降压型PWM-DC-DC变换器的仿真研究2012年毕业论文.doc

可编辑修改 J J I I A A N N G G S S U U U U N N I I V V E E R R S S I I TYTY 本本 科科 毕毕 业业 论论 文文 降压型 PWM DC DC 变换器的仿真研究 Simulation and Research of Buck PWM DC DC Convert 专 业 电子信息工程 班 级 xx 姓 名 x x 指导教师姓名 x x 指导教师职称 xx 2012 年 5 月 可编辑修改 目录 第一章 开关电源简介 1 1 1 开关电源的发展 1 1 1 1 国内开关电源发展状况 1 1 1 2 国外开关电源发展状况 1 1 1 3 开关电源发展趋势 2 1 2 研究背景和应用 3 第二章 开关电源基本原理 4 2 1 电源转换技术简介 4 2 2 DC DC 转换器系统 4 2 2 1 boost 型 DC DC 转换器 4 2 2 2 buck 型 DC DC 转换器 5 2 2 3 buck boost 型 DC DC 转换器 6 2 3 电源控制技术 7 2 3 1 PWM 控制 7 2 3 2 PFM 控制 7 2 3 3 PWM PFM 控制 8 2 3 4 PSM 控制 8 2 3 5 开关电源反馈控制 9 第三章 软开关技术 12 3 1 准谐振电路 13 3 1 1 零电压准谐振 13 3 1 2 零电流准谐振 15 3 2 零开关 PWM 16 3 3 DC DC 开关电源性能指标 18 第四章 降压型 PWM DC DC 变换器的研究与仿真 20 4 1 SABER软件仿真平台 20 4 1 1 Saber 软件简介 20 可编辑修改 4 1 3 Saber 软件的应用 21 4 2 仿真电路系统结构与模块 21 4 2 1 主电路设计与参数选择 23 4 2 2 误差放大器 EA 24 4 2 3 比例积分电路 26 4 2 4 PWM 调制电路 28 4 3 系统仿真 29 结 论 31 致 谢 32 参考文献 33 可编辑修改 降压型 PWM DC DC 变换器的仿真研究 专业班级 电子信息工程 2 班 学生姓名 xx 指导老师 x x 职 称 讲师 摘要 我国是一个能源消耗大国又是一个能源匮乏国 随着开发和利用 能源已经达到了 举足轻重 关乎国家兴衰的地位 如何开发新能源 如何改进已知能源并很好的利用能 源已经成为了一个重要的课题 而随着科学技术发展 电子产品日益增长 电源能源的 消耗也与日俱增 由于所有电子产品都需要有电源供电 所以电源管理技术也变得至关 重要 如何做到高功率 低消耗 可靠性 低成本 体积小 输出范围广的电源已经成 为大势所趋 在这样的前提下 研究设计 DC DC 开关电源来节省电源消耗从各个角度来 说都是很有价值的 本文在详细阐述了开关电源基本理论知识的基础上 对降压型 DC DC 变换器 升压 型 DC DC 变换器 升降压型 DC DC 变换器进行分析 并详细描述 DC DC 变换器的四种控 制方式 以及反馈方式 并且针对了同步整流及其发展趋势 以及软开关技术做了介绍 关键词 PWM DC DC 软开关 Simulation and Research of Buck PWM DC DC Convert Abstract China is an energy consuming countries is an energy scarce countries with th e development and use of energy has reached a pivotal relating to the status of national prosperity how to develop new energy sources how to improve the known energy and good u se of energy has become an important issue with the development of science and technolog y electronic products increasing the power consumption of energy increasing due to all electronic products need to have a power supply so power management technology becomes critical and how to do high power low value reliability low cost small size a wide r ange of output power has become the general trend in this context the study design DC D C switching power supply to save power consumption from all angles are value Elaborated on the basis of the switching power supply basic theoretical knowledge th e buck DC DC converters step up DC DC converter buck boost type DC DC converter and a d etailed description of the DC DCconverter of the four control methods and feedback and for the synchronous rectifier and its development trends as well as soft switching techn ology is introduced Key words PWM DC DC Soft switching 1 第一章 开关电源简介 1 1 开关电源的发展 1 1 1 国内开关电源发展状况 我国的电源技术研究 从理论到实验 仿真 与世界水平比较是不低的 在一些方 面还常有突破 但是在产品方面 结构和工艺的差距就明显了 现在看来 我国电源企 业据统计大小有几千家 有条件的企业能实现整机系统集成 全自动化的生产 产品体 积小 具有明显优势 若价格便宜又能大量供货 自然就会占领市场 而那些中小企业 或者被兼并或者自然淘汰 现在我国一些大公司生产的开关电源 性能完全可以和进口产品竞争 因而已有一 定数量的出口 在国内的研究领域已出现了一些可喜的动向 如对 0 8V 50A 电源模块的 开发研究 合理选择优化的电路拓扑是重要的 工艺结构可能更重要 因为如此低的电 压和大电流输出 如果用器件间的导线联接将很难达到技术要求 因此迫使原来作电路 拓扑研究的人不得不考虑器件的更合理布局 同时采用集成的工艺结构 以尽量减小内 部导线的压降损耗 这也说明作电路拓扑研究的人员 要了解和研究系统集成的知识 某些境外公司在国内设置的电源技术研究开发机构 近年来也投入技术力量与资金 成 立了系统集成的有关内容 作为应用基础研究的重点 并加大资助强度 这将对我国电 力电子系统集成的研究起到非常好地导向作用 1 1 2 国外开关电源发展状况 自 20 世纪 50 年代 美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个开关 电源以来 在半个多世纪的发展中 开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源 并广泛应用于电子整机设备中 随着集成电路的发展 开关电源逐渐向集成化方向发展 趋于小型化和模块化 近 20 年来 集成开关电源沿两个方向发展 第一个方向是对开关 电源的控制电路实现集成化 1977 年国外首先研制成脉宽调制 PWM 控制器集成电路 美 国 Motorola 公司 Silicon General 公司 Unitrode 公司等相继推出一系列 PWM 芯片 近些年来 国外研制出开关频率达 1MHz 的高速 PWM PFM 芯片 第二个方向是实现中 小功率开关电源单片集成化 1994 年 美国电源集成公司 Power Integrations 在世界 上率先研制成功三端隔离式 PWM 型单片开关电源 其属于 AC DC 电源变换器 之后相继 可编辑修改 推出 TOPSwitch TOPSwitch II TOPSwitch Fx TOPSwitch GX PeakSwitch LinkSwitch 等系列产品 意 法半导体公司最近也开发出 VIPer100 VIPer100A VIPer100B 等中 小功率单片电源系列产品 并得到广泛应用 目前 单片开关电源已形成了几十个系列 数百种产品 单片开关电源自问世以来便显 示出强大的生命力 其作为一项颇具发展前景和影响力的新产品 引起了国内外电源界 的普遍关注 单片开关电源具有高集成度 高性价比 最简外围电路 最佳性能指标等 特点 现己成为开发中小功率开关电源 精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路 1 1 3 开关电源发展趋势 目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管 开关频率可达几十千赫 采用 MOSFET 的开关电源转换频率可达几百千赫 为提高开关频率 必须采用高速开关器件 对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路 这种工作方式称为谐振开关方式 它可 以极大地提高开关速度 理论上开关损耗为零 噪声也很小 这是提高开关电源工作频 率的一种方式 采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化 开关电源的技术追求和 发展趋势可以概括为以下四个方面 一 小型化 薄型化 轻量化 高频化 开关电源的体积 重量主要是由储能 元件 磁性元件和电容 决定的 因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储 能元件的体积 在一定范围内 开关频率的提高 不仅能有效地减小电容 电感及变压 器的尺寸 而且还能够抑制干扰 改善系统的动态性能 因此 高频化是开关电源的主 要发展方向 二 高可靠性 开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍 因此提高了 可靠性 从寿命角度出发 电解电容 光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿 命 所以 要从设计方面着眼 尽可能使用较少的器件 提高集成度 这样不但解决了 电路复杂 可靠性差的问题 也增加了保护等功能 简化了电路 提高了平均无故障时 间 三 低噪声 开关电源的缺点之一是噪声大 单纯地追求高频化 噪声也会随 之增大 采用部分谐振转换回路技术 在原理上既可以提高频率又可以降低噪声 所以 尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向 四 采用计算机辅助设计和控制 采用 CAA 和 CDD 技术设计最新变换拓扑和最 佳参数 使开关电源具有最简结构和最佳工况 在电路中引入微机检测和控制 可构成 可编辑修改 多功能监控系统 可以实时检测 记录并自动报警等 开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的 高频化的 实现 需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件 发展功率 MOSFET IGBT 等新型高速器件 开发高频用的低损磁性材料 改进磁元件的结构及设计方法 提高滤 波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等 对于开关电源小型化始终产生着巨大的推 动作用 开关电源被誉为高效能电源 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 采用了高频变压器和控制集成电路的开关电源更具有效率高 输出稳定 可 靠性高等特性 是今后电源的发展趋势 1 2 研究背景和应用 目前 国外许多著名 IC 厂家都在大力开发低功耗 高性能 PWM 单片开关电源集成电 路 其中 荷兰 Philips 公司于 2000 年研制成功 TEAl510 的单片 PWM 型开关电源控制芯 片是耳闻目睹的 采用先进的节能技术和制造工艺 被誉为绿色芯片 该系列产品具有 以下特点 1 采用荷兰 Philips 公司专有的高压和低压 Bi CMOS 集成工艺 适合设计 50W 以 下的小功率 小型化 低成本开关电源 2 它属于工作在不连续模式下的 PWM 电压控制型开关电源 开关频率最高达 200Khz 3 其绿色节能特性突出表现在以下几个方面 在空载时的待机功率损耗极低 小于 100mW 内部设计一个谷值开关电路 能把功率开关管导通时由漏极分布电容产生的开关 损耗降至最低 在低功率损耗输出时能自动降低开关频率 使芯片工作在低频模式下 从而减小芯片功率损耗 4 片内集成了一只耐压为 650V 的功率管 5 具有完善的保护功能 开关电源产品的主要特点是体积小 重量轻 效率高 正在向着模块化 扩大输出 电压范围 提高输入端功率因数 抗电磁干扰性强以及附加备用电池的方向发展 在开 关电源领域 正展开一系列的技术更新 例如功率因数的校正 相位调制 高频电源 零电压和零电流转换以及单片式调节器等 所有这些改进 都使开关电源的性能和效率 大为提高 使其应用范围大大拓宽 尤其是在新兴的通信领域大有用武之地 可编辑修改 第二章 开关电源基本原理 2 1 电源转换技术简介 在现代电源应用中 电力电子技术起到承上启下的作用 发电厂生产出来的电能通 常是高压传输的 经过变电所将其变换成标准的交流电压 由于不同负载对电源的要求 不同 很多负载要求的电源都需要加以变换才能应用 因此电力变换技术在实际电力应 用中起到重要作用 在实际电力转换过程中 需要用电力电子器件构成电源变换电路 来实现不同电源之间的转换 基本的电源转换类型有直流 直流 DC DC 变换 直流 交 流 DC AC 变换 交流 直流变换 AC DC 变换和交流 交流 AC AC 变换 2 2 DC DC 转换器系统 2 2 1 boost 型 DC DC 转换器 boost 型 DC DC 转换器是一种升压型 DC DC 变换电路 输出电压大于输入电压 VT 的占空比 Dy 必须小于 1 输入电流连续 图 1 boost 型 DC DC 转换器 boost 变换器的参数计算与器件选择 流过电感 L 的电流最大值 1 s OO LiL Lf UDy Dy I iII 2 1 12 1 max 其中为输入电流 为负载电流 为占空比 为开关频率 i I O I y D S f 开关管 VT 和续流二极管 VD 承受的最大电压为 开关管 VT 和续流二极管 VD 的电 O U 压定额为 2 ODVTUUU 3 2 开关管 VT 和续流二极管 VD 的电流定额为 3 max 2 5 1 LDVTIII 滤波电感的计算 由 可编辑修改 4 sy in LTD L U i 得滤波电感量为 5 L syin i TDU L 滤波电容的计算 如果输出电压脉动很小 则输出脉动电压由下式决定 6 s Oy O Cf ID U 滤波电容量为 7 Os Oy Uf ID C 2 2 2 buck 型 DC DC 转换器 buck 型 DC DC 转换器是一种降压型 DC DC 变换电路 输出电压小于或等于输入电压 输入电流断续 图 2 buck 型 DC DC 转换器 buck 变换器的参数计算与器件选择 流过电感 L 的电流最大值 8 1 2 1 2 1 maxTsDy L RLd RLd UO iLIOIL 其中为负载电阻 为负载电流 为占空比 为开关周期 开关管 VT 和续 Ld R O I y D S T 流二极管 D 承受的最大电压为 开关管 VT 和续流二极管 VD 的电压定额为 in U 9 inDVTUUU 3 2 开关管 VT 和续流二极管 VD 的电流定额为 10 max 2 5 1 LDVTIII 滤波电感的计算 由 11 DyTs L DyUi DyTs L UUi i nOn L 1 得滤波电感量为 12 L in i DyTsDyU L 1 可编辑修改 当 0 5 时 L 最大 y D 滤波电容的计算 电容 C 在一个开关周期内的充电电荷为 13 fs iTsi Q LL 8222 1 输出脉动电压为 14 sLCf UDy C Q U O O 2 8 1 滤波电容量为 15 O O UsLf UDy C 2 8 1 2 2 3 buck boost 型 DC DC 转换器 Buck Boost 型是一种升降压型 DC DC 变换电路 输出电压大于或小于输入电压 输 出电压极性和输入电压极性相反 输入电流断续 图 3 buck boost 型转换器 功率开关管 Vt 导通时 隔离二极管 Vd 因承受反向偏压而关断 输入电源电压 Uin 加在贮能电感 L 两端 电感电流为 16 minL IN LIt L U I 功率开关管导通结束 t ton 时 流过电感中的电流达到最大值 即 17 minmaxLON in LI L U I 功率开关管关断时 电感两端产生反向电压 即下端为正 上端为负 隔离二极管 Vd 因承受正向电压而导通 忽略 Vd 的正向电压降 电感两端的电压即为输出电压 Uo 即 18 dt di LU L O 功率开关管关断期间 电感 L 中的贮能通过负载电阻 RL 和滤波电容 C 释放 iL 由最大值开始下降 19 maxtont L U II O LL 可编辑修改 当 Vt 关断结束 t ton toff 时 电感电流下降到最小值 即 20 off O LLt L U II maxmin 将电感电流的最小值 ILmin 代入 ILmax 表达式中 可得 21 Uin D D Uin tT t Uin t t U on on off on O 1 由上式可见 当占空比 D 大于 0 5 时 输出电压高于输入电压 当占空比小于 0 5 时 输出电压低于输入电压 因此 该电路称为升压 降压型 DC DC 转换器 2 3 电源控制技术 2 3 1 PWM 控制 PWM 控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术 即通过对一系列脉冲的宽度进行调制来 等效地获得所需要波形 含形状和幅值 在采样控制理论中有一条重要的结论 冲量相 等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时 其效果基本相同 冲量即窄脉冲的面积 效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同 上述原理称为面积等效原理 以正弦 PWM 控制为例 把正弦半波分成 N 等分 就可把其看成是 N 个彼此相连的脉冲列所组成的 波形 这些脉冲宽度相等 都等于 N 但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线 各 脉冲幅值按正弦规律变化 如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲 代替 使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合 且使矩形脉冲和相应的正弦波 部分面积 冲量 相等 就得到 PWM 波形 各 PWM 脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变 化的 根据面积等效原理 PWM 波形和正弦半波是等效的 对于正弦波的负半周 也可以 用同样的方法得到 PWM 波形 可见 所得到的 PWM 波形和期望得到的正弦波等效 2 3 2 PFM 控制 PFM 是一种脉冲调制技术 调制信号的频率随输入信号幅值而变化 其占空比不变 由于调制信号通常为频率变化的方波信号 因此 PFM 也叫做方波 FM PWM 是频率的宽和 窄的变化 PFM 是频率的有和无的变化 PWM 是利用波脉冲宽度控制输出 PFM 是利用脉冲 的有无控制输出 其中 PWM 是目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制方式 它的特点 是噪音低 满负载时效率高且能工作在连续导电模式 现在市场上有多款性能好 价格 低的 PWM 集成芯片 如 UCl842 2842 3842 TDAl6846 TL494 SGl525 2525 3525 等 PFM 具有静态功耗小的优点 但它没有限流的功能也不能工作于连续导电方式 具有 可编辑修改 PFM 功能的集成芯片有 MAX641 TL497 等 其基本工作原理就是当输出电压 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 最近几年 PFM 控制方式在开关电源中使用日益增多 具 有以下优点 在轻负载下效率很高 工作频率高 频率特性好 电压调整率高 存在以 下缺点 负载调整范围窄 滤波成本高 2 3 3 PWM PFM 控制 对于额定功率时工作在 PWM 模式的开关电源 也可以通过切换至 PFM 模式提高待机 效率 即固定开通时间 调节关断时间 负载越低 关断时间越长 工作频率也越低 将待机信号加在其 PW 引脚上 在额定负载条件下 该引脚为高电平 电路工作在 PWM 模 式 当负载低于某个阈值时 该引脚被拉为低电平 电路工作在 PFM 模式 实现 PWM 和 PFM 的切换 也就提高了轻载和待机状态时的电源效率 通过降低时钟频率和切换工作模 式实现降低待机工作频率 提高待机效率 可保持控制器一直在运作 在整个负载范围 中 输出都能被妥善的调节 即使负载从零激增至满负载的情况下 能够快速反应 反 之亦然 输出电压降和过冲值都保持在允许范围内 2 3 4 PSM 控制 PSM 调制方式是开关电源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 其工作波为 图 4 PSM 工作波形 目前 PSM 控制方式已经用于开关电源 具有以下优点 在负载较轻时率很高 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 可编辑修改 2 3 5 开关电源反馈控制 开关电源反馈控制可以分为电压模式 PWM 控制器和电流模式 PWM 控制器 开关电源 最初采用的是电压模式 PWM 技术 基本工作原理下图所示 图 5 电压 PWM 工作原理 输出电压 Vo 与基准电压相比较后得到误差信号 VE 此误差电压与锯齿波发生器产生 的锯齿波信号进行比较 由 PWM 比较器输出占空比变化的矩形波驱动信号 这就是电压 模式 PWM 控制技术的工作原理 电压控制模式的优点 1 PWM 三角波幅值较大 脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量 2 占空比调节不受限制 3 对于多路输出电源 他们之间的交互调节效应较好 4 单一反馈电压闭环设计 调试比较容易 5 对输出负载的变化有较好的响应调节 电压控制模式的缺点 1 对输入电压的变化动态响应较慢 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使其更为复杂 3 输出 LC 滤波器给控制环增加了双极点 在补偿设计误差放大器时 需要将主极点 低频衰减 或者增加一个零点进行补偿 4 没有电流反馈信号 而电流模式 PWM 控制技术是针对电压模式 PWM 控制技术的缺点而发展起来的 所谓 电流模式 PWM 控制 就是在 PWM 比较器的输入端直接用输出电感电流检测信号与误差放 大器的输出信号进行比较 实现对输出脉冲占空比的控制 使输出电感的峰值电流跟随 误差电压变化 这种控制方式可以有效地改善开关电源的电压调整率和电流调整率 也 可以改善整个系统的瞬态响应 电流模式 PWM 控制技术的工作原理如图所示 可编辑修改 图 6 电流模式 PWM 控制技术工作原理 电流型 PWM 控制技术主要分为峰值电流控制技术和平均电流控制技术 这两种控制 技术检测并反馈的是一个导通周期内电流变化的峰值和平均值 峰值电流控制技术 峰值电流模式控制是直接控制峰值输出侧电感电流的大小 然 后间接地控制 PWM 的脉冲宽度 因为峰值电感电流容易检测 而且在逻辑上与平均电感 电流大小变化一致 但是 峰值电感电流的大小不能与平均电感电流的大小一一对应 因为在占空比不同的情况下 相同的峰值电感电流可以对应不同的平均电感电流 而平 均电感电流的大小才是唯一决定输出电压大小的因素 当系统 PWM 占空比 D 50 时 固 定频率峰值电流模式控制方式存在着固有的开环不稳定现象 需要引入适当的斜坡补偿 去除不同占空比对平均电感电流大小的扰动 使得所控的峰值电感电流最后收敛于平均 电感电流 当外加斜坡补偿信号的斜率增加到一定程度时 峰值电流模式控制就会转化 为电压模式控制 因为若将斜坡补偿信号完全用振荡电路中的三角波代替 就成为电压 模式控制 只不过此时的电流信号可以认为是一种电流前馈信号 峰值电流模式控制是 双闭环控制系统 外环为电压环 内环为电流环 电流内环是瞬时快速按照逐个脉冲工 作的 在该双环控制中 电流内环只负责输出电感的动态变化 因而电压外环仅需控制 输出电压 不必控制储能电路 因此 峰值电流模式控制具有比电压模式控制大得多的 带宽 峰值电流模式控制 PWM 的优点 1 暂态闭环响应较快 对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快 2 控制环易于设计 3 输出电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相媲美 4 简单自动的磁通平衡功能 5 瞬时峰值电流限流功能 可编辑修改 6 自动均流并联功能 峰值电流模式控制 PWM 的缺点 1 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 2 闭环响应不如平均电流模式控制理想 3 容易发生次谐波振荡 4 对噪声敏感 抗噪声性能差 5 电路结构受限制 6 对多路输出电源的交互调节性能不好 可编辑修改 第三章 软开关技术 开关技术分为软开关和硬开关 其中硬开关的特点为 开关过程中电压 电流均不 为零 出现了重叠 有显著的开关损耗 电压和电流变化的速度很快 波形出现了明显 的过冲 从而产生了开关噪声 开关损耗与开关频率之间呈线性关系 因此当硬电路的 工作频率不太高时 开关损耗占总损耗的比例并不大 但随着开关频率的提高 开关损 耗就越来越显著 Ui S VD L C R S uS iS uVD t0t1 t t t t O O O O a b 关断过程开通过程 图 7 硬开关降压型电路图 图 8 硬开关降压型理想化波形 t 0 u i P 0 u i t u uii P 0 0 图 9 硬开关关断过程 图 10 硬开关开通过程 对应的软开关的特点 软开关电路中增加了谐振电感Lr和谐振电容Cr 与滤波电感 L 电容C相比 Lr和Cr的值小得多 同时开关 S 增加了反并联二极管 VDS 而硬开关 电路中不需要这个二极管 降压型零电压开关准谐振电路中 在开关过程前后引入谐振 使开关开通前电压先降到零 关断前电流先降到零 消除了开关过程中电压 电流的重 叠 从而大大减小甚至消除开关损耗 同时 谐振过程限制了开关过程中电压和电流的 变化率 这使得开关噪声也显著减小 可编辑修改 Ui Cr S VDS Lr VD L C A R S uS uCr iLr uVD t0t1t2t3t4t6t0 t t t t t t5 iS O O O O O a b 关断过程 开通过程 图 11 零电压开关准谐振电路 图 12 理想化波形 u i 0 u i t t 0 u i P 0 u i t t0 u u 图 13 软开关关断过程 图 14 软开关开通过程 3 1 准谐振电路 3 1 1 零电压准谐振 在基本 Buck 变换器电路中加入 Lr Cr 变成并联电容型零电压开关 构成零电压型 准谐振 Buck 变换器 如下图 图 15 零电压型准谐振 Buck 变换电路 可编辑修改 图 16 零电压准谐振工作波形图 零电压型准谐振 Buck 变换器也可分为六个工作阶段 选择开关 VT1的关断时刻为起 始点 t0之前 开关管 VT1处于导通状态 二极管 VD 处于截止状态 Cr上的电压 UCr 0 流 过 Lr的电流为输出电流 Io t0 t1阶段 开关管 VT1在 t0时刻关断 输出电流 Io流过电容 Cr 对 Cr充电 Cr两端 的电压 VCr线性上升 二极管 VD 还是处于截止状态 VD 两端的电压 UD下降 当 VCr上升 到输入电压 Uin时 二极管 VD 两端的电压 UD下降到零 VD 导通 这个阶段结束 t1 t2阶段 t1时刻 VCr Uin UD 0 二极管 VD 导通 电感 Lr和电容 Cr开始谐振 开 关管 VT1上的电压 UCr为正弦波 UCr上升 iLr下降 当 UCr谐振到峰值 iLr下降到零 这 个阶段结束 t2 t3阶段 t2时刻 iLr 0 LrCr继续谐振 iLr改变方向 UCr下降 当 UCr Vin 时 iLr达到反向谐振峰值 这个阶段结束 t3 t4阶段 t3时刻以后 UCr继续下降 iLr反向减小 直到 UCr 0 这个阶段结束 t4 t5阶段 UCr箝位在零 VT1的反并联二极管 VD 导通 iLr反向线性减小 直到 iLr 0 这个阶段结束 这个阶段 VT1在零电压导通 t5 t6阶段 VT1已导通 iLr线性上升 直到 t6时刻 iLr Io VD 关断 一个周期结 束 可编辑修改 调节这个时间段长度可调节输出电压 这种调节方式也是调节开关周期实现调压 不过是 VT1的关断时间固定 不能小于 t0 t4时间段 3 1 2 零电流准谐振 在基本 Buck 变换器电路中加入 Lr Cr 变成串联电感型零电流开关 构成零电流型 准谐振 Buck 变换器 如图 1 29 工作波形如图 1 30 在分析过程中 假定电感 Lf很大 输出电流为恒电流 Io 图 17 零电流型准谐振 Buck 变换电路 图 18 零电流型准谐振工作波形图 t0 t1阶段 开关管 VT1在 t0时刻导通 由于电感 Lr的作用 VT1在零电流下导通 由于 iLr Io iLr 在 Vin 的作用下线性上升 t1时刻 iLr上升到输出电流 Io 这个阶段结 束 t1 t2阶段 t1时刻 iLr上升到输出电流 Io 二极管 D 截止 电感 Lr和电容 Cr开始 谐振 通过开关管 VT1上的电流 iLr近似为正弦波 加在二极管 VD 上的电压和谐振电容上 的电压一样 也是正弦波 其峰值达到两倍的输入电压 iLr上升后下降 ta时刻 iLr下 降到零后 iLr通过 VT1的反并联二极管 VD 继续向反方向谐振 并将能量反馈给输入电源 tb时刻当 iLr再次谐振回到零 这个阶段结束 在 ta到 tb时间段内 VT1是以零电流关断 t2 t3阶段 在这一个时间段 开关管 VT1已断开 二极管 VD 还处于截止状态 输出 可编辑修改 电流 Io通过 Cr流通 电容处于线性放电状态 t3 t4阶段 t3时刻 Cr上的电压为零 二极管 VD 导通 输出电流 Io通过二极管 VD 续 流 电容电压被箝位在零 这时有 iLr 0 VCr 0 这个时间段长度取决于开关周期 调 节这个时间段长度可调节输出电压 这种调节方式是调节开关周期实现调压 也就是调 频调压 VT1的导通时间固定 不能小于 t0 ta时间段 3 2 零开关 PWM 零开关 PWM 转换器可分为零电压开关 PWM 转换器和零电流开关 PWM 转换器 该类 转换器是在准谐振转换器的基础上 加入一个辅助开关管 来控制谐振元件的谐振过程 实现恒定频率控制 即实现 PWM 控制 与准谐振转换器不同的是 谐振元件的谐振工作 时间与开关周期相比很短 一般为开关周期的 1 10 1 5 零电压开关 PWM 下图为零电压开关 PWM 电路图 图 19 零电压开关 PWM 其中 VT1 为主开关管 VT2 为辅助开关管 Lr 与 Cr 分别为谐振电感与谐振电容 下图 为该转换器在一个 PWM 周期内的工作波形 可编辑修改 图 20 零电压 PWM 一个周期工作波形图 ZVS PWM 转换器可以实现恒频控制的 ZVS 而且电流应力小 但电压应力较大 由 于电感串联在主回路中 实现 ZVS 的条件与电源电压及负载的变化有关 零电流开关 PWM 下图为零电流 PWM 转换器电路图 图 21 零电流 PWM 转换器 其中 VT1 为主开关管 VT2 为辅助开关管 VDT1 和 VDT2 分别为与主开关管与辅助 开关管反并联的场效应管的体内二极管 Lr 与 Cr 分别为谐振电感与谐振电容 下图为 该转换器在一个 PWM 周期内的工作波形 图 22 零电流 PWM 一个周期工作波形图 Buck 型 ZCS PWM 电路的最大优点是实现了恒频控制的 ZCS 工作方式 且主开关管 与辅助开关管的电压应力小 在一个周期内承受的最大电压为电源电压 但续流二极管 承受的电压应力较大 最大时为两倍的电源电压 而且由于谐振电感在主电路中 使得 实现 ZCS 的条件与电源电压和负载变化有关 可编辑修改 3 3 DC DC 开关电源性能指标 开关电源设计主要应满足的技术性能指标有 输出 输人电压比 UO UI 输出功率 PO 转换器效率 输出电压纹波 UO 对输入电压源电压 Ui 的电磁干扰 EMI 幅度 的限制等 在进行优化设计时 一般用不等式约束来表示各项性能指标 满足某个不等 式约束 表示设计结果满足与之相应的某个性能指标 在设计开关电源的主电路时 应计算和选择的主要内容有 选择主电路结构形式 选择开关管 晶体管 功率 MOSFET 或 IGBT 及整流二极管的型号及其电压和电流的规格 等 确定输入 输出滤波器形式及参数 选择计算磁性元件 电感 变压器 电流互感 器等 的磁心规格 尺寸 绕组匝数和导线的规格等 以及电容器的选择等 开关电源的控制电路补偿网络设计应满足电源的各项瞬态性能指标 因此它属于瞬 态设计 开关电源的瞬态性能指标有 电源系统的稳定性 快速性 用恢复时间表示 瞬态响应的上冲和下冲 电源的抗扰动性 扰动包括输入电压的瞬态扰动 负载的瞬态 扰动一突加或突减负载 等 由于主电路参数与开关电源瞬态响应性能有较大的关系 因此瞬态设计应在主电路设计完成以后进行 开关电源瞬态最优设计的主要内容包括 选择反馈控制方式 电压反馈或电压 电 流反馈 分别称为单环控制和双环控制 补偿网络 即比例一积分一微分或 PID 放大器 的电路形式 PID 参数的最优设计等 可编辑修改 第四章 降压型 PWM DC DC 变换器的研究与仿真 4 1 Saber 软件仿真平台 4 1 1 Saber 软件简介 Saber 模拟及混合信号仿真软件是美国 Synopsys 公司的一款 EDA 软件 被誉为全球 最先进的系统仿真软件 是唯一的多技术 多领域的系统仿真产品 现已成为混合信号 混合技术设计和验证工具的业界标准 可用于电子 电力电子 机电一体化 机械 光 电 光学 控制等不同类型系统构成的混合系统仿真 为复杂的混合信号设计与验证提 供了一个功能强大的混合信号仿真器 兼容模拟 数字 控制量的混合仿真 可以解决 从系统开发到详细设计验证等一系列问题 其发展历程 1986 年 Analogy 公司开发并推出 Saber 仿真软件 2000 年 2 月 Avanti 公司收购 Analogy Saber 成为 Avanti 公司产品 2002 年 6 月 Avanti 公司 被 Synopsys 并购 Saber 软件再次易主 成为 Synopsys 公司产品 2004 年 10 月 Synopsys 在中国举办 Saber 产品巡回展 并由北京才略科技有限公司作为总代理 开 始了 Saber 仿真软件在中国的全面推广 4 1 2 Saber 软件仿真优势 1 支持自顶向下的系统设计和由底向上的具体设计验证 可以分析从 SOC 到大型系 统之间的设计 在概念设计阶段支持模块化的方框图设计 详细设计阶段可用具体元器 件组成实际系统 2 提供了一个功能强大的混合信号仿真器 支持包括模拟电路 数字电路及混合电 路 混合技术系统设计 3 通过单一的混合信号仿真内核就可以提供精确有效的仿真结果 4 Avant 获得专利的 Calaveras 算法 Calaveras 能使模拟和数字两种算法得到最 大效率的运行 只有在需要时才交互信息 5 Saber 内部采用 5 种不同的算法依次对系统进行仿真 一旦其中某一种算法失败 Saber 将自动采用下一种算法 在仿真精度和仿真时间上进行平衡 保证在最少的时间内 获得最高的仿真精度 6 通过直观的图形化用户界面全面控制仿真过程 可编辑修改 7 可以在各种流行的 EDA 设计环境中运行 采用通用的建模语言 实现信息共享 提供对标准库的支持 8 可以通过对稳态 时域 频域 统计 可靠性及控制等方面的分析来检验系统性 能 9 可以仿真一个实际系统 SABER 的仿真原理图里有相应主电路和控制模块 实际 电路需要程序控制 SABER 中可以将实际系统的控制算法通过 MAST 语言编程完全实现 4 1 3 Saber 软件的应用 Saber 是混合信号 混合技术设计与验证工具 在电力电子 数模混合仿真 汽车电 子及机电一体化领域得到广泛应用 Saber 软件在技术 理论及新产品开发方面保持明显 优势 其大量的器件模型 先进的仿真技术和精确的建模工具为客户提供了全面的系统 解决方案 在并在技术方面不断地完善创新 Saber 包括 Sketch Harness Model Libraries InSpecs CosmoScope 五套工具 用来完成多层次设计 考虑电缆性能 不 考虑电缆性能 数据库 可执行参数设计与仿真精度保障 仿真测试与波形显示等功 能 设计者可以用 Measured Data Datasheets 或是 Saber Plot Files 输入参数来设计 约束条件 简单地实现建模 Saber 的建模工具运用广泛 有可用于电源 机电 磁 热 负载等各种建模工具 Saber 也有独特的设计与验证方法 自顶向下 Top Down Design 设计与 自下而上 Bottom Up 仿真验证方法 在作了建模方法演示 混合 技术设计方法演示 线缆设计 从电气设计到线缆生产 流程演示后 Johnson 演示了单 故障模式仿真调试 关键参数与非关键参数的多故障模式仿真调试 显示了 Saber 仿真 器 Testify 的强大功能 Saber 的典型案例是航空器领域的系统设计 其整个设计过程包含了机械技术 电子 技术 液压技术 燃油系统 娱乐系统 雷达无线技术等复杂的混合技术设计与仿真 从航空器 轮船 汽车到消费电子 电源设计都可以通过 Saber 来完成 Saber 目前在中国的重要合作伙伴有中科院 大唐电信 中芯国际 中兴通讯 艾默 生电源等同时多家高校的实验室 电子研究所 IC 代理商与系统方案提供商 知名国内 汽车生产厂 4 2 仿真电路系统结构与模块 我们根据电压控制模式开关电源的特点 设计了一款降压型电源芯片 它的性能与 具体指标如下 它是一种通用的 BUCK 降压型 DC DC 转换器 采用电压反馈模式控制的 可编辑修改 脉冲宽度调制 PWM 方式 具有负载范围宽 效率高 静态电流小的优点 它的输入电 压为电源电压 1 8V 输出可得到 1V 的稳定电压 芯片主要技术指标为 1 输入电源电压 1 8V 2 输出稳定电压 1V 3 内部时钟频率 100MHz 4 输出电压精度 5 开关电源一个很重要的功能指标就是能在负载变化时 保持输出的稳定 采用电压 控制模式的开关电源 只对输出电压采样并作为反馈信号实现闭环控制 以稳定输出电 压 输出电压与参考电压经误差放大器比较放大后 又经脉宽调制电路比较 并输出占 空比可调的控制信号 再驱动控制用的开关晶体管 使输出电压稳定 下面为基于电压 控制模式的 PWM 开关电源的模块框图与模块功能 模块 1 主电路 实现降压转换 模块 2 误差放大电路 放大输出电压与参考电压的差值 模块 3 比例积分电路 为 PWM 电路提供 Vctrl 模块 4 PWM 电路 产生占空比可调的控制信号 该电路的具体工作如下 由于电路启动时输出电压较低 低于参考电压 此时误差放大 器的输出以一定比例跟踪输出电压 比例积分电路对误差电压进行比例积分运算 脉宽 调制电路会使控制信号的占空比增大 延长开关晶体管的导通时间 电感对电容充电时 间增加 输出电压逐步增加 当输出电压逐渐接近参考电压值时 脉宽调制电路输出信 号的占空比保持稳定 电路输出稳定的电压值 如果输出电压高于 1V 脉宽调制电路会 使控制信号的占空比减小 缩短开关晶体管的导通时间 从而使输出电压减小 并稳定 在 1V 下图为系统内部模块图 可编辑修改 图 23 系统内部模块图 4 2 1 主电路设计与参数选择 主电路负责实现电压转换 其电路图如下图所示 图 24 主电路图 该电路包括一个典型的时钟网络和转换器 一串级联的反相器用作时钟缓冲 Cclk 为时钟网络的电容 时钟为高电平时 Cclk 通过 Mp 充电 时钟为低电平时 Cclk 将通 过 Mn 向地放电 浪费了存储的电荷 同时 M 和 Mn 可以看作降压转换器的开关晶体管 重新利用时钟树的电荷 传输给输出滤波器 最终传至负载 M1 和 M2 组成 ZVS 的延 迟电路 为了精确控制 Mn 和 Mp 的导通 关断时间 用两个单独的反相器取代单个的反 相器缓冲器 为了实现延迟 M1 的栅极与 Vclk 相连 而不与 M2 的栅极相连 因此 与 Vp 相比 Vn 的上升沿延迟了 Tdelay 时间 时间长度取决于 Lf 耗尽 Cclk 的快慢 以及 M1 导通 Vn 上升的快慢 因为 M1 和 Mn 的正反馈设置 Vclk 很快降到零 为了防止 M1 和 M2 在同一时间在 Vm 的上升沿导通 M1 的源极接到 Vp 而不是接到 Vdd 主电路内部 信号的时序图如下图所示 图 25 主电路内部信号时序图 其中 t0 t1 为占空比 D t0 t3 为时钟周期 Tsw t1 t2 为 ZVS 死区 Tdelay 三种工作模式如下 可编辑修改 模式 1 t0 t1 Mp 导通 通过 Mp 驱动负载并给 Cclk 充电 此时 由于电感上的 电压保持不变 所以电感电流线性增加 模式 2 t1 t2 重新利用电荷 Mn 和 Mp 都关断 存储在 Cclk 上的电荷通过电感 向输出回路转移 Cclk 上的电压 Vclk 迅速降低 模式 3 t2 t3 开始于 Mn 上的电压接近于零时 Mn 导通 为电感电流提供低阻通 道 因此 电感电流线性降低 ZVS 发生在 Mn 导通且源漏电压为零时 从而降低功耗 理论上 如果电感电流下降经过零时 Mn 可能被关断 反向电感电流给 Cclk 充电 因此为 Mp 提供 ZVS 操作 因为电感电流不会停止在零 所以转换器工作在连续导通模 式 CCM 工作频率参数的选择要在效率和元件尺寸 电感和电容的尺寸 之间进行权衡 工 作频率较高时允许使用较小的电感和电容 工作频率较低时 内部门充电损耗降低 效 率提高 但要求使用较大的电感或电容 以保持低的输出纹波电压 虽然电感不会影响工作频率 但是电感的值会直接影响纹波电流 所以按照下面式 子选择电感 22 1 in out L OUT V V If V L 电容的选择取决于输出纹波 VOUT 的大小 而纹波大小又由电容 ESR 和电感电流 纹波 IL 决定 所以要选取合适的电容 以最小化电压纹波和负载瞬态值 典型的情况 是 一旦 ESR 的要求得以满足 电容值就足够大以滤波 输出电压纹波 VOUT 由下式 决定 23 8LESROUT LT out IV I C 另外根