开关稳压电源的设计

开关稳压电源的设计

开关压源是利用半主导电源作为开关，通过控制开关的占空比调整输出电压的设备。1稳压电源的开关原理开关稳压电源主要由:输入电路,变换器、控制电路、输出电路四个主体组成,如图1所。1.1输入电路由线性滤波电路、浪涌电流抑制电路、整流电路组成。把输入电网交流电源转化为符合要求的开关电源直流输入电源。1.2调节方式这是开关稳压电源的关键部分,含开关电路、输出隔离(变压器)电路等,完成对带有功率的电源波形进行斩波调制和输出。(1)开关电路驱动方式:自激式、他激式。变换电路:隔离式、非隔离式、谐振式。功率器件:最常用的有GTR、MOSFET、IGBT。调节方式:PWM、PFM,PWM/PFM混合型。介绍如下:a)脉冲宽度调制(PulseWidthModulation,即PWM):开关周期恒定,通过改变脉冲宽度来改变占空比。纹波电压小,开关频率固定,噪声滤波器设计较容易,消除噪声比较简单。其特点是频率高,效率高,功率密度高,可靠性高。b)脉冲频率调制(PulseFrequencyModulation,即PFM):导通脉冲宽度恒定,通过改变开关工作频率来改变占空比。输出电流小,因此消耗的电流也小,可改进低负荷时的效率。c)混合调制:导通脉冲宽度和开关工作频率都能改变。具备PWM/PFM切换控制方式,综合了两者的优点,(2)变压器输出:分为无抽头和带抽头型。半波整流时为无抽头型,全波整流时为有抽头型。1.3控制电路测试电路从输出端取样,与设定标准进行比较,再去控制逆变器,改变其频率或脉宽,达到输出稳定.另外,根据测试电路提供的资料,经保护电路鉴别,提供控制电路对整机进行各种保护措施。1.4输出电路整流和滤波,把输出电压整流成脉动直流并平滑成低纹波直流电压。输出整流技术有半波、全波、恒功率、倍流、同步等整流方式。1.5线性稳压电源开关稳压电源的核心是电压深度负反馈的脉冲宽度调制器,功率器件工作于开关状态,因此功耗低,效率高。线性稳压电源的核心是电压深度负反馈的放大器,功率器件工作于线性放大区,因此功耗大,效率低。图2为线性稳压电源的原理框图。在将220V/50Hz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,输出纹波电压和稳定性均符合要求的直流电源。线性稳压电源的特点:①电源稳定度及负载稳定度高,输出纹波电压小;②瞬态响应速度较快,线路结构简单,便于理解和维修,无高频开关噪声。③内部功耗大,转换效率低,其转换效率一般只有45%;⑥输出电压动态范围小,线性调整率低,输出电压不能高于输入电压。对比之下开关稳压电源的特点:①体积小、重量轻:没有工频变压器,所以体积和重量只有线性电源的20～30%;②功率小、效率高:调压器工作于开关方式,因此效率极高(一般90%);③稳压范围宽,线性调整率高;④电路形式灵活多样:有自激式和它激式,PWM型和PFM型,单端式和双端式等。⑤电路复杂维修困难,对电路的污染严重,电源噪声大,小适合用于低噪声电路:由于调压器件工作于开关方式,因此dv/dt很大,容易产生较强的传导发射以及辐射发射。2开关压电源技术的发展趋势2.1dc/dc控制器近年来,非隔离DC/DC技术发展迅速.现在的非隔离的DC/DC基本上分成两大类。一是在内部含有功率开关元件,称DC/DC转换器;二是不含功率开关,需要外接功率MOSFET,称DC/DC控制器.按照电路功能划分有降压的BUCK、升压的BOOST,还有升降压的BUCK-BOOST等,以及正压转负压的INVERTOR等。其中品种最多发展最快的是BUCK型。控制方式以PWM为主。2.2ic-isl652c有源箝位技术自从2002年VICOR公司此项专利技术到期解禁之后,新型有源箝位控制IC纷纷涌现.在大功率领域,全桥移相ZVS软开关技术在解决开关电源的效率上功不可没.INTERSIL公司推出的PWM对称全桥的ZVS控制IC-ISL6752既能控制初级侧的四个MOS开关为ZVS工作状态,又能准确地给出控制二次侧的同步整流为ZVS工作状态的驱动信号。采用这种IC制作的400W的DC/DC再加上先进的功率MOSFET,转换效率可达到95%。小功率的开关电源仍用反激变换器的PWM来控制IC。低压DC/DC领域Linear公司的LTC3806不仅能控制好PWM,还给出准确的二次侧同步整流驱动信号,是比较好的低压小功率电源控制IC。2.3电源控制的发展方向:基于数字控制传统的开关稳压电源中最基本的稳压电源有六种:BUCK、BOOST、BUCK-BOOST、CUK、ZETA、SEPIC。其中以BUCK和BOOST最基本,其它四种是从中派生的。许多模拟电源系统能满足当今电子系统的要求。但以目前电子信息发展趋势,未来电源系统将朝向两极化方向发展:模块化微型电源和具有多功能用途的大型电源。大型电源的发展将趋向大型化、模块化、智能化、网络化。大型电源设备组成复杂,同时又需要以模块化方式满足不同的应用需求,因此应用数字控制技术于电源控制将是未来发展的趋势。数字化开关稳压电源是数字信号处理与模拟技术的新结合点。数字信号处理近年来在理论取得了重大的发展而且在应用上日益扩大。DSP是为实现数字信号处理的专用处理器,DSP器件具有较高的集成度以及更高的效率,可以高速处理极为大量的数字化数据,因而应用到广泛数字化器件当中。其中TI推出的数字电源的新产品包括UCD9K、UCD8K及UCD7K系列辅助器件.2.3.1数字方式数字电源与模拟电源的区别主要集中在控制与通信部分。如UCD9K的控制和通信接口都采用数字方式,可以说是带有闪存的DSP;UCD7K与UCD8K的核心部分都采用模拟电源的方式,外围接口则采用数字方式.这些器件的应用领域包括从AC线路到负载点应用的电源系统,如电信设施、不间断电源、计算机服务器以及数据中心电源系统.2.3.2数字过滤器的设计①可编程:比如通讯、检测、遥测等所有功能都可用软件编程实现。②易于设计、配置、稳定、调节:通过编写几行简单的代码,就可以将数字集成电路配置成各种需要的稳压器,如升压、降压、负输出、SEPIC、反激式或正激式等.③有直接监控、处理并适应系统条件的能力,能满足任何复杂的电源要求。④通过远程诊断确保持续的系统可靠性,包括故障