DC-DC开关电源正文.doc

摘 要 本文介绍了 DC DC 开关电源变换器各种拓扑结构及其基本原理 重点讲述 了降压型变换器的工作原理 描述了 DC DC 变换器的控制方法 以及现如今在 开关电源变换器中广泛使用的软开关技术也有了详细的介绍 同时 详细阐述了 脉宽调制中电压控制模式和电流控制模式的基本原理 分析比较了它们各自的优 缺点 对主要元器件也有了深入的介绍 本文设计了一款基于电流控制模式的 PWM 降压型 DC DC 开关电源 该开 关电源采用 RT8015A 变换器 本文对其引脚功能 基本工作原理及元器件的选 择有详细介绍 并给出了工作电路和典型工作特性图 经仿真工作特性分析这次 DC DC 开关电源设计是可行的 完全符合本次设计 要求的 关键词 DC DC 脉宽调制 电流控制 软开关 Abstract This paper introduces the DC DC switch power converter topology structure and basic principle of the buck focuses on the working principle of converter Describes the DC DC converter control method and the now ubiquitous in switch power converter is widely used in the soft switch technology also have a detailed introduction meanwhile illustrates the pulse width modulation of voltage control mode and current control model and analyses the basic principle of their respective advantages and disadvantages On the main components have a thorough introduction This paper introduces the design of a based on current control mode of PWM step down type DC DC switch power supply this switch power this paper RT8015A converter using the pin function and basic working principle and the component selection and gives a detailed introduction job circuit and typical working characteristics graph Demonstrated by simulation and results of the DC DC switch power source design is feasible fully comply with the design requirements Keywords DC DC pulse width modulation current control soft switch 目 录 摘 要 I ABSTRACT II 目 录 III 1 绪论 1 1 1 设计目的及意义 1 1 2 开关电源的发展综述 2 1 3 本文主要工作与结构安排 4 2 设计方案分析 5 2 1 主电路形式 5 2 2DC DC 变换器拓扑结构 5 2 2 1 非隔离开关变换器 6 2 2 2 隔离开关变换器 6 2 3 控制方式的选择 7 2 3 1 脉冲频率调制 PFM 7 2 3 2 脉冲宽度调制 PWM 8 2 3 3 PFM PWM 混合调制模式 10 2 3 4 PWM 与 PFM 的优缺点比较 10 2 3 5 PWM 中的电压控制电路和电流控制电路的性能比较 11 2 4 软开关与硬开关的选择 12 2 5 保护电路的选择设计 13 3 工作原理 14 3 1 开关电源的构成及 DC DC 开关电源的基本原理 14 3 1 1 开关电源的构成 14 3 1 2DC DC 开关电源的基本原理 14 3 2 降压型 DC DC 变换器的工作原理 15 3 3PWM 电流控制在降压电路中的工作原理 17 3 4 软开关技术的工作原理 19 3 4 1 软开关技术 19 3 4 2 软开关电路的分类 19 3 5 保护电路中斜波补偿 20 3 5 1 次谐波振荡产生的原因 21 3 5 2 斜波补偿的方法与作用 21 4 主要元器件的介绍 23 4 1 输入电容 23 4 2 输出电容与电感 24 4 2 1 输出电容 24 4 2 2 输出电感 25 4 3 功率 MOSFET 26 4 4 变换器 RT8015A 26 4 4 1 引角功能 27 4 4 2 RT8015A 的功能模块 28 4 4 3 RT8015A 基本工作原理 28 5 电路设计与工作特性分析 30 5 1 正 5V 电压产生电路设计 30 5 2 降压电路设计 32 5 3 典型工作特性与分析 35 总 结 39 参考文献 40 致 谢 41 附 录 42 1 绪论 在如今的生活中 形形色色的电子设备越来越多 与人们的工作 生活的关 系也日益密切 而电源有如人体的心脏 是所有电设备的动力 因此电源系统的 稳定性对于整个系统具有决定性的意义 其质量的好坏直接影响着电子设备的可 靠性 而且电子设备的故障 60 来自电源 因此 电源越来越受到人们的重视 人们对电源的要求也越来越高 经济建设和社会生活各个方面的发展都会促进电 源产业的发展 1 1 设计目的及意义 现代电子设备使用的电源大致有线性稳压电源和开关稳压电源两大类 所谓 线性稳压电源 就是其调整管工作在线性放大区 开关稳压电源的调整管工作在 开关状态 传统的稳压电源虽然具有稳定性能好 输出纹波电压小 使用可靠的 优点 但其通常需要体积大且笨重的工频变压器与体积和重量都很大的滤波器 并且功耗较大 电源率较低 相对的 DC DC开关电源就可以适应现当代的电子 设备对电源的要求 达成电子设备对电源的发展需求 其功耗小 效率可高达70 95 散热器的体积也随之减小 可直接对电网电压进行整流 滤波 调整 总 体来说 它具有体积小 重量轻 体积和重量只有线性电源的30 效率高 线性电源只有40 自身抗干扰性强 输出电压范围宽 模块化等优点 又 提高了整机的稳定性和可靠性 对电网的适应能力也有较大的提高 但也存在一 些缺点 在隔离型开关电源中 由于逆变电路中会产生高频电压 对周围设备有 一定的干扰 需要良好的屏蔽及接地 开关电源是利用现代电力电子技术 控制开关晶体管开通和关断的时音比率 维持稳定输出电压的一种电源 从上世纪 90 年代以来开关电源相继进入各种电 子和电器设备领域 计算机 通讯 电子检测设备电源 控制设备电源等都已广 泛地使用了开关电源 由于其高效节能可带来巨大效益 从而得到迅速推广 分布式电源的发展及与IT技术的结合 对传统的电路系统造成巨大的影响 带来了对电路系统概念的革新 在同一电路系统中越来越广泛地使用分布式开关 电源 使电路技术产生显著进步 形成了新型的专项技术 DC DC开关电源技术 是分布式开关电源的关键技术 被誉为高效节能电源 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 开关电源内部关键元器件工作在高频开关 状态 本身消耗的能量很低 电源效率可达80 90 特别是目前便携式设备市 场需求巨大 DC DC开关电源的需求也越来越大 性能要求也越来越高 而DC DC 开关电源的设计也更具挑战性 本次的毕业设计 目的在于巩固电路 模拟电子技术和学习有关开关电源的 基础知识 并能够学以致用 同时拥有分析 解决问题和动手的能力 以及一定的 基于模拟电子技术的研究设计能力 从另一方面来说 DC DC 开关电源的技术追 求也日趋高涨和发展趋势亦渐广泛 而且派生出发很多特殊的应用领域研制和开 发的难度变得更大了 这就更有很多的研究价值和技术发展的空间了 再者说 DC DC 开关电源的发展与应用在节约资源及保护环境方面都具有深远的意义 1 2 开关电源的发展综述 开关的电源的发展可分为以下几个时期 1 电子管稳压电源时期 1950 年代 此时期主要为电子管直流电源 和磁饱和交流电源 这种电源体积大 耗能多 效率低 2 晶体管稳压电源时期 1960 年代 1970 年代中期 随着晶体管技 术的发展 晶体管稳压电源得到迅速发展 电子管稳压电源逐渐被淘汰 3 低性能稳压电源时期 1970 年代 1980 年代末期 出现了晶体管 自激式开关稳压电源 工作频率在20KHZ以下 工作效率60 左右 随着压控功 率器件的出现 促进了电源技术的极大发展 它可使兆瓦级的逆变电源设计简化 可取代需要强迫换流的晶闸管 目前仍在使用 功率MOSFET的出现 构成了高 频电力电子技术 其开关频率可达100HZ以上 并且可并联大电流输出 4 高性能的开关稳压电源时期 1990 年代 现在 随着新型功率器件 和脉宽调制 PWM 电路的出现和各种零电压 零电流变换拓扑电路的广泛应用 出现了小体积 高效率 高可靠的混合集成DC DC开关电源 国内开关电源技术的发展基本上起源于 20 世纪 70 年代末和 80 年代初 当 时在高等院校和一些科研院所停留在试验和教学阶段 20 世纪 80 年代中期开关 电源产品开始推广和应用 它的特点是采用 20KHZ 脉宽调制 PWM 技术 效 率可达 65 70 目前 DC DC 开关电源的功率密度可达到 7 3W cm3 每立方英 寸 120W 当今的软开关技术在 DC DC 开关电源中的应用使得 DC DC 开关电源 发生了质的飞跃 国外自20世纪90年代以来 开关电源的发展更是日新月异 许多新的领域和 新的要求又对开关电源提出了更新更高的挑战 如果从一个开尖电源的输入和输 出端口观察 可以发现输入的要求变得更严了 不符合IEC1000 3 2标准的产品将 陆续被淘汰 也正是这样的外界条件推动了开关电源的有源功率因数校正技术和 低压大电流高功率DC DC变换技术成为了当今电力电子领域的研究课题 如今美 国VICOR开关电源公司设计制造的多种ECI软开关 DC DC变换器 效率为 80 90 日本Nemic Iambda公司最新推出的采用软开关技术的高频RM系列开 关电源模块 采用同步整流器 使整个DC DC开关电源电路的效率提高到90 由于开关电源功耗小 效率高 体积小 重量轻 稳压范围宽 滤波效率高 不需要大容量滤波电容等优点 而线性电源效率低 并且电压转换形式单一 只 有降压 等缺点 如今开关电源已逐渐取代线性电源 当然线性电源因为其低噪 声 低纹波的优点 在一些电子测量仪器 取样保持电路中 线形电源仍然无法 被开关电源取代 随着技术的进步 开关电源将沿着以下几个方面发展 1 小型化 轻量化和高频化 2 高效率和高可靠性 3 低噪声和良好的动态响应 4 低电压 大电流 高功率 并且 DC DC 开关电源也将朝着高可靠 高稳定 低噪声 抗干扰和实现模 块化方向发展 1 专用化 对通信电源等大功率系统 采用集成的开关控制器和新型的高速 功率开关器件 改善二次整流管的损耗 变压器电容器小型化 达到最佳的效率 对于小型便携式电子设备 则主要是单片集成开关电源的形式 采用新型的控制 方式和电路结构来减小器件体积 减小待机功能 提供低输出电压 高输出电流 以适应微处理器和便携式电子设备等产品电源系统的供电要求 2 高频率 随着开关频率的不断提高 开关变换器的体积也随之减小 功率 密度也得到大幅度提升 动态响应得到改善 小功率 DC DC 转换器的开关频率 将上升到 MHz 但随着开关频率的提高 开关元件和无源元件损耗的增加 高频 寄生参数以及高频电磁干扰 EMI 等新的问题也将随之产生 因此实现零电压 导通 ZVS 零电流关断 ZCS 的软开关技将成为开关电源产品未来的主流 3 高可靠 开关电源比线性电源使用的元器件多数十倍 因此降低了可靠性 从寿命角度出发 电解电容 光耦合器 开关管及高频变压器等决定电源的寿命 追求寿命的延长要从设计方面着手 而不是依赖使用方 4 低噪声 与线性电源相比 开关电源的一个缺点是噪声大 单纯追求高频 化 噪声也随之增大 采用部分谐振转换回路技术 在原理上既可以高频化 又 可以降低噪声 但谐振转换技术也有其难点 如很难准确控制开关频率 谐振时 增大了器件负荷 场效应管的寄生电容易引起短路损耗 元件热应力转向开关管 等问 题难以解决 5 抗电磁干扰 当开关电源在高频下工作时 噪声通过电源线产生对其它电 子设备的干扰 世界各国已有抗电磁干扰的规范或标准 如美国的 FCC 德国的 VDE 等 研究开发抗电磁干扰的开关电源日益显得重要 1 3 本文主要工作与结构安排 本课题主要工作是 DC DC 开关电源集成电路的设计 主要完成以下工作 1 对 DC DC 开关电源的工作原理和系统性能进行了较为深入的研究 2 对控制方式和软开关重点说明 3 对整体电路系统进行设计和仿真 4 绘制部分版图 本次设计采用了软开关在 DC DC 开关电源的应用 使得 DC DC 开关电源的 工作频率更理想 在提高开关频率的同时 由于反馈放大器的频率特性得到改善 开关电源的瞬态响应性能指标也能得到改善 所以 可以利用提高开关频率 降 低输出滤波器 LC 来改善瞬态响应特性 功率器件采用了 MOSFET 功率元件 控 制电路采用的是 PWM 控制的集成芯片 设计中的拓扑结构采用非隔离型 其中 有 4 种基本拓扑结构适用于 DC DC 开关电源 本论文的结构安排依据工作进度 主要是做了以下安排 第一章为总体绪论 先说明了本次论文的计设目的及意义 而后介绍了开关 电源的发展及发展趋势 最后对本文总体构造进行了说明 第二章对论文中所用到的方法方案进行介绍和对比分析 如主电路的选择 DC DC 变换器的几种主要拓扑结构 PWM 与 PFM 的对比与选择 软硬开关的 对比与选择 最后对本文的设计方案做出最后的定论 第三章详细描述了 DC DC 开关电源构成 工作原理 并重点分析了降压型 DC DC 变换器在连续电流模式和非连续电流模式下的工作原理 描述了控制方式 以及软开关的工作原理 第四章是对主要元器件的详细介绍 详细介绍了 RT8015A 变换器 主要有 引脚功能 适用范围 基本工作原理等 第五章设计出一个电路并对整体电路进行仿真并绘制版图 最后总结了本文的设计工作 2 设计方案分析 将一种直流电压变换成另一种 固定或可调的 直流电压的过程称为 DC DC 变换 本设计从主电路形式 各种拓扑结构 控制方式 软开关等原理分析工作 方式上最终确定了设计方案 为本设计及论文的后续工作提供了理论基础和方向 2 1 主电路形式 DC DC 开 关 电 源 的 核 心 部 分 DC DC 转 换 器 是 将 固 定 的 直 流 电 压 变 换 成 可 变 的 直 流 电 压 也 称 为 直 流 斩 波 斩 波 器 的 工 作 方 式 有 两 种 一 是 脉 宽 调 制 方 式 Ts 不 变 改 变 ton 通 用 二 是 频 率 调 制 方 式 ton 不 变 改 变 Ts 易 产 生 干 扰 其 具 体 的 电 路 由 以 下 几 类 1 Buck 电 路 降 压 斩 波 器 其 输 出 平 均 电 压 U0 小 于 输 入 电 压 UI 极 性 相 同 2 Boost 电 路 升 压 斩 波 器 其 输 出 平 均 电 压 U0 大 于 输 入 电 压 UI 极 性 相 同 3 Buck Boost 电 路 降 压 或 升 压 斩 波 器 其 输 出 平 均 电 压 U0 大 于 或 小 于 输 入 电 压 UI 极 性 相 反 电 感 传 输 4 Cuk 电 路 降 压 或 升 压 斩 波 器 其 输 出 平 均 电 压 U0 大 于 或 小 于 输 入 电 压 UI 极 性 相 反 电 容 传 输 本 文 重 点 在 于 对 Buck 电 路 构 成 的 DC DC 开 关 电 源 进 行 设 计 与 介 绍 2 2DC DC 变换器拓扑结构 开关变换器的拓扑结构是指能用于转换 控制和调节输入电压的功率开关器 件和储能器件的不同配置 开关变换器的拓扑结构分为两种基本类型 非隔离型 在工作期间输入电源和输出负载共用一个电流通路 和隔离型 能量转换是用 一个相互耦合磁性元件 变压器 来实现的 而且从电源到负载的耦合是借助于 磁通而不是共同的电流 变换器拓扑结构是根据系统造价 性能指标和输入 输 出负载特性等因素选定的 DC DC 拓扑的种类繁多 对于大多数电源产品的设计者来说 挑选合适的 拓扑结构是一项非常艰巨的任务 下面就对各种拓扑结构作一下介绍 2 2 1 非隔离开关变换器 非隔离开关变换器有 4 种基本拓扑结构用于 DC DC 变换器 1 降压变换器 降压变换器将一输入电压变换成一较低的稳定输出电压 输出电压 OUT 和输入电压 的关系为 INU 占空比 式 OUTIN 2 1 式IT 2 2 2 升压变换器 升压变换器将一输入电压变换成一较高的稳定输出电压 输出电压和输入电 压的关系为 式 1 OUTIN 2 3 式IT 2 4 3 逆向变换器 逆向变换器将一输入电压变换成一较低反相输出电压 输出电压与输入 电压的关系为 式 1OUTIN 2 5 式I 2 6 4 Cuk 变换器 Cuk 丘克 变换器将一输入电压变换成一稳定反相较低值或较高值输出 电压 电压值取决于占空比 输出电压输入电压的关系为 式 1OUTIN 2 7 0 5 式INOUT 2 9 2 2 2 隔离开关变换器 有很多隔离开关变换器拓扑结构 但其中三种比较通用 它们是 逆向变换 器 正向变换器 推挽变换器 在这些电路中 从输入电源到负载的能量转换是 通过一个变压器或其他磁通耦合磁性元件实现的 1 逆向隔离变换器 逆向隔离变换器将一输入电压变换成一稳定的取决于变压器匝数比的较低值 或较高值输出电压 输出电压与输入电压的关系式为 式 1 OUTINN 2 10 或 式INOUT INOUT 2 11 式中 N 为变压器匝数比 2 正向隔离变换器 正向隔离变换器将一输入电压变换成一稳定的取决于变压器匝数比的较低值 或较高值输出电压 输出电压和输入电压关系为 式 1 OUTIN 2 12 或 式IT IOUT 2 13 3 推挽隔离变换器 推挽隔离变换器将一输入电压变换成一稳定较低值输出电压 它们的关系为 式 2 OUTIN 2 14 式IOUT 2 15 本设计采用了非隔离变换器中的降压变换器构 成 的 DC DC 开 关 电 源 进 行 设 计 与 介 绍 及 工 作 特 性 2 3 控制方式的选择 开关电源控制技术按调制方式可分为 1 脉冲宽度调制 PWM 2 脉冲频率 调制 PFM 3 脉冲宽度频率调制 PWM PFM 2 3 1 脉冲频率调制 PFM 经典 PFM 也叫跨脉冲调制 PSM 以开关管控制信号 略过一部分时钟周 期而得名 CLKUREFSWITHUINOTOM 图 2 1 经典 PFM 方式 经典脉冲频率调制是一种最简单的控制技术 在该方式下固定时钟被定为 50 占 空比 通过电压反馈实现开关频率的控制 当输出电压低于一定值时 固定时钟 将控制开关开启与关闭 直到输出上升到调整值 当输出高于调整值时 开关管 将关闭直到输出下降到调整值以下 图 2 1 为一种经典 PFM 调制方式原理图 输出通过电阻分压反馈至比较器 COM 输入端与 比较 当低于 时 CLK 将通过 RS 触发器直接控制开关管 REFUREFU 当高于 时则屏蔽一部分时钟 使开关管关闭 通过这样的方式 能量由 传递到 INOT 经典 PFM 模式的电感选择复杂 电压纹波很大 噪声频谱随负载变化很大 电流限制脉冲频率调制不同于 PFM 调制 此调制方式运用峰值电感电流限制和 一个最小关闭或最大开启时间 工作于此模式下 一旦输出电压低于调整值 开 关管将开启直到电感电流达到设计值 此时开关管将关闭一定时间 最小关闭时 间 电感电流开始下降 当该段时间结束时 反馈电路通过对输出电压采样 比较输出电压此时是否低于调整值 若低于则开启开关管 否则继续关闭开关管 由于电流限制脉冲频率调制的电感电流峰值固定 电感容易选择 同时纹波相对 于经 PFM 小 但噪声频谱仍然随负载变化 2 3 2 脉冲宽度调制 PWM 脉宽调制指固定时钟频率 通过调节开关管控制信号的占空比 D 实现对输出 电压的调整 PWM 技术在较宽的负载范围内都具有较高效率 此外因为频率恒 定噪声频谱相对窄 利用简单的低通滤波技术便可得低纹波输出电压 因此 PWM 技术普遍应用于通信技术中 PWM 调制方式根据反馈采样的不同可分为 电压模式和电流模式 1 电压控制模式 图 2 2 电压控制模式电路图 传统 PWM 开关电源采用电压型控制模式 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 图 2 2 为电压控制电路图 电源输出电压 Uout 与参考电压 Uref 经误差放大器比较放大后 又经 PWM 比较器比较 由锁存 器输出占空比随误差电压信号 Ue 变化的一系列脉冲 再驱动控制用的开关晶体 OSCEroAMP R SQLATCHU inUoutUefutU eRCPWMK CLK eROTP 管 使输 出电压稳定 2 电流控制模式 图 2 3 为电流控制模式电路图 图 2 3 电流控制模式电路图 它是一个双控制系统 既保留了电压型控制器的输出电压反馈控制部分 又 增加了一个反馈环节 它的电路工作原理是 与 经误差放大器比较放大OUTref 后 得到 由恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲驱动管导通 电源电路中因输eU 出电感的作用使脉冲电流逐渐增大 当电流在采样电阻 RS上的电流信号电压 VS 幅度达到 电平时 脉宽比较器的状态反转 锁存器复位 驱动撤除 功率管关e 断 电路逐个的检测和调节电流脉冲 控制电源输出 电压控制模式电路控制过程中电感电流未参与控制 是独立变量 开关转换 器为二阶系统 有两个状态变量 即输出滤波电容的电压和输出滤波电感的电流 二阶系统是一个有条件的稳定系统 只有对控制电路进行精心设计和计算 满足 一定条件 方能使闭环系统稳定工作 开关电源的电流均流经电感 将使滤波电 容上的电压信号对电流信号产生 90 度延迟 因此 仅用电压采样的方法反应速 度慢 稳定性差 甚至在大信号变动时产生振荡 从而损坏功率器件 以致在推 挽和全桥等电路中引起变压器偏磁化饱和而产生电流尖峰 最终导致线路工作失 常 电流型控制器正是针对电压型控制器的缺点发展起来的 它增加了电流反馈环 电感电流不再是一个独立变量 从而使开关转换器成为一个一阶无条件的稳定系 统 它只有单个极点和 90 度相位滞后 因而很容易不受约束的得到大的开环增 益和完善的小信号 大信号特性 CLOKEroAMPR SQLATCHU inUoutUefut WMCOP CLOK SOTP sRLACH 2 3 3 PFM PWM 混合调制模式 PFM PWM 混合调制模式 就是当电源芯片外部负载情况改变时 芯片内部 工作方式发生改变 PWM 模式下 由于变换器开关损耗不随负载变化 效率随 负载变低而不降 在轻负载时效率很低 PFM 模式下 变换器开关损耗和传导损 耗随负载电流的降低而降低 在轻负载时 总损耗很小 有较高的转换效率 而 在重负载时效率比 PWM 模式低 当轻负载条件下 间歇的控制开关管的工作 以减小开关管的功率损耗 它 采用高低不同的电压门限将输出电压限制在预先设好的电压波动范围内 当输出 电压低于低门限时 唤醒控制电路 控制开关管工作 对输出电容充电 当输出 电压高于高门限时 使控制电路处于睡眠状态 同时将功率开关管 Q 关闭 由输 出电容提供输出能量 直到输出电压再次低于低门限 这样在轻负载条件时 功 率开关管有较长的关闭时间 从而减小了功率开关管的能量损耗 同时 系统内 部分电路可以关闭 提高了转换效率 混合调制模式立足于负载电流的检测 当负载电流较大时 芯片工作在 PWM 模式 当负载电流较小时 芯片工作在 PFM 模式 因此 混合控制模式在 全负载范围都有较高的转换效率 但是面临着 PFM 的输出噪声频谱比较宽 纹 波较大 EMI 较差 此种方案是基于高转换效率前提 应避免在噪声敏感场合使 用 2 3 4 PWM 与 PFM 的优缺点比较 1 PFM 相比较 PWM 主要优点在于效率 a 对于外围电路一样的 PFM 和 PWM 而言 其峰值效率 PFM 与 PWM 相当 但 在峰值效率以前 PFM 的效率远远高于 PWM 的效率 这是 PFM 的主要优势 b PWM 由于误差放大器的影响 回路增益及响应速度受到限制 PFM 具有 较快的响应速度 2 PFM 相比较 PWM 主要缺点在于滤波困难 a 滤波困难 谐波频谱太宽 b 峰值效率以前 PFM 的频率低于 PWM 的频率 会造成输出纹波比 PWM 偏大 c PFM 控制相比 PWM 控制 IC 价格要贵 总体来说 PFM 之所以应用没有 PWM 多最主要的一个原因就是另外一个原 因就是 PWM 的巨大优点了 控制方法实现起来容易 PFM 控制方法实现起来不 太容易 在中小功率的电源中 电流型 PWM 控制是大量采用的方法 它较电压控制 型有如下优点 逐周期电流限制 比电压型控制更快 不会因过流而使开关管损 坏 大大减小过载与短路的保护 优良的电网电压调整率 迅捷的瞬态响应 环 路稳定 易补偿 纹波比电压控制型小得多 生产实践表明电流控制型的 50W 开关电源的输出纹波在 25mV 左右 远优于电压控制型 硬开关技术因开关损耗的限制 开关频率一般在 350kHz 以下 软开关 技术是应用谐振原理 使开关器件在零电压或零电流状态下通断 实现开关损耗 为零 从而可将开关频率提高到兆赫级水平 这种应用软开关技术的变换器综合 了 PWM 变换器和谐振变换器两者的优点 接近理想的特性 如低开关损耗 恒 频控制 合适的储能元件尺寸 较宽的控制范围及负载范围 但是此项技术主要 应用于大功率电源 中小功率电源中仍以 PWM 技术为主 本次设计也采用的是 PWM 的控制方式 2 3 5 PWM 中的电压控制电路和电流控制电路的性能比较 1 电压控制模式电路的优点是 单环反馈的设计和分析较易进行 锯齿 波振幅较大 对稳定的调制过程可提供较好的噪声余裕 低阻抗功率输出 对多 输出电源具有较好的交互调节特性 电压控制模式电路的缺点是 任何输入电压或输出负载的变化必须首先转 化为输出电压的变化 然后再经反馈环采样反馈控制调节 这意味着动态响应速 度较慢 输出滤波器对控制环增加了两个极点 这就需要增加一个零点补偿 由 于环路增益随输入电压而变化 使得补偿变得更加复杂化 2 电流控制模式电路的优点是 具有良好的线性调制率和快速的输入输 出动态响应 消除了输出滤波电感带来的极点和系统的二阶特性 使系统不存在 有条件的环路稳定性问题 具有最佳的大信号特性 固有的逐个脉冲电流限制 简化了过载保护和短路保护 在推挽电路和全桥电路中具有自动磁通平衡功能 多电源单元并联易于实现自动均流 电流控制模式电路的缺点是 需要双环控制 增加了电路设计和分析难度 因电流上升率不够大 在没有斜波补偿时当占空比大于 50 时 控制环变得不稳 定 抗干扰性能差 因控制信号来自输出电流 功率级电路的谐振会给控制环带 来噪声 因控制环控制电流 使负载调制率变差 在多路输出时 需要耦合电感 实现交互调节 采用简单斜波补偿措施后 电流控制模式电路引起的绝大部分问题都能得到 满意解决 且不影响其优势的发挥 根据以上讨论 本次设计选择电流控制模式为所设计的 PWM 开关电源芯片 的反馈模式 2 4 软开关与硬开关的选择 AC DC DC DC 变换器作为电源系统中为设备提供直流动力的主要装置 面 临着体积更小 重量更轻 效率更高 可靠性更高等诸多要求 变换器必须体现 工作频率由低到高向高频的转换 众所周知 在硬开关方式下不断提高变换器的 工作频率会引起以下问题 1 开关损耗大 开通时 开关器件的电流上升和电压下降同时进行 关断时 电压上升和电流下降同时进行 电压 电流波形的交叠产生了开关损耗 该损耗 随开关频率的提高而急速增加 2 感性关断电压尖峰大 当器件关断时 电路的感性元件感应出尖峰电压 开关频率愈高 关断愈快 该感应电压愈高 此电压加在开关器件两端 易造成 器件击穿 3 容性开通电流尖峰大 当开关器件在很高的电压下开通时 储存在开关器 件结电容中的能量将以电流形式全部耗散在该器件内 频率愈高 开通电流尖峰 愈大 从而引起器件过热损坏 另外 二极管由导通变为截止时存在反向恢复期 开关管在此期间内的开通动作 易产生很大的冲击电流 频率愈高 该冲击电流 愈大 对器件的安全运行造成危害 4 电磁干扰严重 随着频率提高 电路中的 和 增大 从而导致电磁干ditv 扰 EMI 增大 影响整流器和周围电子设备的工作 上述问题严重阻碍了开关器件工作频率的提高 近年来开展的软开关技术研 究为克服上述缺陷提供了一条有效的途径 和硬开关工作不同 理想的软关断过 程是电流先降到零 电压在缓慢上升到断态值 所以关断损耗近似为零 由于器 件关断前电流已下降到零 解决了感性关断问题 理想的软开通过程是电压先降 到零 电流在缓慢上升到通态值 所以开通损耗近似为零 器件结电容的电压亦 为零 解决了容性开通问题 同时 开通时 二极管反向恢复过程已经结束 因此二极管方向恢复问题不 存在 和 的降低使得 EMI 问题得以解决 ditv 因此 软开关总体来说就是 1 软开关技术通过在电路中引入谐振改善了开关的开关条件 大大降低 了硬开关电路存在的开关损耗和开关噪声问题 2 软开关技术总的来说可以分为零电压和零电流两类 按照其出现的先 后 可以将其分为准谐振 零开关 PWM 和零转换 PWM 三大类 每一类都包含 基本拓扑和众多的派生拓扑 3 零电压开关准谐振电路 零电压开关 PWM 电路和零电压转换 PWM 电 路分别是三类软开关电路的代表 谐振直流环电路是软开关技术在逆变电路中的 典型应用 相比之下 现在的软开关技术已经是占据电子领域的主要地位 故在本次设 计中也有很好的运用 2 5 保护电路的选择设计 最理想的电源保护电路应具有以下特性 1 在进入超额定条件时 电源能它全地自动进入自保护状态 例如输入端 的过电压 欠电压保护 输出端的过电压 欠电压保护 短路保护以及过热保护 2 电源进入保护状态期间 其功耗愈小愈好 3 电源进入保护状态期间 电子元器件的工作应力愈小愈好 以使电源进 入睡眠状态 睡眠状态一般有两种方式 第一种是工作于极窄的脉冲宽度状态 第二种是工作于完全关断与极窄的脉冲宽度相交替的间歇状态 从元器件应力和 电源功耗方面来讲 最好是间歇工作状态 以保证即使长期处于保护状态也不损 伤电源寿命 4 保护电路具有自解除功能 电源的保护状态解除后 电源能够从睡眠状 态被自动唤醒进入正常工作状态 5 保护电路的构成愈简单愈好 最好无需再给保护电路另行提供电源 6 保护电路本身的功耗愈小愈好 以保证提高电源的整体效率 本设计中所选芯片含有自带的软启动和过电流 过电压的以及过温保护功能 因此 使得整个电路简单方便了不少 同时也基本上符合了最理想电源保护电路 所应有的特性 也为本次设计节约了不少的时间 在经济方面来说也节省了不少 但由于 选用的 PWM 电流控制在没有斜波补偿时当占空比大于 50 时 控制环 变得不稳定 抗干扰性能差 因此要采用简单斜波补偿措施 具体内容将在后续 中详细介绍 并且 在设计中采用了同步整流技术 这也将在后续中详细介绍 3 工作原理 经过上述方案的讨论和最终的确定 本次 DC DC 开关电源设计是采用的 PWM 控制的电流控制模式降压电路电源设计 并兼有采用软开关技术以及各种 保护电路 下面就详细对各部分的构成及工作原理进行介绍 3 1 开关电源的构成及 DC DC 开关电源的基本原理 3 1 1 开关电源的构成 开关电源是一种比较新型的电源 它具有效率高 重量轻 可升 降压 输 出功率大等优点 但是由于电路工作在开关状态 所以噪声比较大开关电源是利 用现代电力电子技术 控制开关晶体管导通和关断的时间比 维持稳定输出电压 的一种电源 同时具备三个条件的电源可称之为开关电源 这三个条件就是 开 关 电路中的电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态 高频 电路中的 电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频 和直流 电源输出的是直流而 不是交流 开关电源的基本构成如图3 1所示 其中DC DC变换器是进行功率变换的器件 是开关电源的核心部件 此外还有启动电路 过流与过压保护电路 噪声滤波器 等组成部分 反馈回路检测其输出电压 并与基准电压比较 其误差通过误差放 大器进行放大 控制脉宽调制电路 再经过驱动电路控制半导体开关的通断时间 从而调整输出电压 其结构如图3 1所示 图3 1开关电源结构图 3 1 2DC DC 开关电源的基本原理 DC DC 是英语直流变直流的缩写 所以 DC DC 电路是某直流电源转变为不同电 压值的电路 DC DC 是开关电源技术的一个分支 开关电源技术包括 DC DC AC DC 两个分支 在这里先介绍一下 DC DC 开关电源的基本原理 在往后 会重点介绍降压电路的工作原理 DC DC 开关电源工作原理 C2 D Q RLC1Ui L 图 3 2 DC DC 开关电源基本原理图 如图 3 2 所示为 DC DC 的基本原理图 其中 Q 为开关管 L 为储能电感 D 为整流管 C 为滤波电容 RL 为负载 当激励脉冲为高电平时 开关管 Q 饱和 导通 整流管 D 截止 输入电压加在电感 L 上 电感 L 以磁能形式存储能量 当 Q 截止期间 整流管 D 导通 电感 L 储存的能量经 D 释放 在电容 C 两端产 生直流电压 从而为负载 RL 提供供电电源 在给定条件下 输出端电压的高低 由 Q 的饱和导通时间长短决定 即由基极所加激励电压的脉冲宽度决定 上述的是 DC DC 开关电源最基本的电路原理图 其他的电路都是由此衍变 而来的 3 2 降压型 DC DC 变换器的工作原理 在对 DC DC 开关电源的基本原理有了一定的了解后 下面主要讲述的是降 压型电路的工作原理 其主电路如图 3 3 所示 其中 功率 MOSFET 为开关调整元件 它的导通和 关断由控制电路决定 L 和 C 为滤波元件 开关管截止时 二极管 VD 可保持输 出电流连续 所以通常为续流二极管 控制电路输出信号使开关管 VT 导通时 滤波电感 L 中的电流逐渐增加 因此贮能也逐渐增大 电容器 C 开始充电 图 3 3 降压型 DC DC 变换器主电路 忽略 MOSFET 的导通压降 MOSFET 源极电压应为 滤波电感两端电压应为inU 式dtiLUoinL 3 1 由此可以得出 式 dtULIoin 1 3 2 假设输入电压 和输出电压 保持不变 可以得到 in0 minLoinLItI 式 3 3 式中 为 导通前流过电感 L 中的电流 minLITV 可以看出 导通期间 流过电感 L 的电流 线性上升 导通状态结束时 LITV 即 t 时 L 中的电流达到最大值 即ont minmaxLoinLItUI 式 3 4 控制电路使开关管关断时 电感 L 中的电流将减小 L 两端产生的感应电压 使二极管 导通 电感 L 中贮存的能量通过续流二极管传输到负载 忽略续流二DV 极管的导通压降 电感两端电压应为 式dtiUoL 3 5 由此可以得出 式 dtLIo1 3 6 设输出电压 保持不变 则有0U 式maxLoLItI 3 7 式中 为开关管断流前流过电感 L 的电流 maxLI 开关管关断状态结束 即 t 时 电感中的电流下降到最小值 即ont maxmi LofLItUI 式 3 8 将该式带入电感电流最大值表示式 经适当整理后 可以得到 式inoinofnio DTtt 3 9 式中 T 为开关管控制信号的周期 即 D 为开关管导通时间与周期ontf 之比 通常称为控制信号的占空比 从该式可以看出 由于占空比小于 1 该电 路输出电压总是低于输入电压 因此将其称为降压型 DC DC 转换器 3 3PWM 电流控制在降压电路中的工作原理 电路图如图 3 3 中所示 在该电路中 输入电压变化时 保持控制信号的周期 T 不变 改变开关管的 导通时间 即改变控制信号的占空比 D 可使输出电压保持稳定 这种方式称ont 为脉冲宽度调制 PWM 输出电压 的表示式也可变为0U 式ftUTtonioni 3 10 式中 f 为控制信号的频率 可以看出 输入电压变化时 保持控制信号的宽 度 即开关管导通时间 不变 改变控制信号的频率 也可以稳定转换器的输ont 出电压 这种方式称为脉冲频率调制 PFM 电感 L 中的电流 在开关管导通时上升 在开关管关断时下降 若在这样LI 一个周期 T 中 下降到零 并在之后一直保持为零 则开关电源工作在非连续 电流模式 DCM 否则工作在连续电流模式下 CCM 1 连续电流模式 CCM 开关电源工作在 CCM 下时 一个周期内 开关管导通时间为 DT 的上升LI 量为 开关管关断时间为 1 D T 则 的下降量为 0 inUDTL LI 在稳态状态下 在每个周期的末尾和开始必须相等 因此01LI 式DTUoino 1 3 11 于是占空比 D 与 的关系如下 inU0 式ino 3 12 下图显示了 CCM 下 降压型开关电源的主要波形 负载电流 的关系可按每0I 个周期下 向负载传送的电荷与 在同时间下得到的电荷相等得到 LI0I 2 非连续电流模式 DCM 在电感足够小或者输出电流 低于一定值时 开关电源可能进入 DCM 状态 0 开关电源工作在 DCM 时 初始电流 在开关管导通后电感电流可上升到最大值I maxLI 式DTLUIoinL max 3 13 在开关管关断后 电感电流下降为零 所需时间为 0t 式DTULItoino max0 3 14 图 3 4 CCM 下各电流波形图 下图为 DCM 下 各元件通过电流波形图 电感 L 向电容 C 传递的电荷 Q 可 根据在一个周期下对电感电流积分得到 即下图中电感电流 三角波形下的面积 LI 图 3 5 DCM 下各电流波形图 由此 DCM 下的输出电流 表示如下 0I 式TItDQLo2 max0 3 15 整理可得 式 212inoioTUDLIU 3 16 由上式可知 电感越小 越大 越容易进入 DCM 状态 in 若在给定电感 L 的情况下 且 时 可计算发生 DCM 的i0 01tT 临界输出电流 ocrI 式2max2ILDTUIoinocr 3 17 3 4 软开关技术的工作原理 3 4 1 软开关技术 在硬开关过程中 会产生较大的开关损耗和开关噪声 开关损耗随着开关频 率的提高而增加 使电路效率下降 发热量增加 温升提高 阻碍了开关频率的 提高 开关噪声给电路带来严重的电磁干扰问题 影响周边电子设备的正常工作 通过在原来的开关电路中增加很小的电感 电容等揩振元件 构成辅助换相 网络 在开关过程前后引入谐振过程 使开关器件开通前电压先降为零 或关断 前电流先降为零 就可以消除开关过程中电压 电流的重叠 降低它们的变化率 从而大大减小甚至消除开关损耗和开关噪声 这样的电路称为软开关电路 软开 关电路中 典型的开关过程如图 3 6 所示 这样的开关过程称为软开关 u i p 0 u u i t t0 u i p 0 u ui i t t0 a 软开关的开通过程 b 软开关的关断过程 图3 6 软开关的开关过程 3 4 2 软开关电路的分类 1 根据开关元件开通和关断时电压电流状态 分为零电压电路和零电流 电路两大类 2 根据软开关技术发展的历程可以将软开关电路分成准谐振电路 零开 关 PWM 电路和零转换 PWM 电路 3 每一种软开关电路都可以用于降压型 升压型等不同电路 可以从基 本开关单元导出具体电路 因此可以用图 3 7 中的基本开关单元来表示 不必画出各种具体电路 实际 使用时 可以从基本开关单元导出具体电路 开关和二极管的方向应根据电流的 方向相应调整 软 开 关 技 术 是 使 功 率 变 换 器 得 以 高 频 化 的 重 要 技 术 之 一 它 应 用 谐 振 的 原 理 使 开 关 器 件 中 的 电 流 或 电 压 按 正 弦 或 准 正 弦 规 律 变 化 当 电 流 自 然 过 零 时 使 器 件 关 断 或 电 压 为 零 时 使 器 件 开 通 从 而 减 少 开 关 损 耗 a 基本开关单元 b 降压斩波器中的基本开关单元 c 升压斩波器中的基本开关单元 d 升降压斩波器中的基本开关单元 图 3 7 基本开关单元的概念 它 不 仅 可 以 解 决 硬 开 关 变 换 器 中 的 硬 开 关 损 耗 问 题 容 性 开 通 问 题 感 性 关 断 问 题 及 二 极 管 反 向 恢 复 问 题 而 且 还 能 解 决 由 硬 开 关 引 起 的 EMI 等 问 题 如 今 软 开 关 变 换 器 都 应 用 了 谐 振 原 理 在 电 路 中 并 联 或 串 联 谐 振 网 络 势 必 产 生 谐 振 损 耗 并 使 电 路 受 到 固 有 问 题 的 影 响 为 此 人 们 在 谐 振 技 术 和 无 损 耗 缓 冲 电 路 的 基 础 上 提 出 了 组 合 软 开 关 功 率 变 换 器 的 理 论 组 合 软 开 关 技 术 结 合 了 无 损 耗 吸 收 技 术 与 谐 振 式 零 电 压 技 术 零 电 流 技 术 的 优 点 其 基 本 原 理 是 通 过 辅 助 管 实 现 部 分 主 管 的 零 电 流 关 断 或 零 电 压 开 通 主 管 的 其 余 软 开 关 则 是 由 无 损 耗 吸 收 网 络 来 加 以 实 现 吸 收 能 量 恢 复 电 路 被 ZCT ZVT 谐 振 电 路 所 取 代 辅 助 管 的 软 开 关 则 是 由 无 损 耗 吸 收 网 络 或 管 电 压 电 流 自 然 过 零 来 加 以 实 现 换 言 之 即 电 路 中 既 可 以 存 在 零 电 压 开 通 也 可 以 存 在 零 电 流 关 断 同 时 既 可 以 包 含 零 电 流 开 通 也 可 以 包 含 零 电 压 关 断 是 这 四 种 状 态 的 任 意 组 合 由 此 可 见 由 无 损 耗 缓 冲 技 术 和 谐 振 技 术 组 合 而 成 的 新 型 软 开 关 技 术 将 成 为 新 的 发 展 趋 势 3 5 保护电路中斜波补偿 在保护电路中具有软启动保护 过流与过压保护等 但在设计中所选的芯片 含有这些功能 因此 在这里主要详细介绍斜波补偿及系统稳定性研究 电流型 DC DC 变换器是采用电流反馈环控制系统的集成电路 它的反馈信号取 自输出电流 用反馈电流调整控制器的输出脉冲宽度改变脉冲的占空比 实现开 关电源的稳压输出 误差信号控制峰值开关电流 由于平均电感电流仅随误差信 号 的变化而变化 因此电感可相当于一个电流源 这样就使得集成电路几项性能得 到改善 例如改善了电源的瞬态响应 电源调整率也得到改善 设计控制环路更 简单 更容易 3 5 1 次谐波振荡产生的原因 当控制信号方波的占空比大于 50 时 电感电流连续时可能会出现低次谐波 振荡 这种不稳定性取决于稳压器的闭环特性 由电感电流或者控制电压的扰动 造成的 1 电感电流的扰动 由于电路工作过程中各种因素的影响 可能会造成电感电流突然发生变化 一般情况下 这种变化可以通过电路内部的反馈调节机制来重新达到一定的平衡 然而 在占空比大于 50 时可能会产生低频振荡甚至是不稳定的状态 当占空比大于 50 时 由于电感电流上升时的斜率 m1 要小于下降时的斜 m2 每经过一个周期 电感电流的值偏离正常工作时的平衡值越来越0I 大 系统变得不稳定 同时我们可以看到 如果占空比小于 50 即 m1 的值于 m2 的值 那么 系统将在几个周期之后恢复到远离的平衡状态 0I 2 控制电压的扰动 在 时 开关导通开始 电感电流以 m1 的斜率上升 在 处 电流检测输入0t 1t 达到由控制电压建立的门槛值 这就使功率开关关断并使电流以 m2 的斜率衰减 直至下一个振荡周期 如把一个扰动加在控制电压上 就产生一个小的 I 虚 线 不稳定的情况就会出现 由于固定的振荡时间 电流衰减时间被减小 并且在开关导通 时的最小电2t 流增加到 121 m 在下一个周期 时的最小电流减小到 在每一随后3t 12121 m 周期 这个扰动的值大小就会被乘上 如果 小于 1 也就是占空比2 小于 50 时 这个扰动的值是在逐渐减小的 在开关导通情况下电感电流经过几 次交替增加和减少 形成好几个振荡周期 再逐步达到一个稳定的值 但是 如 果 的值大于 1 也就是占空比大于 50 时 扰动的值是逐渐增大的 电感21 m 电流无法重新回到平衡状态 系统是发散的 变得不稳定 并且 比值越大 21 m 即占空比越大 系统也就越不稳定 3 5 2 斜波补偿的方法与作用 为了解决电流型 PWM 控制模式中出现的次谐波振荡问题 我们可以对电感 电流 I 上升的斜率进行补偿 也就是加大等效的 实际上也就相当于人为的1 减小了占空比 使其等效成占空比小于 0 5 时的稳定情况 增加 I 也就是增加电 流反馈的到的电压 实际上和减小控制电压是等效的 所以在分析补偿作用时 我们来看减小控制电压的情况 具体应用过程中 两种方法都是可行的 是3m 引入的斜波信号的斜率 这个斜波信号的频率与 PWM 时钟同步 这样一来 经过 一个周期后扰动量变为 式 3120mI 3 18 由于占空比越大 系统就越不稳定 需要补偿的幅度也就越大 所以我们要 考虑占空比接近于 1 时的情况 在 100 占空比时要使 求解式 3 18 0I 的方程 得出 式213m 3 19 因此 只要使斜波补偿信号的斜率大于电流波形下降斜率的 1 2 就可以保 证占空比大于 50 时系统能稳定工作 在实际应用中 根据经验值 一般 使得在任何条件下 的值都满足式 3 19 从而确保系统稳定工324m 3 作 在电路设计中 由于斜波补偿信号的频率与 PWM 时钟同步 因此可以由振 荡器得到补偿斜波 在振荡器的输出端接上一个一定大小的电容 通过电容的充 放电 得到需要的斜波信号 除了上面介绍的消除次谐波振荡以外 斜波补偿还有提高电流检测精度的功 能 由于在电流型控制中依靠对电感电流上升斜波的检测完成控制 所以若电流 变化率较大 可以提供较好的抗噪声干扰能力和为电流比较器提供较好的信号电 平 而采用斜波补偿的方法 等于人为地改善了电感电流上升斜率 使其具有类 似于电压控制模式抗噪声裕度较大的优点 当外加补偿斜波信号的斜率增加到一 定程度 峰值电流模式控制就会转化为电压模式控制 4 主要元器件的介绍 因为元器件直接决定了电源的可靠性 所以元器件的选用非常重要 因此该 恰当地选用合适的元器件 尽量选用硅半导体器件 少用或不用锗半导体器件 多采用集成电路 减少分立器件的数目 开关管选用 MOSFET 能简化驱动 电路 减少损耗 输出整流管尽量采用具有软恢复特性的二极管 应选择金 属封装 陶瓷封装 玻璃封装的器件 禁止选用塑料封装的器件 集成电路必 须是一类品或者是符合 MIL M 38510 MI