（电路与系统专业论文）低功耗acdc电源脉宽调制电流模式控制器的设计.pdf

摘要 摘要 本文的主要工作是设计一种单片电源管理集成控制电路，该集j & , l l 路采川跨 周期调制( s c m ) 模式与脉宽调制( p w m ) 模式相结合的工作方式，水减小功率 损耗，需要较少的外部元件即能构成完整的丌关电源。 控制器内部电路可工作在4 0 k h z 、6 0 k h z 或1 0 0 k h z 兰种f i 川的州彳r 频率， 内部集成了耐压4 5 0 v 的功率l d m o s ，该场效应管能保证无能撤损欠或低能：i 拟 失的丌启过程。最大驱动输出电流2 5 0 m a ，：醛片的最高 ：作效率l 叮达9 0 以i ：。 由于采用电流模式控制，极大地简化了逐个脉冲控制，实现了l ，j 椎的廉价离线变 换器的设计。 输出接额定负载时芯片工作在p w m 模式。当输出功率需要鞋减小时，该集成 电路自动地进入所谓跨周期模式，以便在轻负载条件下达到极好的效率。i n 为这 种情况发生在低峰值电流条件下，所以不会产! 卜听得到的音频噪声。i u 路内；l l j 还 有一个有效的过载保护电路，当出现过载时，停止输d 脉冲而进入安个校式：，i 故障消除后，控制器恢复，并返回至i f 常：r 作状念。具干j 迟滞功能的过濉保护l 乜 路，使供电更加安全。并具有过压、久压保护功能。 关键词：低功耗脉宽调制电流控制模式跨周期模式反激变换器 a b s t r a c t 一一- t h em a i nw o r ko ft h i sp a p e r p o w e rd i s s i p a t i o n t h ee v o l u t i o n a b s t r a c t i st od e s i g nas w i t c h i n gp o w e r o fc o n t r o l l i n gm o d ec o m b i n e d c o n t r o l l e rw i t hi o w b o t ha d v a n t a g e so f p u l s e w i d t hm o d u l a t i o n ( p w m ) a n ds k i p c i r c l em o d u l a t i o n ( s c m ) m o d e w a sa d o p t e d t od e c r e a s et h ep o w e r l o s s c o o p e r a t i n gw i t hs i m p l ep e r i p h e r yc o m p o n e n t ，af u l ls w i t c h p o w e rs u p p l yi sf o r m e d w i t ha l li n t e r n a ls t r u c t u r eo p e r a t i n ga taf i x e d4 0k h z ，6 0k h z o r10 0k h zs w i t c h i n gf r e q u e n c y , t h ec o n t r o l l e rf e a t u r e sa h i g h v o l t a g es t a r t u pl a t e r a l d o u b l ed i f f u s e dm o s ( l d m o s ) w i t hb r e a k d o w nv o l t a g ee x c e e d4 5 0 vw h i c he n s u r e sa c l e a na n dl o s s l e s ss t a r t u ps e q u e n c e t h ec o n v e r t o rh a st h ec a p a b i l i t yo f2 5 0 m ap e a k d r i v ec u r r e n ta n dt h ee f f i c i e n c yo ft h i sc o n v e r t o ri su pt o9 0 i t sc u r r e n t m o d e c o n t r o l l i n gn a t u r a l l yp r o v i d e sg o o da u d i o - s u s c e p t i b i l i t ya n d i n h e r e n tp u l s e b y p u l s ec o n t r 0 1 t h es y s t e mw o r k e da tn o r m a lp w m m o d ea th e a v v l o a d w h e nt h ec u r r e n ts e t - p o i n tf a ll sb e l o wag i v e nv a l u e ，e g t h e o u t p u tp o w e r d e m a n dd i m i n i s h e s ，t h ec o n t r o l l e r a u t o m a t i c a l l y e n t e r st h e s k i pc y c l em o d ea n d p r o v i d e si m p r o v e de f f i c i e n c ya tl i g h tl o a d sw h i l eo f f e r i n ge x c e l l e n tp e r f o r m a n c ei n s t a n d b yc o n d i t i o n s b e c a u s et h i so c c u r sa tau s e ra d j u s t a b l el o wp e a kc u r r e n t ，n o a c o u s t i cn o i s et a k e sp l a c e t h ec o n t r o l l e ra l s oi n c l u d e sa ne f f i c i e n tp r o t e c t i v ec i r c u i t n ， w h i c h ，i np r e s e n c eo fa no u t p u to v e rl o a dc o n d i t i o n ，d i s a b l e st h eo u t p u tp u l s e sw h i l et h e d e v i c ee n t e r sas a f eb u r s tm o d e ，t r y i n gt or e s t a r t o n c et h ed e f a u l th a sg o n e 。t h ed e v i c e a u t o r e c o v e r s f i n a l l y , at e m p e r a t u r es h u t d o w nw i t hh y s t e r e s i sa n dt h ef u n c t i o no f u v l o h e l pb u i l d i n gs a f ea n dr o b u s tp o w e rs u p p l i e s k e y w o r d ：l o wp o w e rd i s s i p a t i o np w mc u r r e n t - m o d es c m f i y b a c k 第一章绪论 第一章绪论弟一早瑁y 匕 本章首先简要分析开关电源变换器和开关电源集成电路产业的发展状况及其 重要性，然后阐述丌关电源技术的研究方向和现状，最后介绍本文的组织结构。 1 1 课题的背景和研究的意义 1 1 1 节约能源的要求 随着经济的发展和科学技术的进步，节约能源、保护环境己被社会各界所重 视。电源是节约能源的重要环节，经过电力电子和电源技术处理之后的电力供应， 节能效果明显。例如家用电器的待机损耗，人们往往不重视，这个耗电相当惊人。 据美国统计，在美国这种损耗每年3 5 5 4 亿美元，德国环保机构调查，在德国这种 损耗每年2 3 亿美元，超过柏林全年用电总和。采用新的节能芯片之后，可把5 1 0 w 的待机损耗降n 1 2 w 甚至0 1 0 5 w 。所以电力电子和电源技术的发展是一个国家 技术进步的重要标志，有的专家预言；人类未来的福祉将经由能源电子技术的突 破而实现【1 1 。 1 1 2 强大的市场需求，始终是丌关电源发展的重要动力 开关电源技术属于电力电子技术，它运用功率变换器进行电能变换，经过变 换电能，可以满足各种用电要求。由于其高效节能可带来巨大经济效益，因而引 起社会各方面的重视而得到迅速推广。 以a c d c 的变换为例，与传统采用工频变换技术的相控电源相比，采用大功 率开关管的高频整流电源，在技术上是一次飞跃，它不但可以方便地得到不同的 电压等级，更重要的是甩掉了体大笨重的工频变压器及滤波电感电容。由于采用 高频功率变换，使电源装置显著减d , t 体积和重量，而有可能和设备的主机体积 相协调，并且使电性能得到进一步提高。开关电源的使用为国家节省了大量铜材、 钢材和占地面积。由于变换效率提高，能耗减少所以降低了电源周围环境的室 温，改善了工作人员的环境。现在我国邮电通信部门广泛采用开关电源，这极大 地推动了它在其它领域的广泛应用。值得指出的是，近两年来出现的电力系统直 流操作电源，是针对国家投资4 0 0 0 亿元用于城网、农网的供电工程改造、提高输 配电供电质量而推出的，它已开始采用丌关电源取代传统的相控电源。国内一些 通信公司如中兴通讯等均已相继推出系列产品。 目前，国内开关电源自主研发及生产厂家有3 0 0 多家，形成规模的有十多家。 国产开关电源已占据了相当市场，一些大公司如中兴通讯自主开发的电源系列产 品已获得广泛认同，在电源市场竞争中颇具优势，并有少量开始出口。 2 低功耗( a c d c ) o a 源脉宽调制电流模式控制器的设计 1 2 开关电源技术的研究现状及展望 l 。2 1 半导体和电路器件是开关电源发展的重要支撑 开关电源变换器最早出现在二十世纪五十年代，只有到了七十年代，随着现 代功率半导体器件发展及其稳定性提高，开关电源变换器才广泛应用【2 1 。可见， 功率半导体器件仍然是电力电子技术发展的“龙头，电力电子技术的进步必须 依靠不断推出的新型电力电子器件1 3 j 。 功率场效应管( m o s f e t ) 哇i 于单极性多子导电，显著地减小了开关时间，因而 很容易地便可达到l m h z 的开关工作频率而受到世人瞩目。但是m o s f e t ，提高器 件阻断电压必须加宽器件的漂移区，结果使器件内阻迅速增大，器件的通态压降 增高，通态损耗增大，所以只能应用于中小功率产品。作为半导体器件的硅材料 “统治”半导体器件已5 0 年有余，硅性能潜力的进一步挖掘是有难度的。有关半 导体器件材料的研究从7 0 年代开始，特别是8 0 - - 9 0 年代以来，砷化镓( g a a s ) 、 半 导体金刚石、碳化硅( s i c ) 的研究始终在进行着。进入9 0 年代以后，对碳化硅的研 究达到了热点。实验表明，应用s i c 的半导体器件其导通电阻只有s i 器件的1 2 0 0 ： 如电压较高的硅功率m o s f e t ，导通压降达3 4 v ，而s i c 功率m o s f e t ，导通压 降小于l v ，而关断时间小于1 0 n s 。实验表明，电压达3 0 0 v 的s i c 肖特基二极管，而 反向恢复时间几乎为零。 一段时间曾认为砷化镓很有希望取代硅半导体材料。现在实验表明，碳化硅 材料性能更优越。s i c 的研究所以滞后于g a a s ，主要原因是s i c 晶体的制造难度太 大，当温度大于2 0 0 0 时，s i c 尚未熔化，但到了2 4 0 0 时s i c 已升华变成气体了。 现在是利用升华法直接从气体状态生长晶体，目自仃的问题是要进步改善s i c 表面 与金属的接触特性和进一步完善s i c 的制造工艺，这些问题预计在5 1 0 年内得到 解决。当应用s i c 制造的半导体器件得到广泛应用时，对电力电子技术的影响将会 是革命性的。 具有各种控制功能的专用芯片，近几年发展很迅速，如功率因数校j 下( p f c ) 电 路用的控制芯片；软丌关控制用的z v s 、z c s 芯片；移相全桥用的控制芯片；z v t 、 z c t 、p w m 专用控制芯片；并联均流控制芯片；电流反馈控制芯片等。功率半导 体器件则有功率集成电路( p o w e ri c ) ，将控制、驱动、保护、检测电路一起封装在 一个模块内。由于外部接线、焊点减少，可靠性显著提高。集成化、模块化使电 源产品体积小、可靠性高，给应用带来极大方便。 1 2 2 开关电源的发展展望 能源在社会现代化方面起着关键作用。电力电子技术是重要的支撑科技，而 开关电源是其中的一个重要方面，有着深远的美好前景。可以预计，下面几个问 第一章绪论 3 题是丌关电源发展的永恒方向：应用技术的高频化；硬件结构的模块化：软件控 制的数字化：产品性能的绿色化。由此，新一代丌关电源产品的技术含量大大提 高，使之更加可靠、成熟、经济、实用 4 1 1 5 】。 ( 1 ) 高频化 为了适应开关电源小型化的需要，首先应提高工作频率。理论分析和实践经 验表明，电气产品的体积重量随其供电频率的平方根成反比地减小。所以当我们 把频率从工频5 0 h z 提高到1 0 0 k h z ，提高2 0 0 0 倍的话，用电设备的体积重量大体下 降至工频设计的3 5 。这j 下是开关电源新技术得以实现功率变频而带来明显效 益的根本原因。由于丌关电源器件工作频率上限的逐步提高，促使许多原来采用 的传统的中、高频设备小型化，带来显著节能、节水、节约材料的经济效益，更 可体现技术含量的价值了。 ( 2 ) 模块化 常见的模块，含有一单元，两单元，六单元，以至七单元，包括开关器件和 与之反并联的续流二极管，实质上都属于“标准”功率模块。近年，有些公司把 开关器件的驱动保护电路也装到功率模块中去，构成了“智能化”功率模块( i p m ) ， 这样缩小了整机的体积，方便了整机设计和制造。实际上，由于频率的不断提高， 致使引线寄生电感、寄生电容的影响愈加严重，对器件造成更大的电应力( 表现 为过电压、过电流毛刺) + 。为了提高系统的可靠性j 一有些制造商开发了“用户专 用”功率模块( a s p m ) ，它把一台整机的几乎所有硬件都以芯片的形式安装到一个 模块中，使元器件间不再有传统的引线相连，这样的模块经过严格合理的、热、 电、机械方面的设计，达到优化完善的境地。它类似于微处理器芯片，再把整个 模块固定在相应的型材散热器上，就构成一台新型的开关电源装置。由此可见， 模块化的目的不仅在于使用方便，缩小整机体积，更重要的是取消传统连线，减 少寄生参数，从而把器件承受的电应力降至最低，提高了系统的可靠性。 ( 3 ) 数字化 在传统丌关电源技术中，控制部分是按模拟信号来设计和工作的。在六七十 年代，丌关电源技术完全是建立在模拟电路基础之上的。但是现在数字式信号、 数字电路显得越来越重要，数字信号处理技术同臻完善成熟，显示出越来越多的 优点：便于计算机处理和控制，避免模拟信号的传递畸变失真，减少杂散信号的 于扰( 提高抗干扰能力) ，便于软件包调试和遥感、遥测、遥调，也便于自诊断、容 错等技术的植入。所以，在八九十年代，对于各类电路和系统的设计来说，模拟 技术还是有用的，特别是诸如印刷板的布图，电磁兼容( e m i ) i h 题以及功率因数修 正等问题的解决，离不开模拟技术的知识，但是一涉及计算机控制，数字化技术 就是离不开的了。 ( 4 ) 绿色化 4 低功耗( a c d c ) 电源脉宽调制电流模式控制器的没计 “绿色化 来源于“没有污染 意思，未受污染的食品被称为绿色食品，未 被污染的环境被称为绿色环境。绿色照明、绿色电器则有两层含义：首先是显著 节电，这意味着发电容量的节约，而发电是造成环境污染的重要原因，所以节电 就可以减少对环境的污染，最大限度地提高负载器件的功率利用效率。传统上， 电源管理i c 供应商一直将关注重点放在管理功率的传递上，即如何为不同的负载 器件分配不同的功率。但现在他们发现这还不够，负载器件的功率消耗也是一个 充满潜力可挖的管理课题，如负载器件在不同工作负荷下不必一律让其处于全速 运行状态，或负载器件在待机和工作状态下不必供应同样的功率，只要管理得好， 就能显著地降低器件功耗；仅此还不够，这些电器还应满足不对( 或少对) 电网产生 污染的条件。事实上，许多开关电源设备，往往会变成对电网的污染源：向电网 注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，电网电压耦合许多毛刺尖峰，甚 至出现缺角和畸变，所以必须对此加以治理。2 0 世纪以来，各种有源滤波器和有 源补偿器方案的诞生，有了多种修f 功率因数的方法。这些为2 1 世纪批量生产各 种绿色开关电源产品奠定了基础。总而言之，丌关电源技术是被应用需求推动向 前的；开关电源新技术的出现又会使许多应用产品更新换代，还会丌拓更多新的 应用领域。开关电源高频化、模块化、数字化、绿色化等“四化”的实现，将标 志着这项技术的成熟。2 l 世纪将是开关电源发展的新世纪。 1 3 本文的组织结构安排 开关电源系统一般包括两大模块，第一个模块是主回路部分，主回路完成能 量的变换和转移，主回路使用的元件只有电子丌关、电感和电容，但这三种元件 的不同组合和连接形成不同类型的开关电源变换器。第二个模块是控制回路，控 制回路对主回路能量转换过程进行有效反馈和控制，使主回路输出满足实际应用 的要求。控制回路比较复杂，早期由分离器件组成，随着大规模集成电路的发展， 现在专用集成电路逐步代替了分离器件集成电路，使电源产品体积小、可靠性高， 给应用带来极大方便。 本课题主要工作是开关电源集成控制器电路的设计，首先对丌关电源系统进 行分析，并以分析的结果为基础，完成一块a c d c 开关电源集成控制器的设计。 ! 本文的结构安排依据课题研究的特点，第一章是绪论，提出了开关电源系统 这一课题的背景、意义，然后论述本课题现在的研究状况及展望，最后简要说明 本文的组织结构安排。 第二章先简要介绍开关电源变换器的原理和结构，然后主要从系统角度对开 关电源变换器中的升压变换器、降压变换器、反激变换器进行稳态工作原理分析， 主要是阐述输入电压、输出电压以及电子开关控制变量d 在不同稳态工作模式下的 相互关系。 第一章绪论 第三章介绍了设计开关电源控制芯片的工作模式、反馈控制系统、控制方法、 电流控制技术的原理特点以及电流控制中常用的电流检测方式。这是系统到芯片 的桥梁，本章内容对下一章芯片设计起重要的指导。 第四章介绍电路新的调制模式s c m ，把s c m 与与p w m 相结合应用于芯片 中，介绍系统电路功能，特点，框图，原理，特性指标。完成开关电源控制芯片 的整体设计和实现，最后对总体电路的仿真结果进行说明。总结该电路的设计工 作。 第五章论述芯片中几个重要子模块的设计，并对这些模块进行仿真，分析结 果，最后对本文的工作进行了总结，并提出自己对该课题今后研究方向的看法。 6 低功耗( a c d c ) 电源脉宽调制电流模式控制器的没计 第二章开关电源变换器的原理和分析 随着社会科学技术的高速发展，电源与人们的关系同益密切，衣食住行离不 开电源，文化娱乐、学习办公、科学研究、工农业生产、国防建设、教育、医疗 卫生、照明、通讯、宇宙探索都离不丌可靠的电源，所以电源技术也越来越被人 们所重视。目前常用的稳压电源分为线性电源和开关电源两大类。线性稳压电源 由于其功耗大，在一些高要求的电子仪器中己逐渐被开关稳压电源所代替，本章 将主要介绍开关稳压电源的结构、特点及工作原型6 j1 7 j 。 2 1 线性稳压电源概述 所谓线性稳压电源，是指在稳压电源电路中的调整管是工作在线性放大区。 其工作过程为：将2 2 0 v 、5 0 h z 的工频电压经过线性变压器降压以后，再经过整流、 滤波和线性稳压，最后输出一个波纹电压和稳定性能均符合要求的直流电压。其 原理方框图如图2 1 所示。 工 整 ：i 圉囱痼m i i j1 0 频 流 变 滤 压 波 器 电 路 - 图2 1 线性稳压电源原理框图 线性稳压电源的优点是： ( 1 ) 电源稳定度及负载稳定度较高： ( 2 ) 输出波纹电压小； ( 3 ) 线路结构简单，便于维修； ( 4 ) 没有开关干扰。 线性稳压电源的缺点是： ( 1 ) 功耗大，效率低，其效率一般只有4 5 。这主要是因为调整管在整个工作 过程中，一直是工作在线性放大区，为了保证输出电压稳定，其集电极与发射极 之间必须承受较大的电压差，导致调整管功耗较大，电源效率很低，调整管本身 的功耗与输出电流成正比。 ( 2 ) 体积大、重量重，不能微小型化。需要体积大且笨重的工频变压器；调整 管的功耗大会使调整管急剧的发热，为了保证管子能正常工作，除选用功率大的 管子外，还必须给管子加上较大的散热片，因此体积大。 ( 3 ) 滤波电容容量较大。由于线性稳压电源的工作频率较低，为5 0 h z ，所以， 第二章开关电源变换器的原理和分析 要降低输出电压中波纹电压的峰峰值，就必须增大滤波电容的容量。 2 2 开关稳压电源概述 2 2 1 开关稳压电源的结构 随着电子技术的迅速发展，对电子仪器和设备的要求是：在性能上，更加安 全可靠；在功能上，不断地增i i ；在使用上，自动化程度要求越来越高：在体积 上，要日趋小型化。而传统的线性稳压电源因其功耗大、体积大已不能满足现代 电子仪器的需求，为此出现了开关式稳压电源，其中的调整管是处于开关状态。 开关电源具有体积小、重量轻、高效节能、输出纹波小和动态响应快等许多优点， 逐步取代线性稳压电源而成为新型基础电源。丌关稳压电源分两大类：交流变直 流( a c d c ) 和直流变直流( d c d c ) 【4 7 8 9 1 叭，图2 2 是其原理框图。 蠢荚叫县h 蓑鎏h 变换器h 臻h 凳曩 直流 输入 雏 ( a ) 直流 输出 商流 输出 ( a ) 交流输入( b ) 直流输入 图2 2 开关稳乐电源基本框图 图2 2 ( a ) 表示从输入交流电源直接整流滤波且有隔离高频变压器的开关稳压电 源的基本框图。从交流电网5 0 h z 、2 2 0 v ( a c ) 或6 0 h z 、1 1 5 v ( a c ) ) 经防电磁干扰 ( e m i ) 电源线滤波器，直接整流、滤波、经变换器将直流电j 压( 2 7 5 v 或1 7 2 v ) 变 换为数十或数百k h z 的高频方波电压，经高频变压器隔离、降压( 或升压) ，再经高 频整流滤波输出直流电压，经取样、比较、放大及控制、驱动电路，控制变换器 中功率开关管的占空比，得到稳定的输出电压。 输入电源为直流电压的开关稳压电源框图如图2 2 ( b ) 所示，经变换器变换为单 极性脉冲电压，再经输出滤波电路，可得到所需的直流电压。同样，也需将输出 电压( 或电流) 经取样、比较、放大及控制、驱动来调整直流变换器中开关管的占空 8 低功耗( a c d c ) l g 源脉宽调制电流模式控制器的设计 比，以便得到稳定的输出电压( 或电流) 。 2 2 2 开关稳压电源的优、缺点 ( 1 ) 功耗小、效率高。在开关稳压电源电路中，开关调整管处于开关状态，频 率一般为几十k h z 至几百k h z 甚至可以做到近几m h z 这使得开关晶体管的功耗很 小，电源的效率可以大幅度的提高，其效率可以达到9 0 以上。 ( 2 ) 体积小、重量轻。从开关稳压电源的原理框图中可以清楚地看到，这里没 有采用笨重的工频变压器。由于调整管上的耗散功率大幅度降低，又省去了较大 的散热片，因此开关稳压电源体积小、重量轻。 ( 3 ) 滤波的效率大为提高，使滤波电容的容量和体积大为减小。( a c d c ) 开关 稳压电源的工作频率目前基本上是工作在几十到几百k h z 左右，是线性稳压电源频 率的1 0 0 0 倍左右，这使整流后的滤波效率几乎也提高了1 0 0 0 倍。即使采用半波整 流后加电容滤波，效率也提高5 0 0 倍。在相同的纹波输出电压的要求下，采用开关 稳压电源时，滤波电容的容量只有线性稳压电源中滤波电容容量的1 5 0 0 1 1 0 0 0 。 ( 4 ) 电路形式灵活多样。例如，有自激式和他激式；有调宽型和调频型；有单 端式和双端式，等等。设计者可以发挥各种类型电路的特长，设计出能满足不同 应用场合的开关稳压电源。 以上是开关稳压电源的优点，虽然优点很多，但是存在较为严重的开关干扰。 开关稳压电源中，功率调整开关晶体管工作在丌关状态中，它产生的交流电压和 电流会通过电路中的其他元器件产生尖峰干扰和谐振干扰，这些干扰如果不采取 一定的措施进行抑制、消除和屏蔽，就会严重的影响整机的正常工作。此外，由 于开关稳压电源振荡器没有工频降压变压器的隔离，这些干扰就会串入工频电网， 使附近的其它电子仪器、设备和家用电器受到严重的干扰。同时还存在电路结构 复杂，故障率高，维修较麻烦等缺点2 ，13 1 。 2 3 原理与分析 开关电源是利用电感、变压器或电容等储能元件来进行能量转换，实现对输 入电压的升压、降压或极性翻转。下面主要介绍降压、升压和反激式三种类型的 开关电源稳态工作原理。1 4 ，1 1 , 1 4 】 2 3 1 升压变换器稳态分析 升压变换器使输出电压高于输入电压，若使用n m o s 管作为丌关，其电路结 构如图2 3 所示。它分为连续工作模式和非连续工作模式。 2 3 1 1 连续工作模式 连续工作模式分为两个阶段：第一阶段为丌关导通阶段，o ，t o n ：第二阶 第二章开关电源变换器的原理和分析 9 段为丌关断开阶段， ，t ，劢丌关周期，为一个周期内的开关导通时间。 + 一 ( 1 ) 开关导通阶段( o ，) 开关导通时n m o s 管源漏间的压降很小，所以二极管反向截止，等效电路如图 2 4 所示，假设电感在此过程未饱和，电流就从i i 到如线性上升，所以 v , = i 矿d i 三警乩等 亿， 口， f f 卜7 t。：lm7(2-2) 屯感储存能量 = 丢( ) 2 = 吾上2 ，。2 ( 2 - 3 ) 在此阶段输出电流完全由输出电容c 提供，所以要选择适当大小的输出电容来 保证足够的充放电时阳i 。 + 岛峙 。 图2 4升乐变换器开关导通等效电路图0 ，t o n ( 2 ) 开关关断阶段( t t ) 第二阶段开始于，= t o n ，等效电路如图2 5 所示。因为电感电流不能突变，为了 保持电感电流的连续性，电感两端电压反向，此时电流流过电源、电感、二极管 d z 、电容c 和负载尺d 。在下一个周期丌关重新导通之自才，电感电流线性下降，电感 通过二极管把储存的能量向电容c 充电，使得输出电压高于输入电压，电感上的电 压玩为 + 略 图2 5 升压变换器开关笑断等效电路幽 ， 丁 1 0 低功耗( h c a x z ) o 巳源脉宽调制电流模式控制器的设计 乩警乩堕t o g ( 2 q 铲卷 ( 2 - 5 ) 因为两个阶段电感纹波电流出相等 = 警= 学锄( 2 - 6 ) 令d 为一个周期内的开关导通占空比，则有= d t 和t o f f = ( 1 一d ) l 将这两个式 子代入式( 2 - 6 ) 便得： k2 高 ( 2 - 7 ) 因为 阳够= 等+ 嵩= 考 p 8 ， = 与半= 嚣 亿9 ， l y ，fl 、。 从( 2 9 ) 式可以看出，址反比于开关频率厂和电感。 开关导通期间，负载电流由电容提供，因此电容电流平均值厶等于输出电流 平均值厶。开关断开期间，电容充电电流从一o ) 到( h 一厶) 线性减小。稳态工作 时，平均充电电流和坳的乘积等于平均放电电流和的乘积，因此输出电压纹波 a v f v f = 如拈i , c , t j _ l ( 2 - 1 0 ) 由( 2 7 ) 得 圪= 忐1d = 黑tt d = 兰t p 。o一一 一， 、7 。等 ( 2 - 1 2 ) 把式( 2 - 1 2 ) 代入式( 2 - 1 0 ) 化简得 觚= 镌掣c = 丝f c ( 2 1 3 ) v n 1 。 输出电压的纹波v d 等于电容电压纹波，所以要减小输出电压纹波，可以通 过提高开关频率或增大输出电容来实现。电感只是作为储能元件而并不是输出滤 波器的组成部分，因此升压蛮换器的输出纹波一般大干降压蛮换器的纹潴。 第二章开关电源变换器的原理和分析 2 3 1 2 非连续工作模式 如果开关在下一个周期导通之前，电感电流下降到零，那么变换器就工作在 非连续模式。假设输入功率等于输出功率的理想情况，临界电感厶为 小鼍笋 p 非连续工作模式第二阶段的等效电路如图2 6 所示，它分为t o ，匕和f 2 乏，t 两 + 忍坫 + 忍 ( a ) ，t 2 ( b ) t 2 ，t 图2 6 升压变换器1 f 连续模式第_ 二阶段等效电路图 种情况( 幻为电感电流为零的时刻) 。在o ， 瘌t o f t 2 期间，电感平均电压分别 为所和( z o ) d 一( 圪一) d ：= 0( 2 1 5 ) 定义d e = ( 沪) 丁，则平均输出电流 卜托枷= 地( 2 - 1 6 ) 平均输入电流等于平均电感电流 i | 。：坚( 2 - 1 7 ) 。 2 e l 把式( 2 1 4 ) 、( 2 1 6 ) 和( 2 1 7 ) 代入式( 2 1 5 ) 得 吩v , v o 一器= 。 ( 2 - 1 8 ) 善：当生些业( 2 - 1 9 )一= - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - - 一 矿2 比较两种工作模式可以看出，两者输出电压上升的速度不同，非连续模式比 连续模式电压上升的速度要快。在相同的占空比d ，非连续模式输出电压比连续模 式要高。 升压变换器开关开始导通时，数倍于稳念电流的浪涌电流会流过开关，所以 要采取措施限制浪涌电流，如果浪涌电流使输入电感饱和，那么只有电源阻抗和 寄生电阻限制浪涌电流，浪涌电流会更大。开关占空比的改变对输出电压的影响 非常敏感，所以必须要设计反馈电路。 1 2 低功耗( a c m k ：) 电源脉宽调制电流模式控制器的设计 2 3 2 降压变换器稳态分析 降压变换器的电路如图2 7 所示，其平均输出电压圪比电源电压所要低，降压 变换器也可以分为连续工作模式和非连续工作模式。 2 3 2 1 连续工作模式 阵_ 举- + l _ ，、! l 7 i 、li + 忍坫 _ _ 图2 7 降压变换器的电路结构图 连续工作模式同样分为两个阶段，第一阶段为丌关导通阶段0 ，t 鲫，第二阶 段为开关断歼阶段 ，7 ，功丌关周期。 ( 1 ) 开关导通阶段( o ，) 开关导通阶段的等效电路如图2 8 所示，假设电感未饱和，输入电压形高于输 出电压，电感电流从i i 至：l j h 线性增加，所以 k v o ：止j ：竽( 2 - 2 0 ) 1 0 nl f l “ 铲黑( 2 - 2 1 ) f = 一 鲫 矿一y 第一阶段电感充电并储存能量。 + 忍1 6 一 图2 8降压变换器开关导通等效电路图0 t ( 2 ) 开关关断阶段t o 玎 ，r 开关关断阶段的等效电路如图2 9 所示，因为电感电流不能突变，为了保持电 感电流的连续性，电感电压反向，二极管导通。 v o ：l 掣：笋 | o l l i 哪 由式( 2 2 0 ) 和( 2 2 2 ) 相等得 ! 笙二匕毖= 兰堑 把t o n = d t 和切：( 1 一d ) 丁代入( 2 2 3 ) ( 2 2 2 ) ( 2 - 2 3 ) 第二章开关电源变换器的原理和分析 圪= v , d 由式( 2 - 21 ) 和( 2 2 2 ) 得 丁= 了1 - = r 。+ ，够= i 乏乞写拿三) v o 厂 ” 叨 ( k k 电感纹波电流的峰峰值 ：! 匕二匕! 竖：d v , ( 1 - d ) l v ,f l 式( 2 2 6 ) 可以看出，, i l l 反比于开关频率和电感值。 整个周期中电容电流的平均值为零，但在充电或放电期间， l n = 兰 所以电容电压的纹波v f 近似为 觚= 抄挚= 豢= 雩罟 + 如聆 ( 2 2 4 ) ( 2 - 2 5 ) ( 2 - 2 6 ) 它的平均值 ( 2 - 2 7 ) ( 2 2 8 ) 图2 9降压变换器开天天断等效电路图t o n ，t 输出电压的纹波等于电容电压纹波v c ，v 口反比于厂2 和c 的乘积，所以要 减小输出电压纹波可以通过提高丌关频率或增大l c 值来实现。l c 构成低通输出滤 波器，合理选择l c 可以决定滤波器的截止频率，同时对于减小输出纹波和毛刺也 有重要作用。比较式( 2 2 8 ) 和( 2 1 3 ) 可以看出，一般降压变换器的纹波比升压变换 器要小。 2 3 2 2 非连续工作模式 和升压变换器一样，如果丌关在下一个周期导通之前，电感电流下降到零， 那么变换器就工作在非连续模式，临界电感 t ：竺! 掣( 2 - 2 9 ) 二j 根据开关断开阶段的等效电路图2 1 0 ，我们同样可以求出电压传输的关系 罟= _ 1 兰彳( 心c ) ( 2 3 0 ) l + l + 4 l ( 1 一d ) l , d 2 、“ 、 。 在非连续模式，同样输入功率下，电感电流的峰峰值要比连续模式大，对开 关晶体管的电流容量的要求就高，所以非连续模式一般在低功率的环境下使用， 1 4 低功耗( a c d c ) 电源脉宽调制电流模式控制器的设计 ( a ) t o n t t 2( b ) t 2 t 0 5 时，电流环会出现不 稳定现象。电流环增益随占空比d 而变，为此需外加周期性斜坡函数补偿，称为补 偿斜坡，这时系统稳定。 平均电流型控制最早应用于功率因数校j 下装置，1 9 8 7 年由b l w i l k i s o n 提出， 并获得专利。图3 5 以a c d cf l y b a c k 丌关变换器为例，给出平均电流控制的电路 框图。平均电流型控制被检测的是初级电感电流厶i ，其平均值表达式为 一1 d i i = ri i d t ( 3 - 1 ) l ! l3 5 平均电流型控制电路 + r oi a 一 增r 厂 r 低功耗( a c d c ) 电源脉宽调制电流模式控制器的设计 一般检测方法是通过积分网络，即在电流误差放大器上并联积分电容。i t l 经积分 后的值【“i l l d t 与龙l 平均成正比。 棚 平均电流型控制技术引用高增益电流误差放大器，电流环的增益带宽特性能 够由补偿网络修正为最佳特性，在低频时增益比峰值电流型大很多。因此，平均 电流型控制使得平均电流与外部可控的电流电平具有很高的准确性，这在高功率 因数校正器中特别重要。此外平均电流型控制不需要斜坡补偿，同时它对噪声不 敏感，当导通脉冲使功率管导通时，震荡斜面已跳入低电平，不会产生比较电平 的干扰。 平均电流模p w m 控制方式的缺点为：第一，电流放大器在开关频率处的增益 有最大限制。第二，双闭环放大器的带宽、增益等参数的设计调节比较复杂。 3 2 4 2 电流控制技术的特点 无论从理论分析或从电路测试都证明电流控制型较电压控制型有不可比拟的 优点，归纳起来主要有如下几点： ( 1 ) 系统具有快速的瞬念响应及高度的稳定性。这可直观的从电路的工作原理 中分析出来，当输入电压或负载变化引起输出电压变化时，必然引起电感电流斜 率的变化。当电压升高时，电流增长变快，反之办然。但只要电流脉冲达到了预 定的幅值，电流控制型就动作，使功率丌关的转换时刻变化，从而控制了功率开 关的占空比。这对输入电压而言，实质上是起了前馈控制作用，即输入电压变化 尚未导致输出电压变化，就由内环产生调节作用。从分析整个系统的瞬态响应可 看出，对于电压反馈外环，电流内环相当于一个受控放大器，外环的瞬态响应速 度仅决定于滤波电容c d 和负载性质，所以整个系统具有快速的瞬态响应。根据图 3 4 可看出，当吩超过圪时，开关就关断，说明电流内环是一个稳定的自激振荡系 统，具有高度的稳定性。对整个系统来说，滤波器l c 对稳定性影响减小，二阶环 节的输出滤波器( c ) 降为一阶环节( o ，即对整个系统而言，除内环外，只有一个 与滤波电容有关的比例积分环节和一个与负载有关的一阶或二阶环节，使得整个 系统具有高度的稳定性。然而在电压控制型中，检测电路对输入电压的变化没有 直接的反映，一直要等到输出电压发生一定的变化后再去调节脉冲宽度，一般要 等5 1 0 个工频周期d 能响应输入电压的变化。电压控制型开关电源经常会因输入电 压的浪涌产生很大的尖峰电流而使功率管损坏。然而电流控制型则可避免这类故 障的发生。 ( 2 ) 逐个检测电流脉冲的幅度，自动平衡变压器中的磁通量。而电压型就很难 做到这一点。 ( 3 ) 很高的输出电压精度。由于系统内在的快速响应及高度稳定性，反馈回路 第三章开关电源变换器的反馈控制系统 增益可比一般p w m 系统的回路增益高很多，而不致造成稳定性和回路增益之间的 矛盾，从而使输出电压具有很高的静态精度。 ( 4 ) 具有内在的对功率开关电流的控制及限流能力。简化了过流保护，电路的 可靠性高。电感电流峰值( 即流过功率开关的峰值电流) 直接受误差放大器输出的电 流给定信号所控制，在任何输入电压和负载的瞬态条件下，功率开关的峰值电流 被限制在一给定值。由于误差放大器具有限幅特性，所以对功率开关的电流具有 限流能力，最大电流正比于误差放大器的限幅值，改变限幅值可改变所限制的最 大电流，使功率开关在输出过载甚至短路时得到保护。 ( 5 ) 对模块式冗余结构并联工作系统具有自动电流分配和均流功能。由于电流 控制的功能，使系统的内环如同一个良好的受控电流放大器，可获得电流的比例 分配，所以使用电流控制的变换器可方便地并联工作，只需将各变换器的输出端 联结在一起，采用其中一个误差放大器，将其输出的电流给定信号加至每个变换 器中电流内环比较器的输入端，就可实现并联，而不需其它的均流措施。 当然电流控制技术也存在一些缺点： ( 1 ) 需要双环控制，增加了电路分析和设计的难度。 ( 2 ) 对于峰值电流控制型，因电流上升斜率不够大，在没有斜坡补偿时，若占 空比大于5 0 ，控制环变得不稳定，抗干扰性能差。 ( 3 ) 因控制信号来自输出电流，功率级电路的谐振会给控制环带来噪声。 ( 4 ) 因控制环控制电流，使负载调整率变差，在多路输出时，需要耦合电感实 现交互调节。 但这些缺点都可以通过采用适当的措施予以解决，而不影响其优势的发挥。 p w m 开关电源变换器通过调整占空比来稳定输出电压，并改变输出功率，但其开 关管的开关频率是固定的。当变换器工作在很高频率时，开关管的工作损耗成为 变换器的主要损耗。在负载变轻，输出功率减小的情况下，由于开关频率固定， 开关损耗固定，所以开关损耗在变换器的功率传输中所占的比例升高，导致变换 器的功率传输效率降低。为了解决这个问题，可以从两个方面入手。一是降低开 关管的丌关损耗，一是降低丌关管的有效工作频率。降低丌关管的开关损耗，可 以采用软开关技术；降低开关管的有效工作频率可以采用频率调制技术( p f m ) 。频 率调制技术通过调整丌关管的工作频率来控制输出电压，但由于其控制脉冲的频 率不固定，所以控制电路比较复杂，谐波比较大且不易实现抑制，所以没有得到 广泛使用。 跨周期调制技术以“定宽定频”的控制脉冲为基础，通过改变有效工作频率 来改变输出功率，而且其控制电路简单，是一种较好的调制方法。本论文将在下 一章对其工作原理和控制电路进行分析研究。 2 4 低功耗( h c d c ) 0 a 源脉宽调制电流模式控制器的设计 3 3 本章小结 本章介绍了单端反激式开关电源变换器的工作模式、反馈控制系统、电流控 制技术的原理，特点等。 通过分析可以看出，p w m 变换器、p f m 变换器等工作模式各有其优、缺点， 并有其各自的使用范围。在实际设计和使用中要结合现场情况应用适合的控制方 法。针对p w m 变换器在负载变轻的情况下效率降低的问题，除了可采用一般的软 开关技术和频率调制技术来解决外，目前还出现了一种新的调制技术：跨周期调 制技术，较好的解决了轻负载条件下变换器效率降低的问题。有针对性的对控制 方法进行创新和研究是直流变换器发展的一个重要方面，各种新方法的提出极大 的推动了直流电源的发展。下一章主要介绍跨周期调制方法，并把跨周期调制方 法与p w m 方法结合应用于芯片设计中。 通过分析还可以看出：电流控制模式与电压控制模式相比在许多方面表现出 它的优越性。由于具有动态反应快、输出电压精度高、增益带宽大、易于均流等 优点，电流控制模式得到了广泛应用。 第四章x d l 2 0 3 控制器的跨周期调制的实现 第四章x d i2 0 3 控制器跨周期调制的实现 4 1 跨周期调制工作原理 脉冲宽度调制p w m 开关电源变换器在大负载工作情况下效率能够很高，然而 在轻负载情况效率则很低，因为它有很大一部分功耗跟负载电流无关，而与开关 频率有关。随着负载下降，交流导通功耗、开关功耗相对提高，变换器总的功耗 逐步逼近固