高功率密度小功率DCDC模块电源的研究 信息科学与工程学院毕业设计 毕业论文.docx

central south university本科生毕业论文(设计)题 目高功率密度小功率dc-dc模块电源的研究学生姓名指导教师学 院信息科学与工程学院专业班级完成时间2012年5月本科生院制高功率密度小功率dc-dc模块电源的研究目录目 录摘 要iabstractii第一章绪论11.1开关电源的发展趋势11.2功率密度21.3模块电源的关键技术31.3.1开关电源高频化31.3.2软开关技术与同步整流技术31.4本课题研究的目的和内容61.4.1本课题研究的主要目的61.4.2本课题研究的主要内容61.5本文结构7第二章小功率模块电源主电路基本拓扑82.1小功率模块电源基本拓扑的分析82.1.1 降压型变换器82.1.2 反激式变换器82.1.3 正激式变换器92.2主电路选择92.3本章小结11第三章buck型变换器的设计123.1 buck型变换器主电路设计123.1.1输出电感的设计133.1.2输出电容的设计133.2反馈回路的设计143.2.1 3型误差放大器的原理143.2.2应用psim的smartctrl组件设计3型误差放大器163.2.3 buck型变换器的闭环仿真193.3本章小结20第四章软开关电路的分析、设计与仿真214.1组合吸收电路224.1.1 rcd与l的组合吸收电路的原理分析224.1.2 仿真设计与结果分析224.2 buck型zvs-pwm电路244.2.1 buck型zvs-pwm电路的原理分析244.2.2 仿真电路的设计264.2.3 仿真结果与分析274.3应用同步整流技术的buck型zvs-pwm电路304.4本章小结32第五章总结与展望335.1主要完成的工作335.2研究中的不足33结束语35参考文献36高功率密度小功率dc-dc模块电源的研究摘要摘 要近年来开关电源产业发展迅速，开关电源技术在消费电子类电源、通讯领域电源和工业领域电源中得到了广泛的应用，人们对电源高频化、小型化、轻量化、模块化等需求也随之提高，大力推动了开关电源技术的迅速发展。本文主要研究高功率密度小功率dc-dc模块电源拓扑以及提高模块电源功率密度、能量转换效率的方法。通过提高开关频率，减小模块电源无源器件的体积，同时应用软开关技术、同步整流技术减小开关器件的损耗，提高电源效率，以减小散热片的面积，进一步提高电源的功率密度。本文采用powersim公司的psim软件做仿真研究，相比于其他的电力电子仿真软件，其具有仿真速度快、功能模块齐全且可配置性强、容易上手等优点。文中首先对三种常用于小功率开关电源主电路拓扑的基本工作原理和各自的优缺点进行了分析，最后确定以buck型变换器作为模块电源的主电路拓扑。其次，以一个输入512v、输出3.3v/33w并工作在250khz的高频模块电源为目标，对buck型拓扑主电路以及反馈回路进行分析与设计，计算选择相应的元件参数，应用psim软件的smartctrl组件对反馈回路的3型误差放大器进行设计，并通过仿真验证系统的闭环稳定性，分析主开关的电压、电流应力，以此作为之后设计的软开关电路性能分析的基础。再次，针对模块电源高频化带来的“硬开关”损耗高、开关器件工作环境恶劣等问题，引入了组合吸收电路、buck型zvs-pwm电路以及应用同步整流技术的buck型zvs-pwm电路，文中分析了它们的工作原理，并在之前设计的buck型变换器的基础上对上述三种软开关电路的主电路和控制策略进行了设计。通过仿真验证了这三种软开关电路的引入在保证主电路稳定性能的基础上，分别从一定程度上改善了开关器件的工作应力；buck型zvs-pwm电路提供了主开关零电压导通条件，减小了主开关导通时的交叠损耗，很大程度上提高了模块电源的效率；同步整流技术的应用则减小了电路中的传导损耗，进一步提高了效率，使电源的效率达到90%以上。最后，总结全文所做的工作，指出研究中的不足以及下一步的工作。关键词：开关电源 功率密度 模块电源 软开关 同步整流 psimii高功率密度小功率dc-dc模块电源的研究abstractabstractin recent years, with the rapid development of the switching mode power supply industry, the switching mode power supply technology has been widely used in the field of the consumer electronics, communications, industrial power supplies, the demand for high-frequency, smaller, lightweight, and modular, strongly pushes the development of the switching mode power supply technology.this paper mainly studies the high power density and low power dc-dc module power supply topology and the method to improve the power density of power module, as well as the energy conversion efficiency. by increasing the switching frequency, we can reduce the size of passive device in the power module. while the application of soft switch technology, synchronous rectification technique reduces the loss of the switch device, improves the efficiency, and reduces the use of heat sink, further improves the power density. this paper uses the powersim companys psim simulation software, compared to other power electronic simulation software, it has faster simulation speed and more powerful function module, easy to configure and to use, etc.first, analyzed three basic topology of switching power supply circuits commonly used in low power level and discussed their advantages and disadvantages, then determined the buck converter as main circuit topology of the power module.second, use an input 12v, output 3.3v/33w and work in the high-frequency of 250khz module power as example, analyzed and designed the main circuit of buck topology and the feedback loop, calculation and select the appropriate device parameters, then used the smartctrl component of psim to design the feedback loop, and through the closed-loop stability of the simulation system, analyzed the main switch voltage and current stress, as the basis of analysis of the performance of the followed soft-switching circuits.again, the “hard switching” for high-frequency power module costs high losses and worsen the working conditions of switching devices. this paper introduced a combination of snubber circuit, the buck-type zvs-pwm circuit and buck zvs-pwm circuit with sr to solve these problems, and analyzed how they work, then designed them based on previous buck converter and the control strategy of these three soft-switching circuits. the simulation results of these soft-switching circuits show that, on the basis of ensuring the stability of the main circuit, respectively, improve the working stress of the switching devices from a certain extent; the buck zvs-pwm circuits main switch turn-on with zero-voltage, reducing the overlap losses when the main switch turning on, and greatly improve the efficiency of the module power supply; synchronous rectifier technology reduces the conduction losses to improve the efficiency and the simulation result shows the power efficiency is more than 90%.finally, concluded the full essay, and pointed out the lack of research as well as the next step.key words switching mode power supply, power density, module power supply, soft-switching, synchronous rectifier, psimii高功率密度小功率dc-dc模块电源的研究第一章 绪论第一章绪论1.1开关电源的发展趋势开关电源基于现代电力电子技术、控制技术以及器件制造技术等，通过控制电路中半导体电力开关器件的通断比，维持稳定的输出电压、电流或者恒定功率的一种电源，因电源电路中的半导体电力开关器件始终以开关方式工作而得名；它相比于线性调压器，具有体积小、重量轻、输入输出范围广、效率高、发热量低、性能稳定等优点。随着半导体电力开关器件的制造技术、工艺水平的提高及其关键技术的不断发展，开关电源技术在过去30年中取得了飞速的发展。第一代标准化开关电源诞生于20世纪70年代初。20世纪80年代后期，开关电源的成本和控制电路问题等技术难关被攻克后，其已迅速成长为电源中的主流产品。开关电源正处于快速发展阶段，以下是当前开关电源领域的几个重要发展方向：(1) 高频化、小型化、轻量化开关电源的体积、重量主要由电路中的无源元件(如脉冲变压器、电感和电容等)决定，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小这些无源元件的体积。为了提高模块电源的功率密度，必须提高电源工作的开关频率，从而减小电路中无源元件的体积和重量。同样功率的变换器，开关频率越高，每个开关周期储存、传输的能量则可以越小，从而可以减小电感和电容等得参数，选择较小尺寸的元件。(2) 高可靠性与高效率开关电源使用较少的元器件，因此具有高可靠性。电容、光电耦合器、开关管以及其他辅助电路等器件的寿命决定了开关电源的寿命，因此尽可能减少电源中的元器件，提高集成度，降低开关器件的环境应力，有利于提高电源的可靠性。高频化是开关电源发展的必然趋势，然而提高开关频率的同时增加了开关损耗，降低了电源效率，并同时扩大了电磁干扰、噪声提高等问题。应用软开关技术，将成为开关电源的发展方向，采用软开关技术可以将开关电源的转换效率提高到8090%。美国的vicor开关电源公司设计制造了多种ecz软开关直流变换器，其最大输出功率有800w、600w、300w等，相应的功率密度为101.60w/cm3、160.38w/cm3、278.56w/cm3，效率为8090%；日本nemic-lambda公司推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块rm系列，开关频率为200300khz，功率密度为442.45w/cm3，同时应用同步整流技术使整个电路效率提高到90%以上。(3) 模块化模块化是开关电源发展的总体趋势，在电源集成技术的发展进程中，已经经历了电力半导体器件模块化，功率与控制电路的集成化，集成无源元件(包括磁集成技术)等发展阶段。近年的发展方向即将小功率电源系统整合在一块集成电路上，使电源产品功率密度更高，体积更小，散热片面积更小，减小引线长度，同时也减小了寄生参数，在一定程度上了抑制了emi的传导，减少emi滤波器的设计工作。因此，实现了电源电路中所有元器件连同控制部分和保护部分都集成在一个模块中。而针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化，其噪声也必将随着增大，应用软开关技术，在理论上可实现高频化又可降低开关噪声；另外，虽然每年都有大量新颖的电路拓扑被提出，但应用于实际仍存在着诸多技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，使这些技术得到实用化。当前模块电源的主要分为dc/dc，dc/ac，ac/dc三种，其中dc/dc模块占据了绝大部分的市场份额，随着我国通讯、电力系统以及个人数字产品的快速发展，模块电源的应用越来越广。从输出功率来看，dc/dc模块电源产品可在毫瓦到数百瓦之间；从开关频率与模块电源转换效率看，当前凌力尔特(linear technology)公司制造了门类宽泛、具有同步和异步内部开关的高性能降压型开关稳压器产品线，这些稳压器提供了2.25v至30v的典型输入电压能力、4mhz的开关频率以及 96% 的高效运作，这些芯片的应用，使得模块电源的设计过程更加简单，仅需针对稳压器设计小部分外围分立元件即可，缩短了设计周期。模块电源应用广泛，在航空航天、机车舰船、军工兵器、发电配电、邮电通信、冶金矿山、自动控制、家用电器、仪器仪表和科研实验等社会生产和生活的各个领域，尤其是在高可靠和高技术领域发挥重要作用。1.2功率密度功率密度(power density)是指单元体积内的功率大小。考察单节电池、燃料电池、电机等，或者是电源单元或相近的能量转换装置，以瓦每立方米(w/cm3)为单位。功率密度对于空间紧凑的场合下是设备的一个重要参数。提高模块电源的功率密度，让电源产品小型化、轻量化，是模块电源设计者不断努力追求的目标，例如便携式设备的电源设计(如智能手机，平板电脑等)，在增大设备续航时间、提高电源的驱动能力的同时使设备小型化、轻量化，是产品赢得市场青睐的重要手段。提高模块电源产品的功率密度，有以下三种方式：(1) 一是采用先进的电路拓扑和功率变换技术，提高模块电源的工作频率；(2) 二是减小模块电源产品的各部件体积并采用紧凑型工艺结构；(3) 三是改进模块电源产品的热设计，提供半导体电力开关器件良好的工作条件。提高开关频率以提高电源的功率密度，不可避免的要采取措施抑制电路的损耗，故必须提高电源的转换效率，改善器件工作条件，否则增加的辅助电路以及散热片等元器件所占的面积是得不偿失的。1.3模块电源的关键技术1.3.1开关电源高频化提高模块电源的功率密度，使电源小型化，最主要的方法就是提高模块电源的开关频率来减小无源元件的体积和重量。传输同样的能量，提高模块电源的工作频率，则每个周期传输的能量将减小，这样则可以减小储存和传输能量器件的值，反映在实物上则是可以使用体积较小的滤波电容、滤波电感和开关变压器，从而减小模块电源的体积。1.3.2软开关技术与同步整流技术对于传统的pwm变换器，开关器件通常工作在硬开关状态，当开关频率达到1mhz以上时，开关损耗就会变得很严重，需要更大的散热器，这将会抵消由于开关频率提高带来的无源元件体积的减小。硬开关(hard switching)是指开关器件工作在硬开关状态，由于开关器件不是理想器件，在导通时开关管的电压必然有一个下降的时间，同时它的电流也将经历一个上升时间达到负载电流，在这段时间里，电压和电流波形交叠，产生损耗，称之为导通损耗(turn-on loss)。同理，在开关器件关断的时候，电流波形与电压波形同样存在交叠，称为关断损耗(turn-off loss)。在一定条件下，每个周期开关器件的导通、关断损耗是一定的，随着开关频率的升高，总的开关损耗随之升高，电源的效率就降低，同时随着损耗的增加，器件的工作温度将升高，需要更大的散热器。在开关过程中，开关器件承受的di/dt或du/dt较大，由于电路中寄生电感、电容的存在，使开关器件因承受过高的电压或过大的电流(或称为开关浪涌，switching surge)而损坏1 ，同时产生大的电磁干扰(electromagnetic interference，emi)。工作在较高的开关频率，功率mosfet器件输出电容的充放电造成的开通损耗是开关损耗的主要部分。一只漏源极电容为100pf的功率mosfet器件，当它以1mhz的开关频率工作于500v电压时，其开通损耗为，即12.5w。如果以开关频率提高到5mhz时，则开通损耗增加至62.5w2。开关损耗与电磁干扰问题随着开关频率的提高而严重，制约了开关电源的高频化，同时也限制了电源的体积，制约电源功率密度的提高。由此有必要引入辅助电路，软化开关过程，减小开关导通和关断过程的交叠损耗，以及使用传导阻抗更小的器件，以减小其传导损耗。开关电源领域解决这一类问题的主流技术有：(1) 软开关技术在研究和讨论开关电路时，如果不是明确的指出是软开关，一般都是指硬开关而言的。由于“硬开关”电路的不足，引入软开关技术。软开关技术是使功率变换器实现高频化的重要技术之一，它利用谐振的原理, 使开关器件中的电压或电流按照正弦或准正弦规律变化。当开关器件电流过零时器件关断(或使电压降为零时器件开通)，从而减少开关损耗。应用软开关技术，能缓解硬开关导致的严重损耗、容性开通、感性关断、二极管反向恢复以及emi 等问题。根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成全谐振型变换器(resonant converters)、准谐振变换器(quasi-resonant converters，qrc)、零开关pwm变换器(zero switching pwm converters)和零转换pwm变换器(zero transition pwm converters)3。以零电压开关准谐振变换器(zero-voltage-switching quasi-resonant converter, zvs-qrc)为例，主电路图如图1.1所示。由谐振电感、谐振电容和续流二极管组成谐振网络；假设输出电感足够大，则输出电流为恒定值，当主开关由导通转向关断后，谐振电容充电到，此时续流二极管导通，谐振电容与谐振电感发生谐振，电容谐振电压过零点后并反向，为主开关零电压导通提供条件。这种电路的谐振过程与负载电流有关，因此主开关随负载的变化可能承受较大的电压应力，其次零电压准谐振电路由脉冲频率控制，较宽的频率变化范围给电力变压器的优化、输入/输出滤波器的设计以及控制回路的设计带来难度，另外零电压准谐振电路，会因谐振电感和续流二极管的结电容产生寄生振荡，增加开关噪声并可能导致反馈回路不稳定4。在准谐振变换器的基础上，增加一个辅助开关，就可以得到零开关pwm变换器。零开关pwm变换器优于准谐振变换器最重要的一点就是，这种电路可以采用恒定频率的控制方式，即pwm控制。零开关pwm变换器可分为零电流开关pwm变换器(zero-current-switching pwm converters，zcs-pwm)和零电压开关pwm变换器(zero-voltage-switching pwm converters，zvs-pwm)两类，辅助电路分为为主开关提供零电流关断和零电压导通的条件。以buck型zvs-pwm变换器为例，如图1.2所示，这种电路与zvs-qrc电路主开关实现零电压打通的条件完全相同，开关器件和谐振电容、谐振电感的电压、电流应力完全一样，同时在buck型zvs-pwm变换其中，辅助开关也实现了零电压导通4。然而零开关pwm变换器的开关器件通常电压、电流应力很大，因此一般也应用在小功率、低电压、而且对体积和重量要求十分严格的场合，比如宇航电源和程控交换器的dc-dc电源模块56。在准谐振变换器中，谐振电感和谐振电容在参与能量转换的全过程，因谐振的过程导致开关器件上的电压、电流应力较大。在zvs-pwm和zcs-pwm变换器中，谐振元件不是一直工作，但谐振电感与主电路回路串联，其损耗较大，同时零开关pwm电路与准谐振电路具有相同的谐振原理4，故开关器件和谐振电容、谐振电感的电压应力和电流应力与准谐振变换器一致。为了克服这些缺陷，引入了零转换pwm变换器的概念，这类变换器的特点是：采用pwm控制方式，实现恒定频率的控制；辅助电路仅在主开关动作时工作，其他时候不工作，因此减小了辅助电路的损耗；辅助电路不是串联在主电路回路中，而是与主电路回路并联，这样也减小了辅助电路的损耗；辅助电路的工作不会增加开关器件的电压和电流应力，主开关的电压和电流应力很小，基本与去除辅助电路时的变换器电压、电流应力相等，这是与零开关pwm电路最根本的区别5678，这也使得零转换pwm变换器在大功率场合得到广泛应用。零电压转换pwm变换器(zero-voltage-transition pwm converters，zvt-pwm)如图1.3所示。图1.1 buck型全波零电压准谐振变换器图1.2 buck型zvs-pwm变换器图1.3 buck型zvt-pwm变换器(2) 同步整流技术同步整流(synchronous rectification，简称sr)是在20世纪末问世的。它是采用通态电阻极低的专用功率mosfet取代整流二极管以降低整流损耗的一项新技术，能显著提高开关电源在低电压、大电流输出时的效率。高频dc/dc pwm开关变换器的输出通常采用功率整流二极管进行整流，开关变换器对整流二极管管的要求：正向压降小，反向漏电流小，反向恢复时间短等。比较适合的功率整流二极管有pn结双极二极管、快速恢复二极管、超快速恢复二极管、肖特基二极管。对于低压大电流输出的开关电源，为进一步提高其效率，采用传导阻抗小的mosfet作为整流器，要求栅极电压必须与被整流电压的相位保持同步才能完成整流功能，故称为同步整流，减小电路中的传导损耗，提高变换器效率9。在buck型变换器的基础上，应用同步整流技术，如图1.4中电路所示，为主开关管，为同步整流管。导通时起，关断；关断时，导通起续流作用，替代续流二极管，故同步整流管的功率损耗主要包括、的传导损耗及栅极驱动损耗。图1.4应用同步整流的buck型变换器原理图1.4本课题研究的目的和内容1.4.1本课题研究的主要目的本文对高功率密度小功率dc-dc模块电源进行了研究和设计，这些研究是基于提高模块电源的开关频率，达到提高开关电源的功率密度的目的，即开关电源高频化。同时应用开关电源领域主流的技术以解决高频化后引起的开关损耗升高、开关器件应力升高等问题。大多关于应用软开关技术、同步整流技术的文章5678都以原理性的介绍为主，很少提及控制策略的设计和电路的仿真方法，本文主要研究如何应用软开关技术和同步整流技术，以及分析这些软开关电路拓扑的性能，如提高模块电源的能量转换效率、减小模块电源整体损耗、改变开关器件的工作状况等，同时设计相应的控制策略，通过软件仿真来验证所设计的软开关电路拓扑性能。1.4.2本课题研究的主要内容本课题以设计一个输出功率为33w，输入电压/输出电压为10v/3.3v，开关频率为250khz的高功率密度模块电源为目标，研究了小功率低电压输出的模块电源常用的几种主电路基本拓扑，并经过分析，选用了buck型变换器作为模块电源的主电路基本拓扑。在主电路拓扑为buck型变换器的基础上研究了组合吸收电路、zvs-pwm电路以及应用同步整流技术的zvs-pwm电路三种软开关电路，对它们的主电路与控制策略进行了设计，最后通过仿真验证并分析三种软开关电路的性能。本文所做的主要工作包括以下内容：(1) 分析小功率低电压输出的模块电源常用基本拓扑；(2) buck变换器的设计与电路主要器件参数的计算；(3) 分析3型误差放大器原理，并使用psim软件中smartctrl组件对buck型拓扑的反馈回路进行设计；(4) 组合吸收电路的主电路与控制策略的设计、仿真以及各项数据比较与分析；(5) buck型zvs-pwm电路的主电路与控制策略的设计、仿真以及各项数据比较与分析；(6) 应用同步整流技术于buck型zvs-pwm电路，分析应用同步整流技术提高电路的效率原理，并通过仿真验证。1.5本文结构本文内容的安排如下：第一章：本章分析了开关电源的发展趋势和功率密度的定义，提出以高频化提高开关模块电源的功率密度的一般方法以及高频化带来的问题、解决这些问题的主流技术，介绍了本课题的主要目标和作者的主要工作；第二章：本章分析了常用的小功率模块电源的主电路基本拓扑，并以一个目标模块电源作为本文研究的对象，进行了拓扑选择的分析；第三章：本章以第二章所提出的目标模块电源参数为基础，分析了buck型变换器主电路的设计方法，计算了相关的元件参数，应用psim软件中的smartctrl组建设计反馈回路，并仿真验证其稳定性；第四章：本章对几种软开关拓扑进行了分析和设计，应用于模块电源主电路拓扑，以实现软化开关过程、提高电源效率的目的，并使用psim软件对各种电路进行仿真、分析和验证；第五章：总结全文，并针对当前所做工作的不足进行了分析，并指出下一步的工作方向。41高功率密度小功率dc-dc模块电源的研究第二章 小功率模块电源主电路基本拓扑第二章小功率模块电源主电路基本拓扑小功率级别的模块电源输出功率可以是从几毫瓦到几十瓦，输入电压源可以是蓄电池组，也可以是大功率模块电源的输出。随着数字设备的快速发展，模块电源在低压输出的场合广泛应用，通常可以直接贴在印刷电路板上，为以专用集成电路、数字信号处理器、微处理器、存储器、现场可编程逻辑阵列等数字或者模拟集成芯片为负载供电的模块电源，要求的输出电压是相对较低的，对于一个低功耗的微处理器而言，其电压源输入只需要3.3v甚至更低。对于低电压输出小功率模块电源，主电路拓扑选择降压型变换器(buck converter)、正激式变换器(forward converter)和反激式变换器(flyback converter)更为合理。2.1小功率模块电源基本拓扑的分析2.1.1 降压型变换器降压型变换器，即buck型变换器，是一种输出直流电压小于输入主流电压的单管非隔离式pwm dc-dc变换器，它是一种开关电源基本的拓扑结构，其输入与输出共地，主电路由主开关、续流二极管、一个输出电容和一个输出电感组成，结构简单，如图2.1(a)所示。采用buck型变换器，输入电压必须高于输出电压，但输出电压与输入电压的比值不应太大或大小，太大或太小的占空比不利于buck变换器的设计与实现，太大的占空比可能导致跳周，而太小的占空比可能导致开关器件不能充分导通或关断；在实际应用中，多数集成pwm控制芯片的输出占空比是有一定上下限的。buck型变换器中采用普通二极管续流，其传导电阻大，此时电路的损耗很大，故采用传导电阻较小的mosfet代替普通续流二极管，即采用同步整流技术，可以解决传导损耗影响整体效率的问题，应用针对于同步整流的buck型设计的pwm控制芯片，其效率可高达90%以上。由于buck型变换器属于非隔离式变换器，因此没有变压器做输入和输出的电气隔离，可以节省体积，但通常仅适用于单输出的应用场合。2.1.2 反激式变换器反激式变换器的结构如图2.1(b)所示，广泛应用于高压和离线供电电源，通常在低输入电压时最大输出功率为50w。它是一种单管隔离式pwm dc-dc变换器，是一种恒功率输出的开关变换器。反激式变换器不需要输出电感，因此它与其他开关变换器拓扑相比由于对输出电压跟踪性能更好而具有很大的吸引力，而对于多路输出的应用场合与其他拓扑相比的另一个重要优点就是不需要输出电感可以节省体积和成本，提高功率密度。反激式变换器的隔离变压器可以看作是耦合电感，主开关导通时，隔离变压器储存能量，由于同名端相反而次级的二极管承受反向电压不导通，此时负载由输出电容供电；主开关关断时，初级绕组开路，次级绕组感应电动势反向，二极管导通，变压器存储的能量通过二极管释放。由变压器存储的能量是否全部释放可将反激式变换器的工作方式分为连续方式和断续方式。工作在连续方式下，变换器初级输入电流连续，每个周期变压器会残留一定的能量，这部分能量不能转换到负载端；工作在断续方式下，变换器初级输入电流断续，输出电压不仅与占空比有关，并与负载电流也有关，当占空比一定时减小负载电流，输出电压会相应的升高。这两种工作方式在控制策略和电路性能上有很大的不同，大多数小功率级别并需求快速响应的应用场合，反激式变换器工作在断续方式更为合适。2.1.3 正激式变换器正激式变换器的结构如图2.1(c)所示，它是500w以下的中小功率电源应用最普遍的一种拓扑，正激式变换器的拓扑很像buck电路，只需用开关管、变压器和二极管的组合来代替buck型变换器中的主开关即可。正激式变换器也属于单管隔离式pwm dc-dc变换器，变压器绕组的同名端是同相位的，即同名端的电压是同时增大或同时减小的。单端正激变换器的变压器是单相磁化的，磁芯利用率低；每个周期变压器必须复位，否则会发生变压器磁芯饱和现象，因此正激变换器必须设计变压器复位电路。图 2.1 (a)左图，buck变换器拓扑(b)中图，反激式变换器拓扑(c)右图，正激式变换器拓扑2.2主电路选择小功率模块电源的主电路拓扑选择，应在优先考虑体积和变换器效率的基础上考虑其他的因素，这些因素主要有，(1) 输入电压的范围输入电压的最小值决定了是否能采用buck型变换器，当输入电压小于输出电压时，buck型变换器的主开关会一直导通，pwm波将跳周，而最大输出电压为输入电压，不能满足应用的需求；输入电压的最大值决定了开关器件的工作应力，我们知道buck变换器主开关承受的最大反向电压为，反激式变换器主开关的最大反向电压为，正激式变换器主开关的最大反向电压为，其中为变压器的初级绕组匝数，为复位绕组匝数。(2) 输入电压与输出电压的比例输入电压与输出电压的比例影响pwm波占空比，不应使占空比太小或者太大，避免跳周和不能充分导通或关断开关管的问题；另外正激式变换器由于变压器磁芯复位的问题以及工作在断续方式的反激式变换器的能量在开关管关断后需全部输出负载端，它们的占空比不应超过0.5，并需要留有一定的裕值。(3) 是否需要输入与输出隔离如果输入和输出需要电气隔离，则需要采用隔离式变换器。(4) 是否有多路负载应用场合需要驱动多路负载时，需要采用隔离式变换器，输入可以通过变压器与多路输出耦合，在多路负载不需要高精度电源驱动的应用场合下，通常是多路输出为一个主输出和多路副输出的组合，主输出是闭环控制的故精度较高，副输出则是开环的，其精度略低于主输出；如果变压器耦合的多路电源输出不能满足负载对精度的需求，则需要设计多组变换器。由于次级不需要输出电感，故反激式变换器在多路输出的场合可以节省大量的体积。(5) 潜在的损耗源正激式变换器通常使用rcd电路作为变压器的复位电路，这是一种有损的方式，变压器在复位电路的电阻上将能量消耗掉，使磁芯复位，电阻发热较大且降低了电源的效率；在输出级，正激式变换器需要两个二极管整流，对于高频小功率的场合，二极管上的损耗不可忽略，因此正激式变换器较适合中小功率的变换器。反激式变换器和buck型变换器输出级只有一个二极管，那么反激式变换器的损耗主要来自于一个主开关、变压器的损耗以及整流二极管，而buck型变换器的损耗主要来自主开关及续流二极管。本文将以如下参数的dc-dc模块电源为例，研究软开关技术与同步整流技术的工作原理以及对模块电源性能的改善，该模块电源的基本参数如下：(1) 输入：，额定输入电压为(2) 输出：，输出功率：(3) 输出频率：(4) 占空比：d=0.33可知该模块电源的为单输出，输入电压是一般电池组或蓄电池的输入电压范围，故开关管的电压应力不会太大，若设定电源的输入电流也相应较小，对于这样的小功率模块电源参数，三种拓扑都比较合适。正激式变换器潜在的损耗过大，为了使变压器复位，必须设计复位电路，rcd复位电路是有损的，虽然可以采用有源钳位技术能有效的解决这一问题，但对于正激式变换器整体而言，输出级有两个二极管、一个输出电感和一个输出电压，处理同样的输出功率，相比反激式变换器，正激式变换器占用的空间要大很多，故电源的效率、功率密度都要小。反激式变换器输出不需要电感，但对于单输出的反激式变换器，这部分体积与其变压器相比相近，反激式变换器由于其完全不同的两种工作，使得反馈回路设计复杂，且理论上次级不能开路，否则会产生过大的输出电压；反激式变换器是恒功率输出的，其断续方式适合于要求恒定电流输出的应用，而连续方式适合于恒定电压输出的应用，模块电源的输出电压要求是3.3v的恒定电压，故应采用适合恒定电压输出的连续方式，而因连续工作方式本身的特性(其传递函数具有右半平面零点)，必须大幅减小误差放大器带宽才能使反馈回路稳定10，并且反激式变换器没有输出电感，故输出电压的纹波较大，为了减小输出电压的纹波，必须增大输出电容的值，则必须使用较大体积的电容。相比前两者，buck型变换器的设计简单，主电路使用的元器件较少，产生损耗的源主要来自于主开关和续流二极管。从该模块电源的参数看，占空比、输入电压范围以及主开关可能承受的电压、电流应力将在一个合理范围内，且buck型变换器的输出电压纹波较小，可以控制到很高的精度。市面上有很多针对于小功率模块电源的集成控制芯片都是基于buck型拓扑的，提供了很好的设计支持，通常驱动同步整流的buck型变换器控制芯片能在较高频率下(如2.4mhz)把电源的效率做到90%以上甚至95%，这样有利于减小元器件的损耗，缩小模块电源的体积，提高电源的功率密度。2.3本章小结本章分析了小功率模块电源常用的三种主电路基本拓扑工作的基本原理以及各自的优缺点，以一个输入5到12v、单输出3.3v/33w的模块电源参数为研究的对象，从三种主电路拓扑的特性分析是否适用于该应用场合，最后确定使用buck电路作为模块电源的主电路拓扑。高功率密度小功率dc-dc模块电源的研究第三章 buck型变换器的设计第三章buck型变换器的设计buck型变换器的设计包括两部分内容，即主电路部分和反馈部分。主电路部分需要对输出电感l和输出电容c两个主要的元件进行计算求值，并选择与市场上值相近的标准元件。为使buck型变换器的输出电感工作在连续模式，电感的取值依赖于输出电流的最小值，对于buck型变换器而言即最小负载电流；输出电容的取值由所要求的输出电压纹波决定。反馈部分采用电压模式，相比于电流模式的反馈回路，电压模式的设计简单，常用于输出电流较大的应用场合，在仿真中采用分立元件组成的误差放大器实现，针对于闭环系统的仿真而设计，维持输出电压稳定。实际模块电源设计中常采用集成pwm控制芯片来实现对电源输出电压的反馈控制，这样可以同时达到减小模块电源体积、增强性能、简化设计过程等目的，在仿真软件中通常没有这一类的控制芯片模型，故本文中对电路性能的仿真分析只能采用由分立元件组成的控制器，只为达到控制闭环电路系统稳定的目的。一般由分立元件组成的开关电源反馈回路有2型误差放大器、3型误差放大器和pi控制器等，其中2型误差放大器是针对输出电容是通常的等效串联电阻(equivalent series resistance，esr)的铝电解电容而设计的，3型误差放大器则是针对零esr的输出电容。开关器件的选择，应注意适合模块电源的工作频率。小功率级别的模块电源一般采用电压驱动型的开关器件，如igbt和mosfet，它们的最小开关周期是导通延时、导通时间、关断延时和关断时间的总和。一般igbt容量较大，能承受的电压与电流应力也相应较大，但由于igbt正常工作频率仅在几十khz的频率范围之内，不能工作在开关频率为几百khz的应用场合；mosfet一般容量较小，承受电压与电流应力也相应较小，随着mosfet元件性能的不断提升，可稳定的工作在几mhz的高频下，适合作小功率高频模块电源的主开关器件。3.1 buck型变换器主电路设计假设buck型变换器工作在连续模式下，即输出电感的电流连续。主开关导通时，续流二极管关断，输出电感上的电压为vin-vo；主开关关断时，续流二极管导通，输出电感上的电压为，则根据伏秒数守恒原理，对于输出电感纹波电流有，其中为变换器工作周期，为电感电流纹波。由式(3.1)、(3.2)可得输入输出电压比为，vo=vind (3.4)其中d为pwm波占空比，在额定输入电压为10v的条件下，有d=vin/vo=0.33；最小的占空比dmin=0.275，最大占空比为dmax=0.667。3.1.1输出电感的设计根据式(3.3)可推导输出电感纹波公式如下，在buck变换器中，由于电感接输出级，则输出电流与输出电感电流、输出电容电流的关系为，在一个周期内的平均值为零，有，则对于buck变换器，平均输出电流与平均电感电流相等。在计算临界电感时，有，并且此时的。那么，输出电感的临界值为，带入数值，假设使电感电流连续的最小负载电流为，可得，取，则输出电感电流纹波最大值为，当主开关导通时，主开关所流过的电流即输出电感电流，那么主开关和输出电感所流过的最大电流为。可以选择4.7uh/12a的电感作为输出电感；选用mosfet作为主开关，则其最大承受电流应高于25a。3.1.2输出电容的设计对于电容、电感的充放电过程，在一个周期内必然是要相等的，且均等于半个周期，那么d必须小于0.5。对于电容，半个周期内的充电电流，则，vct=vc0+1c0t2ic(t)dt (3.8)其中为输出电压纹波，即输出电容上电压纹波。那么输出电容的公式为，带入数据，令输出电容电压纹波，可得，取c=33uf。由于电容与负载并联，则电容纹波即输出电压纹波。同时输出电感l与输出电容c构成一个低通滤波器，决定了输出滤波器的截止频率，且决定输出电压纹波。3.2反馈回路的设计3.2.1 3型误差放大器的原理为在仿真时实现闭环控制，必须设计误差放大器实现对主开关的pwm控制。仿真中使用分立元件所组成误差放大器作为误差信号的反馈，后级接三角波信号发生器，两者相比较得到用以驱动开关器件的pwm信号。而在实际的应用中多采用集成控制芯片，这些集成电路将有更稳定的优化的控制算法、软启动、多路开关驱动、体积小、设计流程简明等优势。buck型变换器的后级输出可看成是一个lc滤波电路，其增益曲线在转折频率点以-2的斜率下降，如图3.1所示。图 3.1 buck型变换器拓扑输出lc滤波器及其增益曲线10大多数铝电解电容都含有esr，许多电容制造的产品目录表明，此类电容的，因此，使用常规的铝电解电容时，减小输出纹波的方法只能是减小esr，即增大输出电容c的值，这样会增加电容的尺寸，不宜采纳10。另外一些电容制造厂商以较大的成本生产出零resr的铝电解电容，以满足输出电压纹波较小的应用场合。使用这种零esr电容的电路对设计反馈回路会造成较大的影响。对于零esr的电容，lc滤波电路的增益特性曲线在转折频率后，一直以-2的斜率下降。在期望的穿越频率fco点处，误差放大器的增益仍然要等于lc输出滤波电路在fco的相反数。但是为了系统的开环增益曲线能以-1斜率穿越fco点，误差放大器的增益曲线在频率fco的斜率必须为+1。并且，误差放大器在低频段有足够的增益，否则就不能有效的减小