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48.小灵通基站的开关电源设计,毕业设计
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小灵通基站的开关电源设计 1 第 一 章 绪论 1.1 引言 开关电源是在电子、通信、电气、能源、航空航天、军事以及家电等领域应用非常广泛的一种电力电子装置。它具有电能转换效率高、体积小、重量轻、控制精度高和快速性好等优点，在小功率范围内基本上取代了线性调整电源，并迅速向中大功率范围推进，在很大程度上取代了晶闸管相控整流电源。开关电源技术是目前中小功率直流电能变换装置的主流技术。但是开关电源的设计工作较为繁琐，难度大。 目前国内开关电源的设计欲量过大，设计过程中对产品工作状况和实际性能的预见性较差。开关电源技术在迅速的向前发展，为了能够在 理解基本原理的基础上进行再创造，我们应该对开关电源技术有个整体概念的把握及其发展趋势的预测，从而提高自己的设计水平，最终提高产品的质量 1 。 1.2 研究背景 开关电源的前身是线性稳压电源。在开关电源出现之前，许多控制设备的工作电源都采用线 性稳压电源。 由于计算机等电子装置的集成度不断增加，功能越来越强，他们的体积却越来越小，因此迫切需要体积小、重量轻、效率高、性能好的新型电源，这就成了开关电源技术发展的强大动力。 新型电力电子器件的发展给开关电源的发展提供了物质条件。在 20世纪 60年代末，巨型晶体管（ GTR）的出现，使得采用高工作频率的开关电源得以问世，那时确定的开关电源的基本结构一直沿用至今。后来随着 功率 MOSFET的应用，开关电源的频率进一步提高，使得电源体积更小，重量更轻，功率密度进一步提高。在 20世纪 80年代， IGBT的出现让仅适用于小功率场合的开关电源在中大功率直流电源也得以发挥。在 20世纪 80年代后 20年为了解决因开关频率提高而引发的电磁干扰问题，出现了软开关技术开关电路。随后在 20世纪 90年代，为了提高开关电源的功率因数， 出现了功率因数校正技术（ PFC）。 目前除了对直流输出电压的纹波要求 极高的场合外，开关电源已经全面取代了线性稳压电源，主要用于小功率场合。例如：计算机、电视机、各种电子仪器的电源。在许多中等容量范围内，开关电源逐步取代了相控电源，例如：通信电源领域、电焊机、电镀装置等的电源 2 。 1.3 开关电源的发展 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 2 开关稳压电源取代晶体管线性稳压电源已 有 30 多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后来脉宽调制（ PWM）控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到 PWM开关电源，它的特点是用 20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制 （ PWM） 开 关电源效率可达 65 70，而线性电源的效率只有 30-40。在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。线性电源工作于工频，因此用工作频率为 20kHz的 PWM 开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为 20kHZ革命 3 。 随着 ULSI芯片尺寸不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻量化的电源。因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。此外要求开关电源效率要 更高，性能更好，可靠性更高等。 从我国开关电源的发展过程可以了解国际开关电源发展的一个侧面，虽然一般说来，我国技术发展水平与国际先进水平平均有 5 10 年差距。 70年代起，我 国 在黑白电视机，中小型计算机中开始应用 5V， 20-200A， 20kHZ AC DC开关电源。 80年代进入大规模生产和广泛应用阶段，并开发研究 0.5 5MHz准谐振型软开关电源。 80年代中，我国通信（如程控 交换机）电源在 AC DC及 DC DC开关电源应用领域中所 占 比重还比较低。 80年代末我国通信电源大规模更新换代，传统的铁磁稳压 -整流电 源和晶闸管（ Thyristor，原称可控硅元件）相控稳压电源为大功率（ 48V， 6kw） AC DC 开关电源（通信系统中常称为开关型整流器 SMR）所持代；并开始在办公室自动化设备中得到应用。工业应用方面，在锅炉火焰控制，继电保护，激光，彩色 TV，离子管灯丝发射电流调节，离子注射机，卤钨灯控制等系统中均有应用。 90年代我国又研制开发了一批新型专用 开 关电源，典型例子如下： 1.卫星开关电源。东方红三号通信卫星、风云一号、二号气象卫星均应用了开关电源。特点是：多路输出，不可维修性，要求长期不改变性能，设置冗余模块， 可靠性高， EMC 满足空间环境条件，高 效率、质量 轻 、体积 小。 2.远程火箭控制系统的 DC DC开关电源，要求发射过程中高度可靠。 3.1000kW牵引变流器 4500V 1200A GTO门控 250W开关电源。 4 .40kW固体脉冲激光器的软开关电源。用 4台 10kw全桥多谐振 ZVS变换器并联。 5焊机用双 IGBT管正激 式 电压转换一脉定调制（ ZVT PWM）软开关电源。输出 20kW， 500A，开关频率 40kHZ，效率 92。特点是负载大范围变化频繁，工作环境恶劣。要求电源冲击电流小，动态特性好，无过冲，负 载 不 影响软开关性质。 6.变电所在流操作系统开关电源。供继电保护和自动装置及蓄电池充电用。代替晶闸管调压系统，输出 10A， 180 286V。主开关管用 IGBT或功率 MOSFET。 7.单相和三相高功率因数整流器（有源功率同数校正器）。 可以看出 20-30年中，我国开关电源的应用领域和技术性能有很大进展，这与因家基础工业和国力增强有密切关系，也和国际先进开关电源技术影响有关。充分显示了中国电源技术人员的聪明才智和艰苦奋斗的创业精神。 90 年代，中小型（ 500W 以下） AC DC 和 DC-DC 开关电源的特点是：高 频化（开关频nts小灵通基站的开关电源设计 3 率达 300 400kHZ）以达到高功率密度，体小量轻；力求高效和高可靠；低成本；低输出电压（ 3V ； AC输入端高功率同数等。在今后 5年内仍然将沿这些方向发展。主要技术标志从技术上看，几十年来推动开关电源性能和技术水平不断提高的本要标志是： 1.新型高频功率半导体器件的开发使实现开关电源高频化有了可能。 如功率 MOSFET 和 IGBT 已完全可代替功率晶体管和晶闸管，从而使中小型开关电源下作频率可达到 400kHZ（ AC DC）和 1MHZ（ DC-DC）的水平。超快恢复功率二极管， MOSFET同 步整流技术 的开发也为高效低电压输出（例如 3V）开关电源的研制有了可能。现正在探索研制耐高温的高性能碳化 转 功率 半 导体器件。 2.软开关技术使高效率高频开关变换器的实现有了可能。 PWM开关电源按硬开关模式工作（开关过程中电压 下 降上升和电流上升下降波形有交叠），因而开关损耗大。开关电源高频化可以缩小体积重量，但开关损耗却更大了（功耗与频率成正比）。为此必须研究开关电比电流波形 交叠 的技术，即所谓零电压（ ZVS）本电流（ ZCS）开关技术，或称软开关技术（相对于 PWM 硬开关技术而言），小功率软开关电源效率可提高到 80-85。 70 年代谐 振 开关电源奠定了软开关技术的基础。以后新的软开关技术不断涌现，如准谐振（ 80年代中）全桥移相 ZVS PWM，恒频 ZVS PWM ZCS PWM（ 80年代末）ZVS PWM有源钳位； ZVT PWM ZCT-PWM（ 90 年代初）全桥移相 ZV ZCS PWM（ 90年代中）等。我国已将最新软开关技术应用于 6Kw 通信电源中，效率达 93%。 3.控制技术研究的进展。如电流型控制及多环控制，电荷控制，一周期控制，功率因数控制， DSP 控制；及相应专用集成控制芯片的研制成功等，使开关电源动态性能有很大提 高，电路也大幅度简化。 4.有源功率团数校正技术（ APFC）的开发，提高了 AC DC 开关电源功率因数。 由于输入端有整流 -电容元件， AC DC 开关电源及一大类整流电源供电的电子设备（如逆变器， UPS）等的电网测功率团数仅为 0.65， 80 年代用 APFC技术后可提高到 0.95 0.99，既治理了电网的谐波 “ 污染 ” ，又提高了开关电源的整体效率。单相 APFC 是 DC DC开关变换器拓扑和功率因数控制技术的具体应用，而三相 APFC 则是三相 PWM 整流开关拓扑和控制技术的结合。 5.磁性元件新型磁材料和新型变压器的开发。 如集成磁路，平面型磁心，超薄型（ Low profile）变压器；以及新型变压器如压电式，无磁心印制电路（ PCB）变压器等，使开关电源的尺寸重量都可减少许多。 6.新型电容器和 EMI 滤波器技术的进步，使开关电源小型化并提高了 EMC 性能。 7.微处理器监控和开关电源系统内部通信技术的应用，提高了电源系统的可靠性。 90年代末又提出了新型开关电源的研制开发，这也是新世纪开关电源的发展远景。如：用一级 AC DC 开关变换器实现稳压或稳流，并具有功率因数校正功能，称为单管单级（ Single Switch Single Stage）或 4S 高功率因数 AC DC开关变换器；输出 1V， 50A的低电压大电流 DC DC变换器，又称电压调节模块 VRM，以适应下一代超快速微处理器供电的需求；多通道（ Multi Channel 或 Multi Phase）DC DC开关变换器；网络服务器（ Server）的开关电源刊可携带式电子设备的高频开关电源等 4 。 1.4 开关电源的性能指标 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 4 开关电源的性能指标分为两种，一种是特性指标，一种是质量指标。 1.4.1 特性指标 (1)输 入电压及其变化范围。 (2)输出电压 Uo及其输出电压 调节范围 Uomax Uomin。 (3)额定输出电流 Iomax (指电源正常工作时的最大工作电流 )。 1.4.2 质量指标 (1)稳压系数 Sr 指在负载电流、环境温度不变的情况下，输人电压 Ui 变化 10时引起输出电压 Uo的相对变化量。 (2)电流调整率 Si 当输人电压及环境温度不变时、输出电流 Io从零变化到最大时，输 出电压的相对变化量称为电流调整率。 (3)输出电阻 (也称内阻 )Ro 当输入电压、环境温度一定时，由于负载电流变化引起输出电压变化，把输出电压的变化与输出电流的 变化的比称为输出电阻。其大小反映了稳压电源带负载能力的大小， Ro值越小，带负载能力越强。 (4)温度系数 ST 指输人电压、输出电流不变的情况下，稳压电路在周围环境温度变化时所引起的输出电压的变化。 (5)纹波电压和纹波抑制比 叠加在输出电压 Uo上的交流分量称为纹波电压。纹波抑制比定义为稳压电路输入纹波电压峰值 UiPP 与输出纹波电压峰值 UoPP 之比，用对数表示；201g(UiPP UoPP)(dB)。纹波抑制比表示稳压电路对其输入端引入的交流纹波电压的抑制能力。 (6)效率 指输人、输出为额定值时，其 输 出功率与输入有效功率之比值 4 。 1.5 我国目前常用的电源标准介绍 国际电工委员会（ IEC）已经制定了一些有关电源的标准，如直流稳定电源标准：IEC478.1 1974直流输出稳定电源术语； IEC478.2 1986直流输出稳定电源额定值和性能； IEC478.3 1989直流输出稳定电源传导电磁干扰的基准电平和测量； IEC478.4 1976直流输出稳定电源除射频干扰外的试验方法； IEC478.5 1993直流输出稳定电 源电抗性近场磁场分量的测量。这一套标准颁布实施的时间较早，我国相应的国家标准尚未颁布。而有关直流稳定电源的电子行业标准 SJ2811.1 87通用直流稳定电源术语及定义、性能与额定值、 SJ2811.2 87通用直流稳定电源测试方法已发布实施 13年了。长期以来，这两份标准对我国直流稳定电源的科研生产起到了很大的作用。 国际电工委员会（ IEC）于 1980 年颁布了 IEC686 80交流输出稳定电源，参照该nts小灵通基站的开关电源设计 5 标准制定的我国国家标准 GB/T交流输出稳定电源通用规范已经报批完成，该标准中的术语、技术要求及 试验方法参照了 IEC686，除此之外，又增加了环境试验要求及试验方法、质量评定程序、标志、包装、运输、贮存等要求，使其成为一个能指导交流电源研制全过程的一个完整的技术规范。 1994年，原电子工业部颁布了电子行业标准 SJ/T10541 94抗干扰型交流稳压电源通用技术条件和 SJ/T10542 94抗干扰型交流稳压电源测试方法，该标准由中国电源学会交流稳定电源专业委员会及国内相关的电源生产厂、所及检测机构等负责编制，对普通型和抗干扰型交流稳压电源的技术要求、环境要求及相应的试验方法、质量检验 规则等都做了详细的规定。该标准发布实施以来，在交流稳压技术领域得到了广泛的应用。 其它一些标准，如与 IEC443 1974测量用稳定电源装置对应的我国电子工业部标准 SJ/Z9035 87测量用稳定电源装置等也在一定范围内得到了应用。 近些年兴起的开关电源及不间断电源，我国也制定了相应的国家标准，如 GB/T14714 93微小型计算机系统设备用开关电源通用技术条件、 GB/T14715 93信息技术设备用不间断电源通用技术条件等，在相关的领域中应用也十分广泛 6 。 1.6 本文主 要研究内容 本文通过对开关电源的控制方法和设计过程中所应用技术的综合分析各种后，选用了合适的开关电源设计元件，设计了一个开关电源适配器，其目的是将输入为 90-270V、50/60Hz 的交流电输入转换成 27V、 3A 的直流电输出，使其能提供给小灵通基站一个稳定输入。在设计中主要采用了脉宽调制、全桥整流、自锁保护、电磁兼容等技术，应用了控制芯片 SG6848、三 可调分流基准源 TL431、光耦合二极管 PC817、 施密特触发器74V1G14STR 和 整流 二极管 、稳压二极管 以及 功率 MOSFET 等。 并在开关电源电路中加入了 一个施密特触发器电路实现电网掉电检测功能。 在电源设计完成后，对开关电源电路的性能参数进行了测试。 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 6 第 二 章 开关电源的电路及控制方法研究 2.1 开关电源的基本组成 开关稳压电源的种类很多 ,以串联型稳压电源为例简要说明。图 2-1 是串联则开关稳压电源的基本电路 .其中 ,图 2-1 是基本主电路，图 2-2 是方框图。开关晶体管 VT 串 联在输入电压 Ui与输出电压 Uo之间。当晶体管 VT 的基极输入开关脉冲信号时，晶体管 VT则被周期性地开关，即轮流交替处于饱和导通截止。假定晶体管 VT 为理想开关。则晶体管VT 饱和导 通时集 射极之间的压降近似为 0，输入电压 Ui，经 VT 加至输出端；反之，在晶体管 VT 截止期间，输出为 0。晶体管 VT 经周期性开关后在输出端得到脉冲电压。且经滤波电路可得到其平均直流电压，因为输出电压 Uo（ ton/ Ts)。式中， ton 为开关导通时间， Ts 为开关工作周期。由此可见，串联开关稳压电路可通过改变开关脉冲的占空比，即开关导通时间 ton来控制输出直流电压值。 图 2-1 串联型开关电源的基本主电路 图 2-2 串联型开关电源的方框图 2.2 开关电源的分类方式 nts小灵通基站的开关电源设计 7 按开关管的连接方式分为串 联型开关电源和并联型开关电源，串联型开关电源的开关管串联在输入电压和输出负载之间，属于降压式稳压电路。而并联型开关电源的开关管是在输入电压和输出负载之间并联的，属于升压式电路。 按激励方式分为自激式和他激式，在自激式开关电源中，有开关管和高频变压器构成正反馈环路，来完成自激震荡。类似间歇震荡器。他激式开关稳压电源必须附加一个震荡器，震荡器产生的开关脉冲加在开关管上，控制开关管的导通和截止，使开关电路共在并有直流电压输出。 按调制方式可分有脉宽调制（ PWM）式和脉频调制（ PFM）式。 PWM 是通过改变开关脉冲宽 度来控制输出电压稳定的方式。而 PFM是当输出电压变化时，通过取样比较，将误差放大后去控制开关脉冲周期（即频率），使输出电压稳定。 按输出直流值的大小分为升压式和降压式开关电源。也可分为高压开关电源 和 低压开关电源。 按输出波形分为矩形波和正弦波电路。 按输出性能分为恒压恒频和变压变频电路。 按开关管的个数及连接方式可分为单端式、推挽式、半桥式和全桥式。单端式仅用一个开关管，推挽式和半桥式采用两个开关管，全桥式则采用了四个开关管。 按能量传递方式可分为正激式和反激式。 按软开关方式可分有电流谐振型、电压谐振型、 E类与准 E类谐振型、部分谐振型等。 2.3 开关电源的功率转换电路 PWM 型稳压电源功率转换电路有推挽式、全桥式、半桥式及单端反激式、单端正激式等。以推挽式功率转换电路为例介绍其工作原理，推挽式功率转换电路及其工作波形如图2-3所示。控制电路控制开关管 VT1和 VT2的基极， VT1和 VT2以 PWM方式激励而交替通断，将输入支流电压变换成高频方波交流电压。当 VT1导通时，输入电源电压 U1通过 VT1加到高频变压器 T1的初级组 N1，由于 T1具有两个匝数相等的主绕组 N1故在 VT1导通时，在截止晶体管 VT2将加有两倍电 源电压 2U1。当基极激励信号消失时，一对开关晶体管均截止，其集电极施加电压均为 U1。在下半个周期， VT2激励导通， VT1截止，基极激励信号小时，一对开关管又均截止， UCE1和 UCE2均为 U1。下一个周期重复上述过程，在晶体管导通过程中，集电极电流除负载电流成分外，还包含有输出电容器的充电电流和高频变压器的励磁电流，他们均随导通脉冲宽度的增加而线性上升。在开关的暂态过程中，由于高频变压器次级侧开关整流二极管反向恢复时间内所造成的短路及为了抑制集电极电压尖峰而设置的 RC 吸收网络的作用，当开关管导通时，将会有 尖 峰 冲击电流：在关断瞬间，由于高频变压器漏感的作用，在集电极会产生电压尖峰。 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 8 图 2-3推挽式功率转换电路及其波形（ a） 转换电路；（ b）工作波形 推挽式转换电路的输出电压 Uo 2NDU1。式中， N为变压器的匝比， D为晶体管的占空比。其优点是：转换效率高；经济实用；变压器的利用率高；输入输出间隔离；晶体管加相同电压，控制电路直接对其激励，不需要驱动变压器。不足之处是：需要一对开关晶体管；晶体管的耐压需要是输入电压的 2倍；直流分量加到变压器上，使其磁心易饱和 8 。 2.4 开关电源控制方法的分类研究 对 开关变换器进行控制的目的就是根据变换器的状态，动态的调节开关的占空比，以得到满意的输出。本章主要对开关电源的控制方法进行分类的研究，详细的分析了脉宽调制技术、电压型、电流型、电荷型和平均电流型等控制方法的原理及其优、缺点。 2.4.1 脉宽调制技术（ PWM） 开关电源的核心部分是 DC-DC变换器。其转换的基本手段是用半导体功率器件做为开关，使带有滤波器（ L、 C）的负载线路与支流电压间或导通、断开，从而使负载上得到需要的直流电压。下面以 Buck变换器为例，举例分析开关电源的工作原理。 nts小灵通基站的开关电源设计 9 Buck变换器的基本拓扑结 构如图 2-4所示，对应的波形图为图 2-5，其中 VT 为开关管的驱动波形。 图 2-4 Buck 变换器拓扑图 由波形图可分别求得电感电流上升和下降的变化量 iL1、 iL2: iL1= DTL VoVsdtL VoVs DT0（ 2-1） iL2= TDL VoVsdtLVoTDT )1( （ 2-2） 假设电路已工作于稳定状态，则电感电流在开关管开通时的上升量与开关管关断时的下降 量是相等的，所以有： iL1= iL2 （ 2-3） 联合式（ 2.1.1）、（ 2.1.2）、（ 2.1.3）可求得： Vo=DVs (2-4) 以上所讨论的为电感电流连续的工作模式（ Continuous Conduction Mode,CCM） 。同理可以求得 CCM 下其他变换器的输入输出的稳态变换关系。表 2-1 为 Buck、 Boost、Buck-Boost、 Cuk等基本变换器的输入输出关系： 表 2-1 CCM下几种基本变换器的输入输出关系 基本变换器 输入输出变换关系 Buck Vo=DVs Boost Vo=1/(1-d) VIN Buck-Boost Vo=D/(1-D)VIN nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 10 Cuk Vo=D/(1-D)VIN 图 2-5 Buck变换器在 CCM下的波形图 当电感 L较小，负载电阻较大，或周期 T较大时，将会出现电流已经下降到零，而新的周期却尚未开始的情况。当新的周期到来时，电感电流从零开始，线性增大。这种工作方式称为电感电流不连续 的工作模式（ Discontinuous Conduction Mode,DCM） ,此时波形如图 2-6，其中 VT为开关管的驱动波形。类似的可以求得 Buck变换器在 DCM下的输入输出的变换关系为： Vo=D1/（ D1+D2） VIN （ 2-5） 其中， D1为占空比， D2为开关管断开、二极管导通时间占空比。 图 2-6 Buck变换器在 DCM下的波形图 nts小灵通基站的开关电源设计 11 同理可以求得 DCM 下其他基本变换器的 输入输出的稳态变换关系，如表 2-2： 表 2-2 DCM下几种基本变换器输入输出关系 基本变换器 输入输出变换关系 Buck Vo=D1/（ D1+D2） VIN Boost Vo=（ D1+D2） /D2 VIN Buck-Boost Vo=D1/D2VIN Cuk Vo=D1/D2VIN 2.4.2 按占空比的实现方式分类 在上面， D 表示稳态的占空比，在随后的章节中，我们用变量 d 表示动态的占空比。由式 2-2可知，改变占空比 d即可调节输出电压 Vo,而 d又可写为： Tttttd ONO F FONON （ 2-6） 其中： T为开关周期； tON为在一个周期中，开关管的导通时间； tOFF为在一个周期中，开关管的截止时间。 所以改变 tON或 /和 tON可以实现对占空比 d 的调节。这种调节脉冲占空比的控制方法就是我们通常所说的脉宽调治（ Pulse Width Modulation） 简称为 PWM。根据 tON 和 和 tON的不同组合， PWM 的控制方法可分为定额调节和变频调节两大类，其中变频调节又有如表 2-3所示的三种实现方式。 表 2-3 按占空比的实现方式分类 调节方式 tON TOFF 变频调节 定开通时间 固定 变换 定关断时间 变化 固定 恒定延滞 变化 变化 定频调节 变化 变化 2.4.2.1 恒定延滞环宽控制 电路原理如图 2-7（ a） ,主要波形如图 2-7(b)所示。其中比较器以施密特触发器的方式工作， VMAX和 VMIN分别为施密特触发器的上限电压和下限电压。 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 12 该电路的工作原理为：施密特触发器初始输出高电平，开关管开通，输出电压 Vo 上升，当 Vo上升到 VMAX时，则施密特触发器输出反转，输出低电平，开关管关断；随后输出电压 Vo 下降，当 Vo 下 降到 VMIN时，施密特触发器输出再次反转，输出高电瓶，开关管开通。如次周而复始的运行。 2.4.2.2 定开通时间控制 图 2-7(c)为其基本原理图 ,图 2-7(d)为相应的波形图 .工作原理为 :但稳触发器初始处于稳态 ,输出低电平 ,开关管截止 ,输出电压下降 ;当电影下降到 VMIN 时 ,比较器反转 ,输出高电平 ,触发单稳触发器进入暂态 ,输出高电平 ,开关管开通；经过 ton时间后，单稳触发器自动反转进入稳态，输出低电平，开关管关断，完成一个周期的运行。 图 2-7 电压型控制方法原理和波形图 2.4.2.3 定关断时 间控制 nts小灵通基站的开关电源设计 13 电路原理图如图 2-7（ e），图 2-7（ f）为其主要波形，工作原理为：单稳触发器初始处于稳态，输出高电平，开关管开通，输出电压上升；当电压上升到 VMAX时，比较器反转，输出低电平，触发单稳触发器进入暂态，输出低电 平 ，开关管关断；经过 tOFF 时间后，单稳触发器自动反转进入稳态，输出高电 平 ，开关管开通，如此周而复始运行。 以上三种控制方法都为变频控制方法，虽然电路相对简单，但是他的频率不固定，噪声频谱不固定，加大了电磁干扰（ EMI）的控制难度 。 2.4.2.4 定频控制 定频控制是当前最为广泛应用 的一种控制方法，该控制方法得以广泛应用主要原因有： 更易于变压器和滤波电路的设计，从而更便于见效电磁干扰。 更易于比较容易买到高性能价格比的 PWM 控制芯片。 定频 PWM控制的应用方式多种多样，图 2-7（ g） 为定频控制简化原理图，图 2-7（ h）为其主要波形图。 在时钟脉冲到来时，锯齿波复位。 Ve为误差放大器的输出，其变化速度要比开关频率慢的多， Vp是锯齿波的峰值。 该电路的稳态工作原理：输出电压 Vo 在无耻放大器中做减法运算，其整值再放大生成误差电压 Ve；在时钟脉冲到来时，锯齿波复位，比较器输出高电平，开关管开 通，同时锯齿波的斜坡信号由零线性增大；当锯齿波的电压升高到 Ve 时，比较器反转，输出低电平，开关管关断，同时锯齿波的电压继续线性增大，直到下一个时钟脉冲，锯齿波再次复位开始新的周期。 从以上的分析中可以看出，定频控制的主要组成部分有： 时钟用于设置开关频率； 基准电压及输出电压的误差放大器； 比较器用于将误差电压与斜坡信号比较； 斜坡信号（锯齿波）； 2.4.3 按控制电路的采样变量分类 PWM 控制方法的另一种分类方式是参照控制电路的采样变量。理想的基本变换电路可认为是一个二阶系统，因而只有两个独立的 变量。只采样一个变量的为单环控制，采样两个变量的为双环控制。表 2-4为根据采样变量进行的分类： 表 2-4 根据采样变量分类表 采样电容电压 采样电感 (开关 )电流 名称 单环控制 YES NO 电压型控制 NO YES 电荷型控制 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 14 双环控制 YES YES 电流型控制 YES 间接采样 V2型控制 2.4.3.1 电压型控制 图 2-8 所示为电压型控制 Buck 变换器，图 2-9 为其对应的主要波形。从图 2-8 可以看出，电压型控制方法是利用输出电压采样作为控制环的输入信号，将该信号与基准电压Vref进行比较，并将比较的结果放大生成误差电压 Ve。误差电压 Ve与振荡器生成的锯齿波 Vsaw进行比较生成一脉宽与 Ve大小成正比的方波，该方波经过锁存器和驱动电路（图中未画出驱动电路）驱动开关管导通和关断，以实现开关变换器输出电压的调节。 早期文献中 Duty Cycle Control(Duty Ratio Programmed Control)都是特指的电压型控制。在电流型控制方法出现之后，才明确提出了 Voltage Mode Control 的说法。电压型控制方法只检测输出电压一个变量，因而只有一个控制环，所以 设计和分析相对比较简单。由于锯齿波的幅值比较大，抗干扰能力比较强。其主要缺点是输入或输出的变化只能在输出改变时才能检测到并反馈回来进行纠正，因此响应速度比较慢。由于电压型控制对负载电流没有限制，因而需要额外的电路来限制输出电流。 图 2-8 电压控制电路 nts小灵通基站的开关电源设计 15 图 2-9 电压型控制主要波形 2.4.3.2 电流型控制 电流型控制（ Current Mode Control） 又称为 Current Injection(或 Injected) Control 或者 Current Programmed Control， 1978年首次提出。电流型控制同时引入电容电压和电感电流 2个状态变量作为控制变量，提高了开关电源 PWM 控制策略的性能。由图2-8 和图 2-10可以看出，电流型控制方法和电压型控制方法的主要区别在于：电流型控制方法用开关电流波形代替电压型控制方法的锯齿波作为 PWM比较器的一个输入信号。电流型控制方法的工作原理为：在每个周期开始时，时钟信号使锁存器复位开关管导通，开关电流由初始值线性增大，检测电阻 RS上的电压 VS也线性增大，当 Vs大到误差电压 Ve时，比较器翻转，使锁存器输出低电平，开关管关断。直到下一 个时钟脉冲到来开始一个新的周期。 图 2-10 电流型控制电路 图 2-11 电流型控制主要波形 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 16 由于电流型控制方法采用输出电流前馈控制，相对于电压型控制方法有更快的负载或输入瞬态响应速度，减小了输出电压的纹波；且由于其自身具有限流的功能，易于实现变换器的过流保护，因而在多个电源并联时，更便于实现均流。但电流型控制方法在占空比大于 50%时要产生次谐波振荡，从而产生稳定性问题。这通常可在比较器输入端使用一个补偿斜坡来消除。 以上的电流型控制由于不能精确控制电流以及抗干扰性差等缺点，文献提出了平均电流型 控制（ Average Current Mode Control）。为了与平均电流型控制方法区别，上文所述的控制方法又称为峰值电流型控制（ Peak Current Mode Control）。平均电流型控制方法的控制电路见图 2-12， 检测电流经电流积分器积分后与误差电压 Ve相减，其差值与锯齿波比较生成控制脉宽 驱动开关。平均电流型控制方法不但提高了电流的控制精度，而且抗干扰性强，但是响应速度比峰值电流控制方法慢。 图 2-12 平均电流型控制 电荷型控制方法（ Charge Control）是能够精确控制 电流的另一种方法，其电路如图2-13 所示。在开关 S开通时电感电流对电容 CT进行充电，当电容电压达到误差电压 Ve时比较器翻转关断 S 。直到下个周期时钟脉冲到来再次开启 S。在 S关断期间 CT将充电电荷完全放掉。电荷型控制方法可以控制每个周期的电量，可以更快更有效地控制电流。但是它不限制最大电感电流，并且对电流的瞬态变化响应速度慢，不能有效地保护开关管等功率器件。 图 2-13 电荷型控制电路 nts小灵通基站的开关电源设计 17 2.4.3.3 V2型控制 由于 V2型控制方法（ V Squared Control或 V2 Control）具有优秀 的动态性能，适用于电压调整模块（ Voltage Regulator Modular， VRM）等对动态特性要求比较高的场合。 由图 2-10和图 2-14可以看出， V2控制方法与电流型控制方法的区别在于： V2控制方法用滤波电容电压采样代替了电流型控制方法中 PWM比较器的电流采样输入。输出电压 Vo反馈回来作为 2个控制环的反馈量。 V2 控制方法稳态时的工作原理为：在每个周期开始时，时钟信号使锁存器复位、开关管导通，开关电流 iL由初始值线性增大。由于负载电流固定不变，所以该变化的电流完全通过滤波电容的 ESR 给滤波电容 充电，从而在 ESR 上产生与电感电流斜率相同的压降 Vq(Vq=iLRs)。该电压即为内环的采样电压。当 Vq增大到误差电压 Ve 时，比较器翻转，锁存器输出低电平，开关管关断，直到下一个时钟脉冲信号到来，开始一个新的周期。 V2 控制方法的稳态波形如图 2-14 所示。 V2控制方法由于内环检测点在输出部分，提高了 Buck 变换器和正激变换器对输入和输出静态和动态变化的响应速度，解决了电流型控制方法存在的问题。 图 2-14 V2型控制主要波形图 V2 控制方法由于内环采用反馈输出电压的纹波，因而与电流型控制方法一样， 抗干扰能力差。当占空比大于 50%时，会产生次谐波振荡，所以也要使用斜坡补偿。 V2 控制方法可与普通的控制方法如定频、定开通时间和滞环控制配合使用以提高系统的响应速度。在使用定关断时间的 V2控制方法时可免于使用斜坡补偿。 V2控制方法对输入和输出电流都没有直接控制，所以不便于电源的并联使用，需要额外的电路来进行过流保护。 2.4.3.4 结论 开关电源控制电路的设计在满足性能要求的前提下还要考虑成本、可靠性以及调试简单等多种因素。通常，单环控制电路结构简单，抗干扰能力强，适用于对控制性能要求不高的场合；双环控制动态性能好 ；电流型控制响应速度快，并且具有自动限流的功能 ；V2型控制具有比电流型更快的负载动态响应 ,但需要而外的电路来进行过流保护 10 。 nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 18 第 三 章 小灵通基站的开关电源设计 3.1 开关电源电磁干扰的分析 开关电源将普通电直接整流滤波成为直流高压 ,然后通过晶体管逆变器转换成低电压的高频交流电压 ,再经过整流和滤波变成所需要的直流低电压。 开关电源的结构如图 3-1所示。 图 3-1 开关电源结构图 开关电源产生 EMI 的因素较多。因为开关电源内部的功率开关管、整流或续流二极管及主功率变压器在高压、大电流及高频开关的方式下工作 ,其电压电流波形多为方波 ,所以在高压大电流的方波切换过程中 ,方波电压电流会产生丰富的谐波电压及谐波电流。这些谐波电压及谐波电流可通过电源输入线或开关电源的输出线传出 ,对同一电网上供电的其它设备及电网产生干扰。 由于电压差可以产生电场 ,电流的流动可以产生磁场 ,丰富的谐波电压电流的高频部分 ,在开关电源内部就会产生电磁场 ,造 成开关电源内部工作的不稳定 ,使电源的性能降低。而且部分电磁场通过开关电源机壳的缝隙 ,向周围空间辐射 ,与通过电源线、直流输出线产生的辐射电磁场 ,一起通过空间传播的方式 ,对其它高频设备及对电磁场比较敏感的设备造成干扰 ,引起其它设备工作异常。 由于开关电源中的二 极 管和晶体管在工作过程中产生的跃变电压和电流 ,通过高频变压器、储能电感线圈和导线以及系统结构等若干因素的影响 ,基本整流器产生电流高次谐波干扰和变压器型功率转换电路产生尖峰电压干扰。基本整流器的整流过程常常会引起电磁干扰。因为正弦波通过整流器后不再是单一频率 的电流 ,而是变成单向脉动电源 ,此电流波形分解为一直流分量和一系列频率不同的交流分量之和。较高的谐波 (特别是高次谐波 ) 会沿着输电线路产生传导干扰和辐射干扰 ,一方面使接在其前端电源线上的电流波形发生畸变 ,另一方面通过电源线产生射频干扰 ,使接收机等产生噪声。 变压器型功率转换电路是实现变压、变频以及完成输出电压调整的部件 ,是开关稳压nts小灵通基站的开关电源设计 19 电源的核心 ,主要由开关管和高频变压器组成。它产生的尖峰电压是一种有较大辐度的窄脉冲 ,其频带较宽且谐波比较丰富。产生这种脉冲干扰的主要原因是 : (1) 开关功率晶体管感性负载是高频变压 器或储能电感。在开关管导通的瞬间 ,变压器初级出现很大的电流 ,它在开关管过激励较大时 ,将造成尖峰噪声。这个尖峰噪声实际上是尖脉冲 ,轻者造成干扰 ,重者有可能击穿开关管。 (2) 由高频变压器产生的干扰。当原来饱和的开关管关断时 ,变压器的漏感所产生的反电势 eL = - Ldi/dt 会使开关管的集 -射极之间出现电压上冲。这是因为开关管从 Ton 转换到 Toff时 ,由于变压器的漏磁通 ,致使一部分能量没有从一次线圈传输到二次线圈 ,储藏在漏感中的这部分能量将和集电极电路中的电容、电阻形成带有尖峰的衰减振荡 ,叠加在关断电压 上 ,形成关断电压尖峰 ,与集电极的电流变化率 (di/dt) 成正比 ,与漏感量成正比。这种电源电压中断会产生与变压器初级接通时一样的磁化冲击电流瞬变 ,它是一种传导性电磁干扰 ,既影响变压器的初级 ,还会使干扰传导返回配电系统 ,造成电网谐波电磁干扰 ,影响其它用电设备的安全和经济运行。 (3) 由输出整流二级管产生的干扰。在输出整流二级管截止时 ,有一个反向电流 ,它恢复到零点的时间与结电容等因素有关。其中能将反向电流迅速恢复到零点的二级管为硬恢复特性二级管 ,这种二极管在变压器漏感和其它分布参数的影响下 ,将产生较强的高频干扰 ,其频率可达几十 MHz。 开关电源中电磁干扰的产生与耦合途径。首先 ,整流器电路的非线 性 可能会对交流普通电产生不利影响 ;其次 ,初级电路中的功率晶体管与散热器之间的容性耦合会在电源输入端产生传导的共模噪声源 ,该共模传导的途径形成一个环路 ,该环路始于高变电压的晶体管外壳 ,经过该晶体管外壳与散热器之间的寄生电容耦合 ,再经过接地的散热器和安全接地线 ,通过交流的高频导纳和输入电源线返回。 对开关电源的改进 ,可以针对电磁兼容的三要素防护和隔离采取相应的措施。对开关电源产生的电磁干扰所采取的抑制措施 ,正确选择半导体元器件 、变压器铁芯材料和在开关电源的电路中采取屏蔽、接地、滤波等几种方法 12 。 3.2 开关电源电磁兼容性的改进 从电磁兼容性的三要素讲，要解决开关电源的电磁兼容性 ,可从 3 个方面入手 : (1)减小干扰源产生的干扰信号 ;(2)切断干扰信号的传播途径 ; (3)增强受干扰体的抗干扰能力。在解决开关电源内部的兼容性时 ,可以综合运用上述 3个方法 ,以成本效益比及实施的难易性为前提。 因而 ,开关电源产生的对外干扰 ,如电源线谐波电流、电源线传导干扰、电磁场辐射干扰等 ,只能用减小干扰源的方法来解决。一方面 ,可以 增强输入输出滤波电路的设计 ,改善APFC 电路的性能 ,减小开关管及整流续流二极管的电压电流变化率 ,采用各种软开关电路拓扑及控制方式等。另一方面 ,加强机壳的屏蔽效果 ,改善机壳的缝隙泄漏 ,并进行良好的nts福州大学本科生毕业设计 (论文 ) 20 接地处理。 而对外部的抗干扰能力 (如浪涌、雷击 ) 应优化交流输入及直流输出端口的防雷能力 ,通常对 1.2/50us 开路电压及 8/20US 短路电流的组合雷击波形 ,因能量较小 ,采用氧化锌压敏电阻与气体放电管等的组合方法来解决。对于静电放电 ,通常在通信端口及控制端口的小信号电路中 ,采用 TVS 管及相应的接地保护、加大小 信号电路与机壳等的电距离来解决或选用具有抗静电干扰的器件。快速瞬变信号含有很宽的频谱 ,很容易以共模的方式传入控制电路内 ,采用防静电相同的方法并减小共模电感的分布电容 ,加强输入电路的共模信号滤波 (加共模电容或插入损耗型的铁氧体磁环等 ) 来提高系统的抗扰性能。 减小开关电源的内部干扰 ,实现其自身的电磁兼容性 ,提高开关电源的稳定性及可靠性 ,应从以下几方面入手 :注意数字电路与模拟电路 PCB 布线的正确分区 ,数字电路与模拟电路单点的接地 ,大电流电路与小电流特别是电流电压取样电路的单点接地以减小共阻干扰 ,减小地环的影响 ,布线时注意相邻线间的间距及信号性质 ,避免产生串扰 ,减小高压大电流回路特别是变压器原边与开关管、电源滤波电容回路所包围的面积 ,减小输出整流回路及续流二极管回路与直流滤波器所包围的面积 ,减小变压器的漏电、滤波电感的分布电容 ,运用谐振频率高的滤波电容器等。 3.3 开关电源 设计 中滤波技术的使用 滤波技术是抑制干扰的一种有效措施 ,尤其是在对付开关电源 EMI 信号的传导干扰和某些辐射干扰方面 ,具有明显的效果。任何电源线上的传导干扰信号 ,均可用差模和共模干扰信号来表示。一般情况下 ,差模干扰幅度小、频率低、所造成的干扰 较小 ;共模干扰幅度大、频率高 ,还可以通过导线产生辐射 ,所造成的干扰较大。因此 ,欲削弱传导干扰 ,把 EMI 信号控制在有关 EMC 标准规定的极限电平以下。 除抑制干扰源以外 ,最有效的方法就是在开关电源输入和输出电路中加装 EMI滤波器。开关电源的工作频率约为 10 100 kHz。 EMC 很多标准规定传导干扰电平的极限值都是从10kHz 算起的。对开关电源产生的高频段 EMI 信号 ,只要选择相应的去耦电路或网络结构较为简单的 EMI滤波器 ,就不难满足符合 EMC 标准的滤波效果。 综合 电磁兼容性和滤波技术的使用，为小灵通基 站设计出的输入电路如图 3-2所示。 nts小灵通基站的开关电源设计 21 图 3-2 基站电源的输入滤波电路 在改进 电磁兼容性方面，首先采用了热敏电阻 R1，它的功能是防止浪涌电压， R1 具有负温度系数特性， 在刚开始输入电压时，它的电阻很大，但随着电压输入时间增加， R1温度逐渐升 高 ， R1 阻值越来越小， 达到稳定状态时 RI 电阻 值 已经非常小，因此消耗功率也非常小。因此，热敏电阻 R1 不仅在防止浪涌电压时起到了作用，而且在电路稳定后该电阻的功率消耗也非常小。 接着就是由 R2、 T1、 C1、 C2、 C3、 T2 组成的滤波电路，次电路的作用是消除差模和共模干扰，滤除杂波。 3.4 小灵通基站开关电源控制芯片的选择 在控制芯片的选上，考虑各个芯片的特点及成本后，最终选择了 SG6848，主要是因为SG6848 具有两大特点：一为降低系统成本；另一则是稳定可靠。在降低成本部分，由于SG6848高度整合了各项电源管理功能，可减少许多外部零件的使用，因此能大幅降低电源系统的成本，。同时该 IC独具省电特色，可减少起动及操作时的电源损耗；而在稳定可靠方面， SG6848不但符合 ISO-9001标准，且通过严苛的质量及信赖度测试。 SG6848采用脉宽调变（ PWM）结构，高度 整合各种电源管理功能，同时具备数项增强功能，以满足对于低待机能耗及电源保护的需求。在待机模式中， SG6848以减少 PWM频率的方式，达到降低能源损耗及稳定输出电压的目的。由于采用 Bi-CMOS制程制造， SG6848 不但能够大幅降低起动电源的耗用，同时也能提高电源转换的效率。以起动电流而言，在一般情况下可降低至 5uA
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