【正文】 MC68HC708MP16,Intel 公司的 16 位微處理器 8XC196MC。特別是高速運(yùn)算能力 DSP 核的嵌入常見的如 TI 公司的 TM5320F24X 系列、 AD 公司的 ADMCF32X 系列，使得此類芯片完全可以實(shí)現(xiàn)高性能的控制算法，如磁場(chǎng)定向控制、無速度傳感器矢量控制等。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 2 PWM 控制型開關(guān)電源電路原理 近年來，脈寬調(diào)制（ PWM）控制技術(shù)得到較快速發(fā)展，用 PWM 控制開關(guān)變換器，即 PWM 開關(guān)電源。 PWM 控制方式的開關(guān)電源因?yàn)殡娐泛唵危刂品奖愣@得普遍應(yīng)用。相對(duì)傳統(tǒng)的線性電源而言，開關(guān)電源具有體積小，成本低，效率高等顯著優(yōu)點(diǎn)。在電源領(lǐng)域內(nèi)開關(guān)電源的應(yīng)用越來越廣泛。 開關(guān)電源的基本工作原理 開 關(guān)電源以半導(dǎo)體開關(guān)器件的啟閉為基本原理，即通過控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的世界比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。 PWM 開關(guān)電源的換能電路將輸入的直流電壓轉(zhuǎn)換成脈沖電壓，再將脈沖電壓經(jīng) LC 濾波轉(zhuǎn)換成直流電壓 [9]。 開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖如圖 11 所示。開關(guān)電源包括主電路和控制電路兩部分。虛線框內(nèi)是控制電路部分，是本文所要設(shè)計(jì)的芯片。交流電壓經(jīng)整流電路及濾波電路整流濾波后，變成含有一定脈動(dòng)成份的直流電源，該電壓通過功率轉(zhuǎn)換電路進(jìn)入高頻變換器被轉(zhuǎn)換成所需電壓值的方波，最后再將這個(gè)方波電壓經(jīng)整流濾波變?yōu)樗枰?直流電壓。反饋控制電路為脈沖寬度調(diào)制器（ PWM），它主要由取樣器、比較器、振蕩器、脈寬調(diào)制及基準(zhǔn)電壓等電路構(gòu)成。這部分電路目前已集成化，制成了各種開關(guān)電源專用集成電路。控制電路用來調(diào)整高頻開關(guān)元件的開關(guān)時(shí)間比例，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 開關(guān)電源的功率調(diào)整器件處于開關(guān)工作狀態(tài)。作為開關(guān)而言，導(dǎo)通時(shí)，壓降很小，幾乎不消耗能量，關(guān)斷時(shí)漏電流很小，也幾乎不消耗能量，所以開關(guān)電源的公路轉(zhuǎn)換效率可達(dá) 80%以上。開關(guān)電源的濾波電感的體積和重量也因?yàn)楣ぷ黝l率提高而減小，所需的濾波電容也減小。 代信敏： PWM 芯 片設(shè)計(jì)及在開關(guān)電源中的應(yīng)用 3 PWM 電路的分類 PWM 控制型的開關(guān)電源可分為兩類型，一種是電壓控制型，它只對(duì)輸出電壓采樣，作為反饋信號(hào)進(jìn)行閉環(huán)控制。采樣脈寬調(diào)制（ PWM）技術(shù)，調(diào)節(jié)輸出電壓。從控制的角度看，這是一種單環(huán)控制系統(tǒng)。另一種是電流控制型，在 PWM電壓控制的基礎(chǔ)上，增加一個(gè)電流反饋環(huán)節(jié)，使其成為雙環(huán)控制系統(tǒng)，從而提高了電源性能。 圖 12 為電壓控制型開關(guān)電源的原理圖。電源輸出電壓 V0 的采樣值與參考電壓進(jìn)行比較放大，得到誤差信號(hào) Ve ，它與鋸齒波信號(hào)比較后，由脈寬比較 器輸出占空比隨輸出電壓變化的 PWM 波，從而控制輸出電壓保持穩(wěn)定。這就是控制的原理，它是一個(gè)單環(huán)控制系統(tǒng) [14]。 功率轉(zhuǎn)換電路 高頻變換器 圖 11 開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖 輸出整流濾波 DC 取樣器 比較器 脈寬調(diào)制 振蕩器 基準(zhǔn)電壓 AC 輸入整流濾波 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 4 V C C123誤差放大123脈寬比較器鋸齒波電路整流濾波采樣電路V0參考VS 圖 12 電壓控制型開關(guān)電源原理圖 圖 13 為電流型開關(guān)電源的原理圖。它是一個(gè)雙環(huán)控制系統(tǒng)，有一個(gè)內(nèi)環(huán)，一個(gè)外環(huán) — 電壓環(huán)。其工作原理是：恒頻時(shí)鐘脈沖、置位鎖存器，輸出高電平信號(hào)。驅(qū)動(dòng)開關(guān)管導(dǎo)通。隨著開關(guān)管中的電流脈沖逐步增大，當(dāng)電流在采樣電阻RS 上的電壓幅值 VS 達(dá)到 Ve 電平時(shí)。脈沖比較器翻轉(zhuǎn)，鎖存器復(fù)位，驅(qū)動(dòng)信號(hào)變低，開關(guān)管關(guān)斷。電路就是這樣逐個(gè)的檢測(cè)和調(diào)節(jié)電流脈沖。 V C C123誤差放大123脈寬比較器整流濾波采樣電路V0參考VSRS 鎖存器時(shí)鐘Ve 圖 13 電流型脈寬調(diào)制器原理框圖 本文的主要工作 20 多年來，集成開關(guān)電源沿著集成化方向發(fā)展，首先是對(duì)開關(guān)電源的核心代信敏： PWM 芯 片設(shè)計(jì)及在開關(guān)電源中的應(yīng)用 5 單元 — 控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。 1977 年國外首先研制成脈寬調(diào)制（ PWM）控制器集成電路，美國摩托羅拉公司、硅通用公司、尤尼德公司等相繼推出一批 PWM芯片，典型產(chǎn)品有 MC3520,SG3524,芯片。 90 年代以來，國外又研制出開關(guān)頻率達(dá) 1MHZ 的高速 PWM、 PFM90（脈沖頻率調(diào)制）芯片，典型產(chǎn)品有 UC182UC1864。 本文的主要工作是設(shè)計(jì)開關(guān)電源的芯片電路，該集成電路采用 PWM 工作方式， 需要較少的外部元件即能構(gòu)成完整的開關(guān)電源，工作頻率 1MHz，并具有過流保護(hù)功能。 第一章介紹開關(guān)電源的背景、現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì)，同時(shí)介紹了開關(guān)電源的原理，并對(duì)本文的章節(jié)進(jìn)行安排。 第二章介紹開關(guān)電源控制電路的原理和基本結(jié)構(gòu)。 第三章介紹控制芯片各個(gè)模塊電路原理，所設(shè)計(jì)的具體電路。 第四章介紹控制芯片幾種典型的開關(guān)電源中的應(yīng)用。 第五章總結(jié)該電路的設(shè)計(jì)工作。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 6 第 2 章 PWM 控制芯片電路的原理 PWM 控制芯片原理 電流控制的 PWM 技術(shù)是一種新穎的控制技術(shù)， 1967 年由美國 BOSE 公司提出。該 技術(shù)由不同路線方案來實(shí)現(xiàn)，其共同特點(diǎn)是：利用電感電流的反饋直接去控制功率開關(guān)的占空比，以實(shí)現(xiàn)峰值電流對(duì)電壓反饋的跟蹤。 電流型控制分為峰值電流控制、平均電流控制和滯環(huán)電流控制。 （ 1）峰值電流控制 峰值電流控制是最常用的電流型控制方式。以 Buck 變換器為例，峰值電流型控制系統(tǒng)原理如圖 21。每 1 個(gè)開關(guān)周期開始，由時(shí)鐘信號(hào) CLK 經(jīng)過觸發(fā)器，驅(qū)動(dòng)開關(guān) VF 導(dǎo)通，當(dāng)電流 iVF 的檢測(cè)信號(hào)峰值達(dá)到電流給定值 Ve 時(shí)，觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)，開關(guān) VF 關(guān)斷。因此只要系統(tǒng)中電流稍有變化，占空比可以較快產(chǎn)生調(diào)節(jié)作用，使輸出電壓 V0 接近給定 Vr。 峰值電流型 PWM 控制的優(yōu)點(diǎn)是：消除了輸出濾波電感在系統(tǒng)傳遞函數(shù)中產(chǎn)生的極點(diǎn)，使系統(tǒng)傳遞函數(shù)由二階降為一階，解決了系統(tǒng)有條件的環(huán)路穩(wěn)定問題；具有良好的線性調(diào)整率和快速的動(dòng)態(tài)響應(yīng)；固有的逐個(gè)開關(guān)周期的峰值電流限制，簡化了過載保護(hù)和短路保護(hù)；多個(gè)電源模塊并聯(lián)式易于實(shí)現(xiàn)均流。缺點(diǎn)是：不能準(zhǔn)確控制電感的平均電流，回路增益對(duì)電網(wǎng)電壓變化敏感，開關(guān)噪聲容易造成開關(guān)管誤動(dòng)作等。 DRVi驅(qū)動(dòng) RSC L KVei v fV0VDDVF 圖 21 峰值電流控制系統(tǒng)原理框圖 代信敏： PWM 芯 片設(shè)計(jì)及在開關(guān)電源中的應(yīng)用 7 （ 2）平均電流型控制 圖 22 以 Buck 變換器為例，給出平均電流控制的電路框圖，電流給定信號(hào)Ve 式 電壓調(diào)節(jié)器的輸出，圖中未畫出電壓環(huán)。 平均電流型控制方案需要檢測(cè)電感電流 iL,電流檢測(cè)信號(hào)與電流給定 Ve 比較后，經(jīng)過電流調(diào)節(jié)器生成控制信號(hào) VC， VC 再與鋸齒波調(diào)制信號(hào)比較，產(chǎn)生 PWM脈沖。電流調(diào)節(jié)器一般采用 PI 型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可以濾除采樣信號(hào)中的高頻分量，與峰值電流控制相比，它直接控制電感電流的平均值，抗擾性好。但是檢測(cè)電感電流有時(shí)比較復(fù)雜，或檢測(cè)元件損耗較大。 123A123ViVF V0iLDVCVe 圖 22 平均電流控制的電路框圖 （ 3）滯環(huán)電流型控制 圖 23 以 Buck 開關(guān)變換器為例，給出滯環(huán)電流型控制的電路框圖，圖中未畫出電壓環(huán)。滯環(huán)電流 型控制也是檢測(cè)電感電流，與電流給定值 Ve 比較后，輸入給滯環(huán)比較器或滯環(huán)邏輯元件。 為實(shí)現(xiàn)滯環(huán)電流型控制，滯環(huán)比較器中設(shè)定上限值 Vemax 和下限值 Vemin。當(dāng)電感電流 iL 的檢測(cè)信號(hào)下降到下限 Vemin 時(shí)，比較器輸出高電平，使功率開關(guān)關(guān)斷，電感電流下降。被檢測(cè)的電感電流決定了開關(guān)關(guān)斷、開通時(shí)間。滯環(huán)控制方式下，變換器是變頻工作的，其開關(guān)頻率一般隨輸入電壓、輸出電壓和負(fù)載的變化而變化，因此輸入、輸出濾波器的設(shè)計(jì)比較復(fù)雜。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 8 123AViVF V0iLDVCVDVe 圖 23 滯環(huán)電流型控制的電路框圖 PWM 控制芯片電路的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 芯片的主要 特點(diǎn)是： 1. 1MHz 開關(guān)頻率 2. 50uA 備用電流， 100uA 最大電流 3. 在 52kHz 開關(guān)頻率時(shí)所需電流低至 4. 逐周限流時(shí)間快至 35ns 5. 誤差放大器的基準(zhǔn)電壓為 6. 振蕩器放電電流精確 7. 新型的欠壓鎖定模塊 所設(shè)計(jì)的 PWM 控制器，它主要包括欠壓鎖定電路，振蕩器，電流比較器，電壓調(diào)節(jié)器，誤差放大器，過流保護(hù)和用做基準(zhǔn)的參考電壓部分。內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能框圖如下圖 24。 代信敏： PWM 芯 片設(shè)計(jì)及在開關(guān)電源中的應(yīng)用 9 圖 24 芯片結(jié)構(gòu)框圖 1. 振蕩器 振蕩器的工作頻率和放電電流都是調(diào)整好的，并且嚴(yán)格設(shè)定了工 作頻率和死區(qū)的最小變化率。振蕩頻率由外接電阻 RT 決定。 CT 的放電電流由通過 RT 的電流和控制芯片內(nèi)部的放電電流之差決定。設(shè)計(jì)控制芯片內(nèi)部的放電電流為。 RT 的阻值較大時(shí)，放電時(shí)間由控制芯片內(nèi)部的放電電流和 CT 的容量決定。 RT 的阻值較小時(shí)，對(duì)放電時(shí)間也有較大的影響。在一個(gè)振蕩周期內(nèi)，電容CT 充電時(shí)，輸出脈沖最大占空比受振蕩器的可控死區(qū)限制。 2. 電壓誤差放大器 設(shè)計(jì)電壓誤差放大器的直流增益為 90dB，增益帶寬為 。內(nèi)部的 5V基準(zhǔn)電壓經(jīng)分壓后產(chǎn)生 電壓，該電壓直接加在電壓誤差放大器的同向端。開 關(guān)電源的輸出電壓經(jīng)過電阻分壓后反饋到放大器的反響輸入端。設(shè)計(jì)放大器輸出端輸出的電流限制在 1mA，放大器輸出端吸入電流為 10mA。 3. 電流比較器 為 了 能夠?qū)崿F(xiàn)逐周控制，如此設(shè)計(jì)電流比較器：在每個(gè)振蕩周期開始時(shí)，輸出端開通。當(dāng)外接開關(guān)管的電流達(dá)到正比于放大器輸出電壓的最大門限值時(shí)，輸2 89 1 3 4 5 10 7 6 誤差放大器 9 Vcc 欠壓鎖定 VREF 欠壓鎖定 PWM 鎖定 +5V基準(zhǔn) 參考 調(diào)節(jié) 振蕩器 電流比較器 VCC Vout 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 10 出端關(guān)斷，直到下一個(gè)振蕩周期開始。此時(shí)開關(guān)電源的峰值開關(guān)電流正比于誤差電壓。 4. 欠壓鎖定 在電源達(dá)到啟動(dòng)電壓之前，欠壓鎖定電路阻止芯片內(nèi)部的基準(zhǔn)電源電路和輸出極開始工作。電源電壓低于啟動(dòng)電壓時(shí)，設(shè)計(jì)芯片的靜態(tài)電流小于 250uA。 5. 基準(zhǔn)電 壓 設(shè)計(jì)內(nèi)部基準(zhǔn)電壓為 5V，誤差在177。 1%以內(nèi)?；鶞?zhǔn)電壓源為內(nèi)部邏輯電路和振蕩電路供電。振蕩器外接電容器的充電電流也由基準(zhǔn)電壓源供給。電壓誤差放大器的正向端 電壓也由基準(zhǔn)電壓分壓所得?；鶞?zhǔn)電壓源能提供 20mA 電流。 代信敏： PWM 芯 片設(shè)計(jì)及在開關(guān)電源中的應(yīng)用 11 第 3 章 PWM 芯片電路設(shè)計(jì)及工作過程 欠壓鎖定 欠壓鎖定電路實(shí)現(xiàn)的功能是：當(dāng)電源電壓大于 時(shí)，芯片正常工作；當(dāng)電源電壓小于 時(shí)，芯片不工作。 本文用滯后比較器來實(shí)現(xiàn)電路得欠壓鎖定，在 VDD 欠壓鎖定處和 Vref 欠壓鎖定處用