下起着越来越重要的作用 有专家甚至称 spic 的发展将会引发第二次电子革命 7 1 21 21 21 2 开关电源的发展趋势开关电源的发展趋势开关电源的发展趋势开关电源的发展趋势 电源是各种电子设备必不可缺的组成部分 性能优劣直接关系到电子设备的技术指标 及能否安全可靠地工作 目前常用的直流稳压电源分线形电源和开关电源两大类 线形稳 压电源亦称串联调整式稳压电源 其稳压性能好 输出电压波纹很小 但它必须使用笨重 的工频变压器与电网进行隔离 并且调整管的功率损耗较大 致使电源的体积和重量大 效率低 开关电源 sps 被誉为高效节能电源 它代表着稳压电源的发展方向 现已成为稳 压电源的主流产品 开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态 本身消耗的能量很低 电源效率可达 80 90 比普通性能稳压电源提高近一倍 8 开关电源亦称为无工频变压器 的电源 它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的 不仅能去掉笨重 单片开关电源的研究 3 的工频变压器 还可采用体积较小的滤波元件和散热器 这就为研究与开发高效率 高密 度 高可靠性 体积小 重量轻的开关电源奠定了基础 在开关电源中 为了实现功率调 节 远程控制等功能 以及减小体积 减轻重量 高压功率集成电路得到广泛应用和快速 发展 采用了这种集成电路来调节和控制的开关电源 不但外部电路简单 元件数目少 而且可以和微处理器直接接口或通过局域网 lan 来实现编程或控制功能 是目前 75w 以 下高效率 多功能开关电源的最佳解决方案 9 1 1 1 1 2 12 12 12 1 开关电源的发展历史开关电源的发展历史 开关电源己有几十年的发展历史 早期产品的开关频率很低 成本昂贵 仅用于卫星 电源等少数领域 20 世纪 60 年代出现的晶闸管 旧称可控硅 相位控制式开关电源 70 年 代由分离元件制成的各种开关电源 均因效率不够高 开关频率底 电路复杂 调试困难 而难于推广 使之应用受到限制 70 年代后期以来 随着集成电路设计与制造技术的进步 各种开关电源专用芯片大量问世 这种新型节能电源才重获发展 目前 开关频率已从 20khz 左右提高到几百千赫兹甚至兆赫兹 10 与此同时 供开关电源使用的元器件也获得 长足发展 mos 功率开关管 mosfet 肖特基二极管 sbd 超快恢复二极管 srd 瞬态电压抑制器 tvs 压敏电阻器 tl431 电磁干扰滤波器 emi filter 高导磁率 磁性材料 由非晶合金制成的磁珠 magneticbead 等一大批新器件 新材料正被广泛采 用 所有这些 都为开关电源推广与普及提供了必要条件 1 2 21 2 21 2 21 2 2 电源管理芯片简介电源管理芯片简介 所有的电子设备都需要电源作为动力 从这点上讲 所有电子设备有共性 但是 不 同的电子设备对电源的要求是不同的 这些不同的要求包括对电源参数如效率 电压 电 流能力 噪声 纹波等的要求 以及对电源体积 形状 可靠性 干扰等的要求 对参数 的要求 我们可以通过对供电线路的电能进行变换来达到 这些变换包括交流到直流 ac dc 即整流 直流到交流 dc ac 即逆变 交流到交流 ac ac 即变压 直流 到直流 dc dc 广义地说 利用半导体功率器件作为开关 将一种电源形式转变为另一 种电源形式的主电路都叫做开关变换器电路 转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环 单片开关电源的研究 4 节则称为开关电源 switching power supply 1955 年美国科学家罗耶 g h royer 首先研制成功利用磁芯的饱和来进行自激振 荡的晶体管直流变换器 此后 利用这一技术的各种形式的晶体管直流变换器不断地被研 制和涌现出来 由于晶体管直流变换器中的功率晶体管工作在开关状态 所以由此而制成 的稳压电源输出数组多 极性可变 效率高 体积小 重量轻 因而当时被广泛地用于航 天及军事电子设备上 由于那时的微电子设备及技术十分落后 不能制作出耐压较高 开 关速度较高 功率较大的晶体管 所以这个时期的直流变换器只能采用低电压输入 并且 转换速率也不能太高 20 世纪 80 年代 计算机全面实现了开关电源化 率先完成了广泛 的应用 开关电源技术进入快速发展期 目前 开关频率已从 20khz 左右提高到几兆赫兹 与此同时 供开关电源实用的元器件也获得长足的发展 超快恢复二极管 srd 瞬态电 压抑制器 tvs 压敏电阻器 vsr 熔断电阻器 fr 自恢复保险丝 rf 线性光耦 合器 可调试精密稳压器 tl431 电磁干扰滤波器 emifilter 高导磁率磁性材料 由非合金制成的磁珠 magnetic bead 三重绝缘线 玻璃珠 glass beads 粘合剂等一 大批新型器件 新材料正被广泛采用 11 1 2 31 2 31 2 31 2 3 单片开关电源的发展趋势单片开关电源的发展趋势 近 20 多年来 集成开关电源沿着下述两个方向不断发展 第一个是对电源的核心单元 控制电路实现集成化 1977 年国外首先研制成功脉宽调制 pwm 控制器集成电路 美国摩托罗拉 motorola 公司 尤尼特德田 unitrode 公司等相继推出一批 pwm 芯片 典型产品有 mc3520 sg3524 uc3842 90 年代以来 国外又研制出开关频率达 1mhz 的 高速 pwm pfm 脉冲频率调制 芯片典型产品如 uc1825 uc1864 第二个方向是对中 小功率开关电源实现单片集成化 这大致分两个阶段 80 年代初 意 法半导体有限公 司 sgs thomson 率先推出 l4960 系列单片开关式稳压器 该公司于 90 年代有推出了 l4970a 系列 其特点是将脉宽调制器 功率输出级 保护电路等集成在一个芯片中 使用 时需配工频变压器与电网隔离 适用于制作低压连续可调式输出 5 1 40v 大中功率 400w 以下 大电流 1 5 10a 高效率 可超过 90 的开关电源 但从本质上讲 它仍属于 dc dc 电源变换器 1994 年 美国电源集成公司 power integray10ns inc 简称 pi 公 司或 power 公司 在世界上首先研制成功三端隔离 脉宽调制型反激式单片开关电源 其 单片开关电源的研究 5 第一代产品为 topswitch 系列 第二代产品则是 1997 年问世的 topswitch 系列 该 公司于 1998 年又推出了高效率 低功率 低价格的四端单片开关电源 tinyswitch 系列 并于1999 年开发出tny256 系列新产品 在这之后2000 年初 pi 公司又研制出topswiech fx 系列的五端单片开关电源 充分显示出开关电源的蓬勃的新局面和良好的应用前景 目前 单片开关电源已形成具有六大系列 67 种型号的产品 单片开关电源属于 ac dc 电源变换器 以 topswitch 系列为例 它内部包含控制 电压源 带隙基准电压源 振荡器 并联调整器 误差放大器 脉宽调制器 门驱动极 高 压功率开关管 过流保护电路 过热保护及上电复位电路 关断 自动重启电路和高压电流 源 芯片的集成度很高 外围电路简单 通过输入整流滤波器 适配 85 265v 47 440hz 的交流电 可构成世界通用的各种开关电源或电源模块 它在价格上完全可以和同等功率 的线形稳压电源相竞争 而电源效率显著提高 体积和重量则大大减少 单片开关电源的 迅速发展与应用 使人们多年来所追求的高性价比 无工频变压器式开关电源变成现实 单片系列开关电源集成电路将 dc dc 变换器的所有驱动 控制 保护 采样反馈电路 以 及 mosfet 功率开关等均集成在芯片内部 并且具有灵活多样的外形封装形式和商业级 工 业级以及军品级的工作温度范围 因此由其构成的开关稳压电源具有输入电源电压范围宽 转换效率高 所需外部元器件少 电路结构简单 组装调试方便 重量轻 体积小和成本 低的特点 另外 加上合理的变压器设计与加工 还可以构成隔离式 多路输出式 降压 输出式 升压输出式 降压和升压混合输出式 降压和升压反极性混合输出式等多种类型 的开关稳压电源 由单片系列开关电源集成电路构成的具有以上性能和特点的开关稳压电 源应用领域非常广泛 如家用电器 工业控制 实验室设备 汽车电子 医疗仪器 计算 机测控等 除此之外 由单片系列开关电源集成电路构成的开关稳压电源再加上末级线性 稳压器后 还可以应用于仪器仪表 微弱信号检测 高精度 a d 转换 传感器等领域 12 1 2 41 2 41 2 41 2 4 研究单片开关电源的意义研究单片开关电源的意义 单片开关电源因其体积小 重量轻和效率高而在各种电子信息设备中得到了广泛的应 用 近来 伴随着人们对开关电源要求的进一步升级 低电压大电流转换器的高效化以及 响应的高速化成为了有关厂商和研究机构的热门课题 另外 电子信息设备用量的激增还 使得电磁干扰 emi 问题日益突出 而开关操作时产生的浪涌和噪声则是开关电源的固有 缺陷 为此人们将开关电源的低功耗化 小型化和低噪声化作为今后的三大重点研究目标 单片开关电源的研究 6 国内小功率开关电源中较为普及的设计方法是采 uc3842 mosfet 功率开关管 pwm 控制器和高频变压器是开关电源必不可少的组成部分 传统的开关电源一般均采用分立的 高频功率开关管和多引脚的 pwm 集成控制器 国外在 1996 年推出了单片集成开关电路 出现了 pwm mosfet 二合一集成芯片 他大大降低了开关电源设计的复杂性 减少了开关电 源设计所需的时间 从而加快了产品进入市场的速度 目前生产的单片开关电源主要有 topswitch tinyswitch switch fx switch gx 等 单片开关电源被誉为 顶级开关电源 它具有单片集成化 最简单的外围电路 最 佳的性能指标 能完全实现电气隔离等特点 具有强大的生命力和经济效益 为高效 新 型开关电源的推广和普及创造了良好的条件 然而 目前国内这方面的运用和研究还不够完善 对于多端输出的稳定性还没有深入 的研究 所以 应用单片多端开关电源变压器的设计与开发 对于促进我国开关电源事业 的发展 具有重要的现实意义 1 2 51 2 51 2 51 2 5 单片开关电源在电源中的应用单片开关电源在电源中的应用 一般情况下 以 top 开关器件为代表的开关电源芯片 其漏极 d 和变压器初级的一端 相接 由于漏感引起的反峰电压反射到变压器的初级 将直接加在漏极上 而反峰电压与 输出电压有关 即输出电压越高 反峰电压也越高 对于漏极与源极之间耐压只有几百伏 的 topswitch 器件来说 过高的电压很容易将其击穿 因此 采用 topswitch 器件制作的 开关电源 大多数采用低压小功率输出 通过改进电路 实现了 topswitch 器件在高压开 关电源中的应用 topswitch ii 系列可广泛应用于各种通用及专用开关电源 待机电源 开关电源模块中 它将 pwm 控制系统的全部功能集成到三端芯片中 内含脉宽调制器 mosfet 自动偏置电路 保护电路 高压启动电路和环路补偿电路 通过高频变压器使输 出端与电网完全隔离 真正实现了无功频变压器 topswitch ii 不需要外接大功率的过流检 测电阻 也不必提供启动时的偏置电流它采用漏级开路输出方式 利用电流来线性调节占 空比 是电流控制型开关电源 13 依据topswitch 电路的特性 能够实现一路高压与一路低压的双路输出电源 对于高 压输出 采用了二次升压和6 倍压整流的方法来获得其中的一路直流高压输出 2500v 40 单片开关电源的研究 7 ma 由于本文只对topswitch 的高压应用进行探讨 该路输出电压精度不作要求 另外一 路低压输出为6v 1a 精度优于1 由于高压部分精度要求不高 因此 可以直接输出 但是低压部分精度要求较高 因此 在该路电压输出端 通过取样电阻对输出电压进行采 样 输入采用tl431 tl431 一个有良好热稳定性的三端可调分流基准源 它的输出电压用 两个电阻就可以任意设置从vref 2 5v 到36v 范围内的任何值 取样电压通过光耦隔离 后送入topswitch 的控制端 光耦供电电压可以利用变压器次级输出电压供电 方案采用 基于topswitch ii的反激变压器来实现 通过一个变压器的多副边绕组得到所需要的双路 输出电压 另外 两路输出电压处在不同电位上 他们之间的电压差很大 因此 变压器 的隔离度要求很高 这也是该电源的一个实现难点 topswitch 芯片的选择本电源的输入 电压为270vdc 在该系列所要求的电压范围内 对芯片的选择主要是考虑功率的需要 输 出功率 0 p约为110w 考虑一定的裕度 反馈电路设计反馈回路的形式由输出电压精度决定 光耦tl431 可以把输出电压精度控制在 1 电压反馈信号经分压网络引入tl431的ref 端 转化为电流反馈信号 经过光耦隔离后输入topswitch 的控制端 光耦工作在线性状 态 起隔离作用 如果所选光耦的电流放大率上限超过200 容易造成topswitch 过压保 护 相反 若其下限小于40 占空比d 将不能随反馈电流的增加而减小 从而导致过流 因此 应选择电流放大率范围接近100 的光耦 topswitch使用注意事项应用中 top开关 的源脚引线应尽可能短 旁路电容要尽可能靠近源脚和控制脚 源脚应单点接地 开关关 断时 为了减小漏极峰值电压和漏极冲击激励振荡电压 漏感较大的高频变压器初级必须 加入阻尼电阻 测试时 top开关器件不能直接插入加有高电压的插座内 在印刷电路板上 控制脚外接电容器能够把较大的浪涌电流传输到触发器和关断锁存器 从而关断top开关 开关电源轻载或空载时 输出mosfet 导通时间很短 为了使输出电压保持在设计范围内 该开关电源必须外加一个很小的负载 单片开关电源的研究 8 第二章第二章开关电源控制方式介绍开关电源控制方式介绍 2 12 12 12 1 开关电源控制方式开关电源控制方式开关电源控制方式开关电源控制方式 开关电源电路的调制方式主要有 pwm pfm psm 混合调制四种调制方式 脉冲宽度 调制 pwm 方式 14 15 其开关频率恒定 通过调节导通脉冲宽度来改变占空比 从而实 现对电能的控制 称之为 定频调宽 脉冲频率调制 pfm 方式 16 其脉冲宽度恒定 通过调节开关频率改变通断比 从而实现对电能的控制 称之为 定宽调频 脉冲跨周调 制 psm 方式 脉冲宽度恒定 选择性的跳过某些工作周期的方式调节电能输出 1 脉宽调制方式 简称脉宽调制 pulse width modulation 缩写为 pwm 式 pwm 调制方式是开关功率变换器中最常采用的控制方式 通过负载端反馈信号与内部产生 的锯齿波进行比较 然后输出一路恒频变宽的方波信号对功率开关管进行控制 依据负载 状况实时调节开关管的导通时间 从而稳定输出电压 其工作波形图如图 2 1 所示 图 2 1 pwm 工作原理图 单片开关电源的研究 9 目前 pwm 控制方式是开关电源中使用最普遍的 具有以下优点 在负载较重情况下效 率很高 电压调整率高 线性度高 输出纹波小 适用于电流或者电压控制模式 存在以 下缺点 输入电压调制能力弱 频率特性较差 轻负载下效率下降 2 脉冲频率调制方式 简称脉频调制 pulse frequency modulation 缩写为 pfm 式 它是将脉冲宽度固定 通过改变开关频率来调节占空比的 在电路设计上要用固定脉 宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器 并利用电压频率转换器 例如压控振荡器 vco 改变频率 其稳压原理是 当输出电压 vo 升高时 控制器输出信号的脉冲宽度不 变而周期变长 使占空比减小 vo 降低 pfm 式开关电源的输出电压调节范围很宽 输出 端可不接假负载 pfm 也是开关功率变换器中经常使用的调制方式 多与 pwm 结合往往达 到最佳控制效果 通过负载端反馈信号与基准信号进行比较 输出误差信号对工作频率进 行调节 然后输出一路恒宽变频的方波信号对功率开关管进行控制 依据负载状况实时调 节开关管的导通时间 从而稳定输出电压 其工作波形图如图 2 2 所示 图 2 2 pwf 工作原理图 目前 pfm 控制方式是开关电源中使用已经比较普遍 具有以下优点 在负载较轻情况 下效率很高 工作频率高 频率特性好 电压调整率高 适用于电流或者电压控制模式 存在以下缺点 负载调整范围窄 滤波成本高 单片开关电源的研究 10 3 psm 调制方式是开关功率变换器中一种新的控制方式 称为脉冲跨周调制 将负 载端反馈信号转换为数字电平 在时钟上升沿检测该反馈信号电平决定是否在该时钟周期 内工作 调节开关管的导通时间 从而稳定输出电压 其工作波形图如图 2 3 所示 图 2 3 psm 工作原理图 目前 psm 控制方式已经用于开关功率变换器 具有以下优点 在负载较轻情况下效率 很高 工作频率高 频率特性好 功率管开关次数少 适用于小功率电源管理 ic 存在如 下缺点 输出纹波大 输入电压调整能力弱 4 混合调制方式 使指脉冲宽度与脉冲频率均不固定 彼此都能改变的方式 它属 于 pwm 和 pfm 的混合方式 由于 p t 和 t 均可调节 因此占空比调节范围最宽 适合供实 验室使用的输出电压可以宽度范围调节的开关电源 2 22 22 22 2 开关电源的控制模式开关电源的控制模式开关电源的控制模式开关电源的控制模式 为了使整个开关电源转换系统能够稳定运行 需要对输出信号采样 并引入负反馈 依据反馈控制量的类型 开关电源变换器控制模式可以分为电压控制模式和电流控制模式 单片开关电源的研究 11 2 2 12 2 12 2 12 2 1 电压控制模式电压控制模式 电压控制模式是对输出电压进行采样 作为反馈控制信号实现闭环控制 以稳定输出 电压 在其控制过程中 电感电流没有参与控制是一个独立的量 变换器是一个二阶系统 由控制领域知识可知二阶系统的稳定是有条件的 17 只有通过对控制回路的精心设计才能 达到稳定的条件 使闭环系统稳定工作 图 2 4 电压控制模式 pwm 调制 dc dc 开关电源原理图 图 2 4 是电压控制模式 pwm 调制 dc dc 开关电源原理图 输出反馈电压 vfb 输入到误 差放大器的同相端 误差放大器输出 ve 接 pwm 比较器的反相输入端 误差放大器直接检测 输出电压 只有当输出电流变化引起输出电压变化时才进行调整 晶体管导通时间为 锯 齿波电压 vosc 高于误差放大器输出电压 ve 的时间段 18 19 20 其工作过程如下 假设初始 状态 ve 电压小于锯齿波电压 则 pwm 比较器输出高电平 pwm 比较器输出一个脉宽可变的 正脉冲 vctrl vctrl 是一个控制功率管的脉宽调制信号 如果直流输出电压上升 vfb 也 上升 则 ve 将会上升 导致负脉冲 vctrl 宽度增加 则正脉冲宽度减小 即占空比减小 这个正 15 脉冲宽度就是晶体管的导通时间 所以通过减小晶体管导通时间可以减小输出电 压 使输出电压稳定 如果直流输出电压下降 同理 通过这个负反馈环又使出电压上升 单片开关电源的研究 12 电压模式控制具有以下优点 21 22 1 单环控制 设计简单 2 pwm 角波幅值较大 脉 冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量 3 低输出阻抗有利多输出 4 从输出端引出采 样信号 对输出电压和负载的变化均有较好的响特性 5 占空比调节不受限制 同时具 有以下缺点 1 对输入电压的变化态响应较慢 2 补偿网路设计本来就较为复杂 闭 环增益随输入电压而变化其更为复杂 3 环路存在两个极点 需要增加一个零点来补偿 加快对输入电压响应速度可以采用输入电压前馈电压模式 pwm 技术 用输电压对电阻 电 容充电产生具有可变化上升斜率的三角波取代传统电压模式控 pwm 中振荡器产生的固定三 角波 此时输入电压变化能立刻在脉冲的变化上反出来 因此该方法对输入电压的变化引 起的瞬态响应速度明显提高 2 2 22 2 22 2 22 2 2 峰值电流控制模式峰值电流控制模式 为了克服电压模式的缺点 电流模式应运而生 峰值电流控制模式 pcm peak current mode 简称电流控制模式 又称为电流编程控制模式 cpm curr program mode 23 电 流控制模式就是在保留电压控制模式的输出电压控制部上 又增加了一个电流反馈环 即 存在电压反馈外环和电流反馈内环 是一个环控制系统 电感电流不再是一个独立的量 从而使闭环系统成为一个一阶无件稳定系统 24 它的工作原理就是在脉宽比较器的输入端 直接用检测到的输出感电流信号或功率管电流信号与误差放大器的输出信号进行比较 从 而控制输脉冲的占空比 以此达到调节输出电感的峰值电流跟随误差电压变化 它并不用 电压误差信号直接控制 pwm 脉冲宽度 而是用峰值电感电流间接地控 pwm 脉冲宽度 单片开关电源的研究 13 图 2 5 为 pcm 控制 pwm 调制 dc dc 开关电源原理图 误差放大器对基准压 vref 和负载电压分量 vfb 之间的差值进行放大 得到控制信号 ve 由于一个开关周期时间内 负载电压的变化量很小 可近似认为同一个开关周期时内 ve 值不变 ve 被送到 pwm 比较器的反相输入端 vs 和斜坡补偿信号 vsl 相加后得到合成 信号 vs vslope 送至 pwm 比较器的同相输入端的 振荡器制着系统的开关频率 在每个 开关周期的开始 振荡器同步发送出窄脉冲信号 v16 和斜坡补偿信号 vslope 此时 s 1 r 0 触发器输出 q 1 功率管开始导通在窄脉冲很快消失后 触发器的输入信号为 s 0 r 0 触发器处于保持状态 率管维持在导通状态 此后 斜坡补偿信号 vslope 从 0v 开始 线性增大 而且于功率管处于导通状态 电感电流开始线性增大 vs 也随着电感电流增大 而增大一般在本周期结束前 两信号增长满足 vs vslope ve 使 pwm 比较器翻转于是 r 1 s 0 触发器输出 q 0 功率管被关断 直至振荡器送出新的脉冲开始下一开关周期 单片开关电源的研究 14 图 2 6 pcm 控制 pwm 调制 dc dc 开关电源原理图 上述过程实现了如下的控制规律 当电感电流上升到满足条件 vs vslope ve 时 功率管 被关断 于是电感与电源的连接被断开 电感电流随后就线性下降直到下一周期功率管重 新导通后 电感电流才会增加 而在本周期内 功率管断开时刻的电流瞬时值即为电感电 流峰值 考虑到 vs ilrs 可以得出结论 在每个周期 由电压控制外环输出控制电压 vs 它为本周期的电感电流瞬时值设定最大值 这就是电感电流峰值控制模式的由来 pcm 优点 1 由于输出负载电流正比于电感电流 pcm 控制技术实现了在逐个开关周期内 控制输出电流 从而具有更优越的负载调整特性和抗输入电源扰动能力 2 具有瞬时峰 值电流限流功能 不会因过流而使开关管损坏 大大减小过载与短路的保护 3 整个反 馈电路变成了一阶电路 因此误差放大器的控制环补偿网络得以简化 稳定度得以提高且 改善了频响环路稳定 易补偿 4 输出电压纹波较小 pcm 缺点 1 pcm 控制技术对负载电流的控制精度不高 因为负载电流是与电感电流的平 均值成正比的 而电感电流平均值和电感电流峰值之间存在差 17 值 2 抗干扰性差 因 为电感电流上升时段内的上升斜率比较小 3 占空比大于 50 的开环不稳定性 存在难 以校正的峰值电流与平均电流的误差 4 多路输出电源的交互调节性能不好 25 26 单片开关电源的研究 15 2 2 32 2 32 2 32 2 3 平均电流控制模式平均电流控制模式 平均电流控制模式 27 acm average current mode 是从 pcm 技术发展而的 平均电流 控制模式以电感电流的平均值作为电流控制内环的控制信号 利在一个开关周期内 电感 电流积分值与电感电流平均值成正比的性质 通过控本周期的电感电流积分值 实现对一 个开关周期内的电感电流平均值的控制 图 2 7 acm 控制 pwm 调制 dc dc 开关电源原理图 图 2 7 是 acm 控制 pwm 调制 dc dc 开关电源原理图 平均电流模式控一般可通过在电流控 制环路中增加一个有积分作用的电流调节器来实现 电流节器又称电流误差放大器 c a 误差电压信号 ue 输送到电流误差放大器 c a 的同相输入端 而反映输出电感电流信号 的电压信号 ub 输送到 c a 的反相输入端 ub 和 ue 的差值经过 c a 比较放大后 得到 能跟踪平均电流的误差信号 ube 振荡路产生的三角波与 ube 通过比较器比较放大后 再 经触发器和驱动电路产生控制关管导通和截至的脉冲信号 该脉冲信号的宽度决定了开关 管的通断时刻 28 其优点 1 不需要单独的斜坡补偿电路 ube 的波形与 ub 反相 所以 是 ube 的下斜坡与振荡电路产生的三角波的上斜坡进行比较 产生开关管的截止号 其作 用就是斜坡补偿 2 噪声抑制能力强 3 应用范围广几乎适用于何形式的开关电路 缺点 电路复杂 调试参数比峰值电流模式难度大 电流控制型与电压控制型的本质区别 在于电流控制型电路可等效成一个电压控制型电流源 而电压控制型是一个受控的电压源 电压模式是在输出电压改变时控制脉冲宽度使输出电压改变 电流模式是在输出电压改变 单片开关电源的研究 16 时控制电感电流或开关管的电流使其跟踪输出电压的改变 电流控制模式较电压控制模式 具有较大的优势 29 2 32 32 32 3 脉宽调制式开关电源的基本原理脉宽调制式开关电源的基本原理脉宽调制式开关电源的基本原理脉宽调制式开关电源的基本原理 脉冲宽度调制方式 简称脉宽调制 pulse width modulation pwm 式 其特点是 固定开关频率 通过改变脉冲宽度来调节占空比 因开关周期也是固定的 这就为设计滤 波电路提供了方便 其缺点是受功率开关管最小导通时间的限制 对输出电压不能做宽泛 围调节 另外输出端一般要接假负载 亦称预负载 以防空载时输出电压升高 30 220v 交流输入电压经过整流 br 滤波后变为脉动直流电压 供给功率开关管作为动 力电源 开关管的基极或者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 pwm 比较器和锯齿波发生器组成 如图 2 8 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 与基准电压比较的差值 增加 经放大后输入到 pwm 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 vd 整流和电容 2 c 滤波后 输出电压上升 反之亦然 31 图 2 8 脉宽调制式开关电源的基本原理图 单片开关电源的研究 17 ac dc 变换电路是通过控制开关器件的导通和关断时间 将一个输入的不稳定交流电 压转换成另一个输出稳定的直流电压 32 pwm 工作方式的简化原理图如图 2 8 所示 可 以看出控制信号是由反馈的实际电压和期望值通过差分放大得到 然后和锯齿波信号比较 当 control v高于锯齿波时 开关器件导通 当 control v低于锯齿波信号时 开关器件关断 由此 得到开关器件实际工作的驱动信号 如果定义开关器件开通时间占整个周期的比值为 d 则 st control offon on s on v v tt t t t d 2 1 公式中 on t 为器件导通时间 off t 为器件关断时间 s t 为周期 control v 为反馈的实际电平 经过放大后的电平 它反应了输出信号高于或低于期望值的信息 一般锯齿波信号工作频 率为几十到几百 khz 甚至某些双极型电路工作频率可以达到 1mhz 但 control v 变化频率 很低 一般为几 khz 实际仿真结果如图 2 9 所示 图 2 9 pwm 比较器工作波形图 单片开关电源的研究 18 当输出外部电压较高时 反馈信号也升高 由于它接入运算放大器的反相输入端 所以 control v 电平下降 通过和锯齿波比较后得到开关器件的导通时间 on t 减小 即 d 减小 输出 电流减少 使输出电压降低 同理 当输出电压低于期望值时 该电路能使开关器件导通 时间增加 来使输出电压升高 33 2 42 42 42 4 集成集成集成集成 pwmpwmpwmpwm 控制器原理控制器原理控制器原理控制器原理 近年来己经开发出许多高频开关电源控制集成电路 这些电路包含了建立 pwm 开关 电源所需要的所有功能 使开关电源用一片集成电路和若干附加元件即可制成 这个电路 的工作过程如下 误差放大器将从电源输出端引入的反馈信号与其反相输入端的固定参考 电压 v 进行比较 误差信号被放大并送到比较器的反相输入端 而比较器的同相输入端输 入的是由一个固定频率振荡器产生的具有线性斜率的锯齿波 振荡器的输出同时送到一个 翻转触发器 f f 产生方波输出 q 和 q 非 比较器的输出方波和触发器的方波输出 都用于驱动与门 使得当两个输入信号均为 l 时输出 这样 在 a 路和 b 路最终得到 的是可变脉冲占空比的脉冲串 当误差信号幅度变化时 输出脉冲的宽度是如何被调制的 通常 pwm 控制器在其外部经缓冲后去驱动主电源开关晶体管 这一类型的电路可被用来 驱动两支晶体管或是驱动单晶体管 在后一种情况下 输出可在片外