【正文】 紹了開關(guān)電源的原理，并對(duì)本文的章節(jié)進(jìn)行安排。 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。驅(qū)動(dòng)開關(guān)管導(dǎo)通。這就是控制的原理，它是一個(gè)單環(huán)控制系統(tǒng) [14]。從控制的角度看，這是一種單環(huán)控制系統(tǒng)。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。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。 開關(guān)穩(wěn)壓電源的電路原理框圖如圖 11 所示。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)。這類芯片很多，如東芝公司的八位單片機(jī) TMP88CK49/CM49,Motorola 公司的八位單片機(jī) MC68HC708MP16,Intel 公司的 16 位微處理器 8XC196MC。如 Mullard 公司的 HEF4752,無須微處理器配合，屬于純硬件實(shí)現(xiàn)方法，使用簡(jiǎn)單，省去編寫軟件的麻煩，開發(fā)周期短，但欠靈活性，難以實(shí)現(xiàn)更多的功能。數(shù)字化的 PWM 控制芯片相對(duì)模擬 PWM 控制芯片 (如TL494,SG3525,UC3844 等 )，因其抗干擾、抗溫漂等方面的優(yōu)點(diǎn)成為主流產(chǎn)品。Amplifier。首先對(duì)芯片的工作原理和系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行了研究和分析，包括開關(guān)電源變換器的整個(gè)控制回路?？刂苹芈钒ㄕ`差放大器，基準(zhǔn)電壓源，振蕩器，比較器和保護(hù)電路等，完成了具 體電路的設(shè)計(jì)，給出了所有的電路圖。Reference。典型 PWM 調(diào)速控制芯片特點(diǎn)隨著微處理器技術(shù)的發(fā)展，其與 PWM 技術(shù)相結(jié)合，形成了各類特色的控制方案，主要可分為以下幾類 : (1)采用單一的通用微處理器 (單片機(jī) )來產(chǎn)生 SPWM。 (3)采用微處理器和專用大規(guī)模集成電路相結(jié)合的方式，可以兼具靈活、簡(jiǎn)單、易于開發(fā)、功能勿、一展的特點(diǎn)，如 Siemens 公司的 SEL4520,Mitel 公司的SA4828 等，但成本較高。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。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)電源包括主電路和控制電路兩部分。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。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。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。 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。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)。 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。 第二章介紹開關(guān)電源控制電路的原理和基本結(jié)構(gòu)。 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。以 Buck 變換器為例，峰值電流型控制系統(tǒng)原理如圖 21。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。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。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。內(nèi)部結(jié)構(gòu)功能框圖如下圖 24。設(shè)計(jì)控制芯片內(nèi)部的放電電流為。 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 。 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。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。振蕩器外接電容器的充電電流也由基準(zhǔn)電壓源供給。 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 欠壓鎖定處用滯后比較器實(shí)現(xiàn)。一旦正常工作后， VDD 小于 時(shí)也能正常工作，我們稱 為啟動(dòng)電壓。一般要求這些電壓源的直流輸出電平較穩(wěn)定，而且這個(gè)直流電平應(yīng)該對(duì)電源電壓和溫度不敏四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 12 感。由室溫下溫度系數(shù)為 ℃的 pn節(jié)二極管 產(chǎn)生電壓 BEV 。 因此 BEV 的關(guān)系式為： 代信敏： PWM 芯 片設(shè)計(jì)及在開關(guān)電源中的應(yīng)用 13 )J/Jl n ()q/kT()T/Tl n ()q/r k T()T/T(VT/VV COC00B E O0BE ???? (36) BEV 與溫度的關(guān)系為： )q/k)((T/)VV(TT|dT/dV 0GOBE0BE ??????? (37) 300K 時(shí)， BEV 關(guān)于溫度的變化約為 ℃ 。它屬于一種具有電流輸出能力的可調(diào)基準(zhǔn)電壓源。其內(nèi)部電路結(jié)構(gòu)如圖 33 所示。 TL431 的穩(wěn)壓原理可分析如下：當(dāng)由于某種原因致使 Vo 升高時(shí)，取樣電壓vref 也隨之升高，使 VREFVref，比較器輸出高電平，令 VT 導(dǎo)通， Vo ↓。 芯片 TL431 主要是在開關(guān)電源 芯片中作的直流穩(wěn)壓基準(zhǔn)為內(nèi)部一些器件提供基準(zhǔn)電源。依靠這種方式，電壓源的波動(dòng)可從本質(zhì)上被消除，其結(jié)果通常提高由此類電源驅(qū)動(dòng)的電路的性能。這是一個(gè)串聯(lián) — 并聯(lián)反饋結(jié)構(gòu)，對(duì)大環(huán)路增益，有 2R/)2R1R(*VRV r e f ?? (311) 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 16 改變 R1/R2 的比例可以改變輸出電壓。電壓調(diào)節(jié)器要求輸出阻抗較小。用一個(gè)電流源連在電容上代信敏： PWM 芯 片設(shè)計(jì)及在開關(guān)電源中的應(yīng)用 17 起放電開關(guān)的作用。這樣電容上的電壓就是一個(gè)有 峰 峰值的 鋸齒波。 振蕩器電路 RS 觸發(fā)器的電路圖如圖 37 所示，當(dāng) R 輸入電壓為 5V 時(shí)，輸出跳變到低電平；同理，當(dāng) S 輸入電壓為 5V時(shí)，輸出跳變到高電平。因?yàn)檎袷幤鞣烹姇r(shí)下降速度比較快，所以比較器 1 的延時(shí)需要盡量小。 mA8R/2lnV*10*15I tea r gd is c h ?? (312) V r e fCT 圖 310 放電電流源電路圖 代信敏： PWM 芯 片設(shè)計(jì)及在開關(guān)電源中的應(yīng)用 19 電壓誤差放大器 電壓誤差放大器的正向端是電壓調(diào)節(jié)器輸出的 電壓。運(yùn)算跨導(dǎo)放大器是無輸出緩沖極的運(yùn)算放大器。 輸出極采用乙類輸出極。 Q2處于放大區(qū)，因?yàn)?Q2 的集電極接的是電源電壓，而基極電壓不可能超過它的。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 20 M5M7M6M 1 2M8M 1 1M1 M2M3M4 M 1 0Q1Q2Q5Q6 Q3Q4R4R2R3R1C1D1M9M 1 3Q7VDD2 . 5 V FBV b i a sC O M PV b i a s n 圖 311 電壓誤差放大器內(nèi)部電路結(jié)構(gòu) 電流比較器 電流比較器 圖 312 圓圈所示就是電流比較器。電平移位和電阻分壓 功能都由電流比較器電路實(shí)現(xiàn)。當(dāng)比較器處于放大區(qū)中點(diǎn)時(shí)，輸入極 P1和 P2 通過相同的電流。當(dāng)電流檢測(cè)達(dá)到 1V 閾值時(shí)，不管電壓誤差放大器輸出，過流保護(hù)電路在 35ns 內(nèi)關(guān)斷輸出。 四川理工學(xué)院本科畢業(yè)（設(shè)計(jì)）論文 22 當(dāng) CS 電壓遠(yuǎn)小于 1V 時(shí)， P1 處于飽和區(qū)， P2 處于三極管區(qū)。 P1 電流為 62u,P2 電流為 50u。 P4 晶體管導(dǎo)通， P3 關(guān)斷。過流保護(hù)電路實(shí)現(xiàn)其作用。由 P6 提供的 13uA偏置電流經(jīng)過 P3 流到 M2。 V o u tV b i a s1VV r e f1 1 2 u 1 3 uP1 P2P3 P4P5 P6 P7M1 M2 M3 圖 315 過流保護(hù)電路 圖 316 表明，當(dāng) CS 電壓逐漸升高直到大于 時(shí)， outV 輸出高電平；當(dāng)CS 電壓逐漸降低直到小于 時(shí)， outV 輸出低電平。 第 1 腳為內(nèi)部直流基準(zhǔn)源的輸入電壓 Vi，要求輸入 Vi 當(dāng)然要大于輸出 Vo中的最大值，即大于 36V。因?yàn)榈?2 腳加在誤差放大器的負(fù)端，那么誤差放大器就是反向輸出，所以第 1 腳與第 2 腳電壓的變化相反。用一個(gè)電流源連在電容上起放電開關(guān)的作用。 RS 觸發(fā)器的輸出就是時(shí)鐘信號(hào)，時(shí)鐘周 期約等于充電時(shí)間而電容電壓 RCt/ ??? 計(jì)算可得充電時(shí)間約為 ? 。 第 9 腳電源電壓 VDD 供給端 ,它的工作電壓必須在正常工作范圍內(nèi)芯片才能正常工作，在第 9 腳內(nèi)部接有一個(gè)穩(wěn)壓管 ZD1，其 穩(wěn)壓電壓為 36V,為內(nèi)部的器件提供安全的電壓環(huán)境，當(dāng) VDD 超過了穩(wěn)壓管的電壓時(shí)，將會(huì)被箝位。 outV 是開關(guān)電源的輸出。在開關(guān)電壓輸出 outV 達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)的 5V前， PWM 控制器芯片輸出占空比接近于 1 的脈沖，使 outV 快速上升。 11029583746R1C1R2R3R4V R 1VDDC2RTCTQ1GDST300V初級(jí)次級(jí)+ 5 V R負(fù)反饋電路振蕩器外接RC電路 圖 41 芯片外部應(yīng)用電路 如圖所示為芯片的外部部分連接圖，第一腳為內(nèi)部基準(zhǔn)輸入電壓提供端。第五腳為振蕩器的外接 RC 電路的連接端，在第五腳處輸入鋸齒波電壓。第十腳為內(nèi)部基準(zhǔn)電壓輸出端，基準(zhǔn)電壓如圖所示為振蕩器的外部 RC 電路提供5V 的基準(zhǔn)電壓。電路正常工作后，取樣電路反饋的低壓直流信號(hào)經(jīng) 3 腳送到內(nèi)部的誤差比較放大器，與內(nèi)部的基準(zhǔn)電壓進(jìn)行比代信敏： PWM 芯 片設(shè)計(jì)及在開關(guān)電源中的應(yīng)用 29 較，產(chǎn)生的誤差信號(hào)送到脈寬調(diào)制電路，完成脈沖寬度的調(diào)制，從而達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓的目的。 PWM 控制芯片輸出周期一定、高電平存在時(shí)間可調(diào)的驅(qū)動(dòng)脈沖信號(hào)。因此，即使系統(tǒng)工作在占空比大于 50％或連續(xù)的電感電流條件下，系統(tǒng)也不會(huì)出現(xiàn)不穩(wěn)定的情況。采用無感電阻后，其阻抗不會(huì)隨著頻率的增加而增加。如果把反饋信號(hào)接到 芯片 的電壓反饋端，則反饋信號(hào)需連續(xù)通過兩個(gè)高增益誤差放大器，傳輸時(shí)間增長(zhǎng)。 V E B3VC2V r e f10R t / C t5Vi