小功率开关电源设计

小功率开关电源设计论文小功率开关电源设计论文摘要随着电力电子技术的发展，开关电源逐渐取代了线性电源，称为当今电源的主流形式，在电力、电器等领域中得到广泛应用。本论文是通过开关电源集成控制芯片M51995AFP设计制作的一种降压型开关电源，输出电压5VDC。此开关电源是通过脉宽调制技术控制接通占空比来调整输出电压,达到稳定输出目的的。论文主要完成了以下内容：Q)根据需要选择开关电源拓扑结构；(2)基于M51995AFP设计开关电源的控制核心部分；(3)设计整流滤波电路，减小输出纹波；(4)建立开关电源的电路模型并分析；(5)选择控制模型并仿真分析，确定系统参数。本论文根据控制芯片内各部件的工作原理，设计了合理的辅助电路，通过计算和仿真分析，得到了系统优化参数。掌握了开关电源设计的核心技术，并对设计过程做了详细阐述。关键词：开关电源占空比脉宽调制小功率开关电源设计论文小功率开关电源设计论文小功率开关电源设计论文小功率开关电源设计论文・・-5.1电路模型的建立Buck降压型电路的结构如图5.2所示:UiUi图5.2Buck电路拓扑结构实际开关电路中的开关器件并不理想，开关器件的开通和关断都要经过一定的过程和时间，断态有漏电流，通态存在压降。这些非理想因素对控制系统的特性影响不大，因此可忽略这些非理想因素，认为开关是理想的，即认为开通和关断时间为零，断态漏电流为零，通态压降为零。这样的到的模型是理想型的。理想开关模型具有时变性，但在开关管处于通态、断态时，其拓扑结构和状态方程是确定的。根据开关处于通态和断态时各自的状态方程及所占时间的比例，对各自状态方程进行加权平均，即可得到状态空间平均模型。以输出电压和电感电流作为状态变量，则开关S开通时该电路的状态方程为：x=AX+BW式(5.1)x=AX+b?u将(5.1)式与开关x=AX+b?u将(5.1)式与式(5.2)(5.1)式按各自的时间比例加权平均，得到一个开关周期内系统近似的平均状态方程:式(5.3)其中d表示开通占空比。由此可见状态空间平均模型的方程是定常的，易得到其解析解，可以获得对一类控制系统具有普遍意义的结果，这对开关电源控制系统的分析十分重要，也很有效。值得注意的是：（1）从状态空间平均模型得到的解是与理想开关模型有更大程度的近似，如电感电流、电容电压等状态变量随开关管的通断而产生的波动，在状态空间平均模型的解中,这都是不可能得到体现的。（2）状态空间平均模型尽在低于开关频率1/5至1/10的频率范围内有效，如果分析过程中所涉及的频率接近或超过开关频率，其结果将失去意义。利用式（5.3）求得的数值解分别如图5.3、图5.4所示:图5.3输出电压图5.4输出电流由图5.3和图5.4可以看出，由状态空间平均法得到的电压、电流的解是没有开关频率的纹波成分的。5.2滑模控制滑模变结构控制简介滑模控制的实现需要借助滑模逆变器，其结构框图如图5.5所示:图5.5滑模逆变器结构框图变结构控制是一类特殊的非线性控制，其非线性表现为控制的不连续性，这种控制策略与其他控制的不同之处在于系统的“结构”并不固定，而是可以在动态过程中，根据系统当前的状态，有目的地不断变化，迫使系统按照预定“滑动模态”的状态轨迹运动，所以有常称为变结构控制位滑动模态控制，即滑模变结构控制。由于滑动模态可以进行设计且与对象参数及扰动无关，这就使得变结构控制具有快速响应、对参数变化及扰动及扰动不灵敏，无需系统在线辨识，物理实现简单等优点；该方法的缺点在于当状态轨迹到达滑模面后，难于严格地沿着滑面向着平衡点移动，而是在滑模面两侧来回穿越，从而产生颤动。滑动模型分析将式以T为标志量，T=1表示开关管导通，T=0表示开关管断开。将式（5.1）和式（5.2）合并可得：,TOC\o"1-5"\h\z0—11]x=\x+TLII式（5.4）1-1c———0CRCL」可知式（5.4）为乂=Ax+BT+C的形式，其中C为0。为获得较好的输出电压瞬态响应，以系统状态变量偏差的线性组合来表示状态空间

S=kl*Ue+kJie=0这里的系数kl和k是增益，必是输出电压偏差,ie=S=kl*Ue+kJie=0这里的系数kl和k是增益，必是输出电压偏差,ie=il-Id>Ue=Uc-Udo因此式(5.4)可以改写成:—~~1一,0—r.n1L-+1附+ii--UeoUevLJLCRCJL」式（5.5）ie是电感电流偏差，即：0-k]LL1-1Ud.CRCJ式（5,6）的滑动平面方程为:Xe=X-Xd(5.7)(5.8)的形式，其中4为状态变量误差。(5.7)(5.8)图5.6开关闭合状态下的相平面图以T=1（开关管闭合）状态为例，作得相平面图如图5.6图5.6开关闭合状态下的相平面图设定起始点，即（ie（O），lle（O））。如图5.6中，实线对应的起始点为（4/12,-5）,点划线对应的起始点为（・1/12,3），虚线对应的起始点为（・1/12,1）。分析实际电路，可知电路输出电压最后稳定于10V（电源电压），则误差最终稳定于5V,三种不同初始条件的的仿真结果均与分析相同。式(5.9)把式（5.8）代入式（5.6）式(5.9)S(Xe)=kl*Xel+k2M；Xe2=kTXe其中=[：：]，Xe=kJ。而滑模存在的条件是要求所有在滑模面附近的状态轨迹都指向滑模面。通过滑模控制器产生的信号控制开关管的动作来保证系统的状态稳定在滑模面附近，滑模控制器需要满足liniS*s<0,因此开关管变量T有如下关系才能满足上述条件：Jl,S(Xe)>0f[0,8(^)<0因此条件式可以改成如下形式：S(xe)=kTAXe+kTD<0,s(Xe)>0式(5.11)S(xe)=kTAXe+kTB+kTD>0,s3)<0式(5.12)实际应用中，可认为状态变量误差远小于参考量(这里指状态变量的稳定值)，因此条件式可以简化为：kTD<0,s(Xe)>o式(5.13)kTB+kTD>0,s(Xe)<0式(5.14)并将具体参数带入式(5.13)和式(5.14)后化简即可得到一个有效的滑模控制器所需满足的条件。理论上，闭环滑模控制的变换器系统据偶有无限高的开关频率，但具体实现时是不可能的，需要采取响应的开关频率降低法，这里采用延迟方法，则修改滑模变结构控制方程(5.10)为：Jl,S(Xe)>5T=<式(5.15)[o,S(Xe)<-5其中，b为控制延迟量。5.3开关电源建模总结分析根据前面的介绍，进一步了解了Buck型拓扑结构开关电源的特点及其原理，采用状态空间平均模型来计算观察其输出电压与流经电感电流的运动轨迹。观察其运动轨迹可以得出，电路的稳定时间极短，约为35ms,响应速度快，从运动轨迹上还可以看出电压与电流的解是没有开关频率的纹波成分的，同时设计开关电源输出电路时，输出端采用双滤波电路，这也在一定程度上减小了纹波成分。滑模控制的特殊性在于该控制有切换，而且在切换面上系统将会沿着固定的轨迹产生滑动运动。要实现滑模控制，要做三项工作：切换面的选取，控制函数的求取，参数的确定。其中参数的选择必须满足滑模控制的三个要素，即进入条件、存在条件和稳定条件。进入条件是保证系统对任意初始位置，一定时间后，运动都能够到达切换面；存在条件则是保证这种运动在到达切换面后，能在切换面上产生滑动运动；稳定条件有两个方面，即滑动的稳定条件和系统的稳定条件。这里的稳定条件是指系统在切换面上的滑动运动能够向工作点运动。采用滑模控制原理设计了电路的控制方案，求得滑模控制器所需满足的条件，将原电路设计参数带入条件式可知，参数选择合理。同时结合图5.6可知，系统的参数选择合理。结论本论文通过开关电源集成控制芯片M51995AFP完成的一种由脉宽调制技术来控制开关的接通占空比，从而来调整输出电压的开关电源设计，论文完成的主要内容有：（1）对各类拓扑结构电源的分析；（2）主电路与输入输出电路的选择设计；（3）减小输出电压纹波电路的设计，确定相关器件参数；（4）基于芯片M51995AFP对电源的控制部分的设计；（5）建立数学和控制模型，对开关电源电路的分析计算。开关电源具有重量轻、体积小、效率高的特点，具有其他电源无法比拟的优点。因此，随着电力电子技术的发展，开关电源必将取代传统的铁芯变压器电源，称为当今主流的电源形式。参考资料[1]裴云庆，杨旭，王兆安.开关稳压电源的设计和应用[M]一北京：机械工业出版社，2010.[2]周志敏，周纪海，纪