【文章內(nèi)容簡介】 其誤差電壓再被誤差放大器放大后輸出至功率 開關(guān)管 VT，來控制功率開關(guān)管 VT 的導(dǎo)通、截止，達(dá)到控制脈沖占空比的目的，從而穩(wěn)定直流輸出電壓。由于采用變壓器耦合，因此變壓器的初、次級(jí)可以相互隔離，從而使初級(jí)側(cè)電路地與次級(jí)側(cè)電路地分開，做到次級(jí)側(cè)電路地不帶電，使用安全。 圖 并聯(lián)開關(guān)電源原理圖 正激開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 正激開關(guān)電源是一種采用變壓器耦合的降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源，其電路如圖 所示。加在變壓器 N1，繞組上的電壓振幅等于輸人電壓 Ui，功率開關(guān)管 VT 導(dǎo)通時(shí)間 TON 為開關(guān)脈沖寬度，變壓器次級(jí)側(cè)開關(guān)脈沖電壓經(jīng)二極管 V1 整流變?yōu)橹绷鳌? 圖 正激開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 正激開關(guān)電源電路正激開關(guān)電源的特點(diǎn)是，當(dāng)初級(jí)側(cè)的功率開關(guān)管 VT 導(dǎo)通時(shí)，電源輸入側(cè)的能量由次級(jí)側(cè)二極管 V1 經(jīng)輸出電感 L 為負(fù)載供電；當(dāng)功率開關(guān)管 VT 斷開時(shí)，由續(xù)流二極管 V2 繼續(xù)為負(fù)載供電，并由消磁繞組 N3 和消磁二極管 V3 將初級(jí)繞組N1 的能量回饋到電源輸入端。 反激開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 如圖 所示。當(dāng)功率開關(guān)管 VT 導(dǎo)通時(shí)，輸入側(cè)的電能以磁能的形式存儲(chǔ)在變壓 6 器的初級(jí)線圈 N1 中，由于同名端關(guān)系，次級(jí)側(cè)二極管 V1 不導(dǎo)通，負(fù)載沒有電流流過。當(dāng)功率開關(guān)晶體管 VT 斷開時(shí)，變壓器次級(jí)繞組以輸出電壓 U0為負(fù)載供電，并對(duì)變壓器進(jìn)行消磁。 圖 反激開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 反激開關(guān)電源電路簡單，輸出電壓 U0高于輸入電壓 Ui又可低于輸入電壓 Ui 一般適用在輸出功率為 200W 以下的開關(guān)電源中。 半橋開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 如圖 所示。兩個(gè)功率開關(guān)管 VT1 和 VT2 在開關(guān)脈沖信號(hào)的作用下，交替地導(dǎo)通與截止。當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通、 VT2 截止時(shí)，輸入電壓 Ui經(jīng) VT1 變壓器初級(jí)繞組 N1 和電容 C2 為變壓器初級(jí)線圈 N1 勵(lì)磁，同時(shí)經(jīng)次級(jí)側(cè)二極管 V1,繞組 N2 給負(fù)載供電。當(dāng)開關(guān)管 VT1 截止、 VT2 導(dǎo)通時(shí)，輸入電源經(jīng) C變壓器初級(jí) 側(cè)繞組 N1 和開關(guān)管 VT2給變壓器初級(jí)繞組 N1 勵(lì)磁，同時(shí)經(jīng)次級(jí)側(cè)二極管 V2 給負(fù)載供電。所以 ,初級(jí)側(cè)電源通過功率開關(guān)管 VT V2 交替給變壓器初級(jí)線圈 N1 勵(lì)磁并為負(fù)載供電。變壓器初級(jí)側(cè)的脈沖電壓峰值為 Ui/2。 圖 半橋開關(guān)電源電路及波形 半橋開關(guān)電源的最大優(yōu)點(diǎn)是自平衡能力強(qiáng)，不易使變壓器由于 VT VT2 的導(dǎo)通時(shí) 7 問不一致而產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象，使功率開關(guān)管 VT VT2 損壞。可以起到自平衡對(duì)稱作用。 全橋開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 如圖 所示。由 4 個(gè)功率開關(guān)管 VT VT VT VT4 組成一個(gè)電橋形式 的電路，其中，由 VT1 與 VT VT2 與 VT3 分別組成兩個(gè)導(dǎo)通回路。當(dāng) VT VT3 的觸發(fā)控制信號(hào)有效時(shí)， VT VT4 的觸發(fā)控制信號(hào)無效， VT VT3 導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓 Ui經(jīng) VT2 變壓器的初級(jí)線圈 N1 和 VT3 形成電流回路，加至變壓器初級(jí)線圈的電壓為電源電壓 Ui，并經(jīng)次級(jí)側(cè)二極管 V1 整流、濾波后為負(fù)載供電。同理，當(dāng) VT VT3 關(guān)斷 ,VTVT4 導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓 Ui從和 VT VT3 導(dǎo)通時(shí)電流相反的方向?yàn)樽儔浩鞒跫?jí)線圈 N1勵(lì)磁，并通過次級(jí)線圈 N2 和整流二極管 V2 為負(fù)載供電，這樣在次級(jí)得到如 Up 所示的脈沖波 形。 圖 全橋開關(guān)電源電路及波形 與 半橋開關(guān)電源相比，由于加在全橋變壓器初級(jí)線圈上的電壓、電流比半橋開關(guān)電源的各大一倍，因此在同樣的電源供電電壓 Ui 下，全橋開關(guān)電源的輸出功率是半橋開關(guān)電源的 4 倍。全橋開關(guān)電源常用在輸出功率較大的場(chǎng)合。 DCDC 變換器 可以將 DCDC 管理電源芯片分成三類：開關(guān)電源、線性集成穩(wěn)壓器、電荷泵，在此我們只討論開關(guān)電源類。 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器作為開關(guān)電源的一種電源管理芯片，在電子產(chǎn)品中應(yīng)用很廣泛，它通過控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)間比率，使用電感，變壓器 ，電容等貯能元件從輸入端向輸出端傳送能量，調(diào)節(jié)電路能量傳輸過程，使輸出信號(hào)保持恒定 [10]。 本論文主要 研究的是 Buck 型 DCDC 變換器，因?yàn)樵擃愞D(zhuǎn)換器在便攜式電子產(chǎn)品中 8 比較常見。 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器通常由主電路和控制電路兩大部分組成，其電路框圖如圖 所示。主電路也稱功率級(jí)，用于完成電能的轉(zhuǎn)換和傳輸，對(duì)設(shè)備的電性能、效率、溫升、可靠性、體積和重量等指標(biāo)有著決定性的作用，通常包括輸入電源、功率開關(guān)管、整流管以及儲(chǔ)能電感、濾波電容和負(fù)載?？刂齐娐酚糜诳刂浦麟娐返墓ぷ鳡顟B(tài)，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管的通斷實(shí)現(xiàn)輸出 電壓的調(diào)節(jié)并保證輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)設(shè)定值。 圖 開關(guān)型 DCDC 轉(zhuǎn)換器框圖 開關(guān)型 DCDC 轉(zhuǎn)換器主電路最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有 Buck 型、 Boost 型和 BuckBoost型三種，各自的電路架構(gòu)如下圖所示，其他的結(jié)構(gòu)都是從這三種構(gòu)架中衍變出來的。 每種結(jié)構(gòu)的輸入輸出電壓大小和極性關(guān)系如下： (1) Buck 型 ——降壓斬波器，如圖 (a)所示。其輸出平均電壓 Vo 小于輸入電壓Vt，極性相同。 (2) Boost 型 ——升壓斬波器，如圖 (b)所示。其輸出平均電壓 Vo 大于輸入電壓Vt，極性相同。 (3) Buck——Boost 型 ——降壓或升壓斬波器，如圖 (c)所示。其輸出平均電壓Vo 可以大于或小于輸入電壓 Vt，極性相反，電感傳輸。 圖 (a)Buck 型 (b)Boost 型 (c) Buck Boost 型 變換器 正激式電路構(gòu)成一大類開關(guān)電源拓?fù)洌潆娐方Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)是功率管之后或變壓器二次側(cè)輸出整流器之后緊跟 LC 濾波器。圖 是一種簡單正激式變換器電路，即所謂的Buck 變換器。 9 電路的工作可以看作一個(gè)機(jī)械飛輪和單活塞發(fā)動(dòng) 機(jī)。電路的 LC 濾波器就是飛輪，存儲(chǔ)從驅(qū)動(dòng)器輸出的脈沖功率。 LC 濾波器的輸入就是經(jīng)過斬波以后的電壓。 LC 濾波器平均了占空比調(diào)制的脈沖電壓。 LC 濾波器的作用可用下式表示 [1]： Vout = inV D 式 （ 24） 式中： D——占空比。 圖 基本的正激式變換器（ Buck 變換器） 通過控制電路改變占空比，既可保持輸出電壓恒定。 Buck 變換器之所以 被稱作降壓變換器，是因?yàn)樗妮敵鲭妷罕囟ǖ陀谳斎腚妷骸? 我們可以把 Buck 電路的工作過程分成兩個(gè)階段。當(dāng)開關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓加到 LC濾波器的輸入端，電感上的電流以固定斜率線性上升。電感上的電流用下面的公式描述： )(onLi =ooutinLVV ? ton + minI 式 （ 25） 在這 個(gè)階段，存儲(chǔ)在電感上的能量為： )(21 2m in2 IILE pkostor e d ?? 式 （ 26） 輸入的能量就存儲(chǔ)在電感鐵心材料的磁通中。 圖 正激式變換器 （ Buck 變換器）電壓電流波形 當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，由于電感上的電流不能突變，電感電流就通過二極管續(xù)流，該二極管稱為續(xù)流二極管，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)原先流過開關(guān)管電流的續(xù)流，同時(shí)電感中存儲(chǔ)的一 10 部分能量向負(fù)載釋放。續(xù)流電流包括：二極管、電感、負(fù)載。在這階段流過電感上的電流用下式描述： oof foutpkof fL L tVIi ??)( 式 （ 27） 在這個(gè)階段，電流波形是一條斜率為負(fù)的斜線，斜率為 Vout/L0 。當(dāng)開關(guān)再次導(dǎo)通時(shí)，二極管迅速關(guān)斷，電流從輸入電源和開關(guān)管流過。在開關(guān)導(dǎo)通前瞬間，電感上的電流 Imin就是開關(guān)管通過的初始電流。 直流輸出的負(fù)載電流在最大值和最小值之間波動(dòng)。在典型應(yīng)用中，電感電流的最大值為負(fù)載電流的 150％，最小值為負(fù)載電流的 50％。 Buck 型變換器 的優(yōu)點(diǎn)是：輸出電壓的紋波峰峰值比升壓式變換器低，同時(shí)可以輸出比較高的功率，正激式變換器可以提供 數(shù)千瓦的功率 [3]。 在功率開關(guān)管和 LC 濾波器之間可以放置一個(gè)用于提升或降低輸入電壓的變換器。這些拓?fù)浣M成了一類變換器，稱為變壓器隔離正激式變換器。使用變壓器的好處是：實(shí)現(xiàn)輸入與輸出間的電隔離，可以增加輸出電壓的組數(shù)，并且使輸出電壓不會(huì)受輸入電壓高低的限制。 變換器 另一類變換器是升壓式變換器，最基本的升壓式變換器，即所謂的 Boost 變換器 [3]。 圖 基本的升壓式變換器（ Boost 變換器） 升壓式變換器與正激式變換器 （ Buck） 有相同的組成部分，只是它們的位置被重新布 置一下。新的布置使變換器的工作過程和正激式變換器 （ Buck） 完全不同。在這種情況下，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流環(huán)路僅包括電感、開關(guān)管和輸入電壓源。在這段時(shí)間中，二極管是反向阻斷的。電感電流波形也是以固定斜率線性上升，可用下式描述： LtVti oninonL ?)( 式 （ 28） 在這個(gè)階段，能量存儲(chǔ)在電感鐵心的磁通中。開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于電感中的電流不 11 能突變，于是二極管立刻正向?qū)?。這時(shí)，電感與開關(guān)相連 端的電壓被輸出電壓鉗位，這個(gè)電壓被稱作反激電壓，其幅值是輸出電壓加上二極管的正向?qū)▔航?。在開關(guān)管關(guān)斷這段時(shí)間里，電感上的電流用下式表示： L tVVItI of finoutpkof fL )()( ??? 式 （ 29） 如果在下個(gè)周期之前，鐵心中的磁通完全為零，就稱電路工作在電流斷續(xù)模式。在這種情況下，電流和電壓波形如圖所示。如果鐵心中的磁通沒有完全變?yōu)榱?，還有一部分剩磁，就稱電路工作在電流連續(xù)模式，見圖 。由于升壓式變換器工作在電流連續(xù)模式下存在固有的不穩(wěn)定問題，所以升壓式變換器通 常工作在電流斷續(xù)模式下。 Boost 變換器工作在電流斷續(xù)模式下，存儲(chǔ)在電感中的能量為： 221pkstored LIE ? 式 （ 210） 單位時(shí)間內(nèi)，傳輸?shù)哪芰繛椋ń?/秒或瓦）必須滿足負(fù)載連續(xù)功率消耗的需求。這就意味著在開關(guān)管導(dǎo)通期間，存儲(chǔ)的能量要足夠大，即電流峰值 IPK 要滿足下式的要求 [8]。 221pkopoutl oa d LIfPP ??? 式 （ 211） 式中： fop變換器的開關(guān)頻率。 221pkopoutl oa d LIfPP ??? 式 （ 212） 式中： fop 變換器的開關(guān)頻率。 圖 所示的 Boost 變換器只能用于升壓情況，也就是說輸出電壓必須高于輸入電壓的最大幅值。如果用一個(gè)變壓器來代替電感，就成為了反激式變換器。 圖 Boost 變換器電流連續(xù)模式的波形圖 由于升壓式變換器中峰值電流較高， 因此只適合于功率不大于 150W 的應(yīng)用場(chǎng)合。在所有拓?fù)渲校@類變換器所用的元件較少，因而在中小功率的應(yīng)用場(chǎng)合中很多。 12 3. Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器及其控制方式分析 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)是功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，一個(gè)周期內(nèi)，電子開關(guān)接通時(shí)間 ton 所占整個(gè)周期 Ts 的比例，稱接通占空比 D， D=ton/TS；斷開時(shí)間 toff所占的比例，稱斷開占空比 D＇ , D＇ = toff/Ts， 很明顯，接通占空比越大，負(fù)載上電壓越高； 1/TS=fs稱開關(guān)頻率， fs 越高，負(fù) 載上電壓也越高。因此直流開關(guān)變換器的基本工作方式有三種：一是脈寬調(diào)制方式 (PWM)， TS不變，改變 ton(通用 )則可以控制輸出電壓的大??；二是頻率調(diào)制方式 (PFM)， ton 不變，改變 Ts (易產(chǎn)生干擾 )同樣可以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓大小的效果；三是脈寬調(diào)制和頻率調(diào)制混合控制方式 (PWM／ PFM) [2]。 假設(shè)開關(guān)是理想的，那么當(dāng)開關(guān)閉合則其上的電壓降為零，因此功耗為零，當(dāng)開關(guān)斷開則電流為零，功耗也為零。所以用理想的無損耗開關(guān)器件，并利用電感、電容組成的低通濾波網(wǎng)絡(luò)消除不需要的開關(guān)頻率諧波，便可以得到穩(wěn)定的直流輸 出電壓。如果電感、電容元件也是理想的，那么該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到 10%。然而實(shí)際中開關(guān)器件和電容、電感元件以及控制開關(guān)器件通斷的控制電路都要產(chǎn)生一定的功耗，因而開關(guān)電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率不可能達(dá)到 100%，一般是 (80～ 90)%，有的甚至達(dá)到 90%以上，所以開關(guān)電源的效率是很高的 [2]。 圖 DCDC 控制系統(tǒng)示意圖 前面已經(jīng)指出直流開關(guān)變換器中開關(guān)器件的導(dǎo)通與截止是通過一個(gè)反饋控制系統(tǒng)控制的。因?yàn)檩敵鲭妷菏情_關(guān)占空比的函數(shù)，所以要求控制系統(tǒng)能調(diào)節(jié)占空比，使得輸出電壓始終能夠穩(wěn)定在一個(gè)給定的電壓。 圖 所示是一個(gè)直流開關(guān)