【文章內(nèi)容簡介】 01IiGEi （ a） （ b） 圖 2 1 升壓斬波電路及其工作波形 （ a ） 電路圖 （ b ） 波形 工 作 原 理 ： （ 1） 當(dāng) VT 導(dǎo)通時(shí)，電源 E 向串在回路中的電感 L 充電，電感電壓左正右負(fù)；而負(fù)載電壓上正下負(fù)，此時(shí)在 R 與 L 之間的二極管 VD 被反偏截止。由 于電感 L 的恒流作用，此充電電流為恒值 1I 。另外， VD 截止時(shí) C 向負(fù)載 R 放電，由于 C 已經(jīng)被充電且 C 容量很大，所以負(fù)載電壓保持為一恒值，記為 oU 。設(shè) VT的導(dǎo)通時(shí)間為 ont ，則此階段電感 L 上的儲能可以表示為 1onEIt ； （ 2）在 VT 關(guān)斷時(shí)，儲能電感 L 兩端電勢極性變成左負(fù)右正， VD 轉(zhuǎn)為正偏，電感 L 與電源 E 疊加共同向電容 C 充電，向負(fù)載 R 供能。如果 VT 的關(guān)斷時(shí)間為 offt ，則此時(shí)間內(nèi)電感 L 釋放的能量可以表示為 01()offU E It? 8 工作模態(tài)分析及相關(guān)理論推導(dǎo) 升壓斬波電路有電感電流分析 Boost 升壓斬波電路有電感電流連續(xù)和電感電流斷續(xù)兩種工作狀態(tài)，當(dāng)電路工作于電感電流連續(xù)模式時(shí)，電路的工作波形如圖 22 所示。 S0tont offt0toU0t0tLiVi 1t2tVU0t 圖 22 Boost 升壓斬波電路電感電流連續(xù)工作時(shí) 的波形 如上圖所示， Boost 升壓斬波電路工作于電感電流連續(xù)模式時(shí)，電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)相繼經(jīng)歷了兩個(gè)開關(guān)狀態(tài)，其各時(shí)段的工作狀態(tài)描述如下： 0t 1t 時(shí)段：開關(guān) MOS 管導(dǎo)通，電壓 iU 向電感 L 充電，電感電流不斷增大，續(xù)流二極管 D 此時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)電容 C2 上的電壓向負(fù)載供電。 1t 2t 時(shí)段：開關(guān) MOS 管關(guān)斷，續(xù)流二極管 D 導(dǎo)通 ，整流電壓 iU 和電感 L通過續(xù)流二極管 D 共同向電容 C2 充電，并向負(fù)載提供能量，電感電流不斷減小。 Boost 升壓斬波電路工作于電感電流連續(xù)模式時(shí)有： UUtU iio ffo DT ??? 1 1 （ 21） 式中： T— — MOS 管的一個(gè)開關(guān)周期； ont —— MOS 管在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)處于通態(tài)的時(shí)間； oft —— MOS 管在一個(gè) 開關(guān)周期內(nèi)處于斷態(tài)的時(shí)間； DC/DC升壓斬波變換器的原理分析及設(shè)計(jì) 9 D—— 占空比 ， TtD on? 。 由上式可知，當(dāng)占空比 1?D 時(shí)， ??oU ，所以應(yīng)避免占空比 D 過于接近1，以免斬波電路輸出電壓過高造成電路損壞。 當(dāng) Boost升壓斬波電路工作于電感電流斷續(xù)模式時(shí)，電路的工作波形如圖 23所示。 S0tont offt0toU0t0tLiVi 1t3tZU2t0tVU 圖 23 Boost升壓斬波電路電感電流斷續(xù)工作時(shí)的波形 如上圖所示， Boost 升壓斬波電 路工作于電感電流斷續(xù)模式時(shí)，電路在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)相繼經(jīng)歷了三個(gè)開關(guān)狀態(tài)，其各時(shí)段的工作狀態(tài)描述如下： 0t 1t 時(shí)段：開關(guān) MOS 管導(dǎo)通，整流電壓 iU 向電感 L 充電，電感電流不斷增大，續(xù)流二極管 D 此時(shí)處于關(guān)斷狀態(tài)，同時(shí)電容 C2 上的電壓向負(fù)載供電。 1t 2t 時(shí)段：開關(guān) MOS 管關(guān)斷，續(xù)流二極管 D 導(dǎo)通，整流電壓 iU 和電感 L通過續(xù)流二極管 D 共同向電容 C2 充電，并向負(fù)載提供能量，電感電流不斷減小。 2t 3t 時(shí)段：開關(guān) MOS 管仍處于斷態(tài)，在 2t 時(shí)刻電感電流減小到 0；續(xù)流二極管 D 關(guān)斷，電感電流將保持零值到 3t 時(shí)刻，且電感兩端的電壓也為零，在這一時(shí)段，開關(guān) MOS 管兩端的電壓等于輸入的直流電壓 iU ，同時(shí)負(fù)載由電容 C2提供能量。 Boost 升壓斬波電路工作于電感電流斷續(xù)模式時(shí)有： 10 zo UKU 2411 ??? （ 22） 式中： TRD LK 22? （ 23） 升壓斬波電路能使輸出電壓高于電源電壓的主要原因： （ 1） L 儲能之后具有使電壓泵升的作用 （ 2）電容 C 可將輸出電壓保持住 控制電路模塊 電流型 PWM 控制實(shí)現(xiàn)的幾種方案 升壓斬波電路的控制一般是由電流型 PWM 控制技術(shù)實(shí)現(xiàn)的，它分為一下幾種控制方案： （ 1） 峰值電流模 式控制 (Peak Current． Mode Control PWM) 峰值電流模式簡稱電流模式控制，是一種固定時(shí)鐘開啟、峰值電流關(guān)斷的控制方法。 峰值電流模式控制 PWM 的優(yōu)點(diǎn) : ①暫態(tài)閉環(huán)響應(yīng)較快，對輸入電壓的變化和輸出負(fù)載的變化的瞬態(tài)響應(yīng)均快 。 ②控制環(huán)易于設(shè)計(jì) 。 ③輸入電壓的調(diào)整可與電壓模式控制的輸入電壓前饋技術(shù)相妣美 。 ④簡單自動(dòng)的磁通平衡功能 。 ⑤瞬時(shí)峰值電流限流功能，即內(nèi)在固有的逐個(gè)脈沖限流功能 。 ⑥自動(dòng)均流并聯(lián)功能。 缺點(diǎn)： ①占空比大于 50%的開環(huán)不穩(wěn)定性，存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差 。 ②閉環(huán)響應(yīng)不如平均電流模式控制理想 。 ③容易發(fā)生次諧波振蕩，即使占空比小于 50%，也有發(fā)生高頻次諧波振蕩的可能性。因而需要斜坡補(bǔ)償 。 ④對噪聲敏感，抗噪聲性差。因?yàn)殡姼刑幱谶B續(xù)儲能電流狀態(tài)，與控制電壓編程決定的電流電平相比較，開關(guān)器件的電流信號的上斜坡通常較小，電流信號上的較小的噪聲就很容易使得開關(guān)器件改變關(guān)斷時(shí)刻，使系統(tǒng)進(jìn)入次諧波振DC/DC升壓斬波變換器的原理分析及設(shè)計(jì) 11 蕩 。 ⑤電路拓?fù)涫芟拗?。 ⑥對多路輸出電源的交互調(diào) 節(jié)性能不好。 (2)平均電流模式控制 PWM(Average Current． Mode Control PWM) 平均電流模式控制概念產(chǎn)生于 70年代后期。平均電流模式控制 PWM集成電路出現(xiàn)在 90年代初期，成熟應(yīng)用于 90年代后期的高速 CPU專用的具有高 di/dt動(dòng)態(tài)響應(yīng)供電能力的低電壓大電流開關(guān)電源。 平均電流模式控制的優(yōu)點(diǎn)是： ①平均電感電流能夠高度精確地跟蹤電流編程信號 。 ②不需要斜坡補(bǔ)償 。 ③調(diào)試好的電路抗噪聲性能優(yōu)越 。 ④適合于任何電路拓?fù)鋵?入或輸出電流的控制 。 ⑤易于實(shí)現(xiàn)均流。 缺點(diǎn)是： ①電流放大器在開關(guān)頻率處的增益有最大限制 。 ②雙閉環(huán)放大器帶寬、增益等配合參數(shù)設(shè)計(jì)調(diào)試復(fù)雜。 （ 3） 電壓模式控制 PWM(Voltagemode Control PWM) 電壓模式控制 PWM 是 60年代后期開關(guān)穩(wěn)壓電源剛剛開始發(fā)展而采用的第一種控制方法。該方法與一些必要的過電流保護(hù)電路相結(jié)合，至今仍然在工業(yè)界很好地被廣泛應(yīng)用。 電壓模式控制的優(yōu)點(diǎn)： ① PWM三角波幅值較大，脈沖寬度調(diào)節(jié)時(shí)具有較好的抗噪聲裕量 。 ②占空比調(diào)節(jié)不受限制 。 ③對于多路輸出電源，它們之間的交互調(diào)節(jié)效應(yīng)較好 。 ④單一反饋電壓閉環(huán)設(shè)計(jì)、調(diào)試比較容易 。 ⑤對輸出負(fù)載的變化有較好的響應(yīng)調(diào)節(jié)。 缺點(diǎn)： ①對輸入電壓的變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢 。 ②補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)本來就較為復(fù)雜，閉環(huán)增益隨輸入電壓而變化使其更為復(fù)雜 。 ③輸出 LC濾波器給控制環(huán)增加了雙極點(diǎn)，在補(bǔ)償設(shè)計(jì)誤差放大器時(shí)，需要將主極點(diǎn)低頻衰減，或者增加一個(gè)零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償 。④在傳感及控制磁芯飽和故障狀態(tài)方面較 為麻煩復(fù)雜。 （ 4）其他實(shí)現(xiàn)方案： 還包括滯環(huán)電流模式控制 PWM、 相加模式控制 PWM，但是這兩種沒有前 12 面三種應(yīng)用的廣泛。 不同的 PWM反饋控制模式具有各自不同的優(yōu)缺點(diǎn)，在設(shè)計(jì)開關(guān)電源選用時(shí)要根據(jù)具體情況選擇臺適的 PWM控制模式。這種選擇一定要結(jié)合考慮具體的開關(guān)電源的輸入和輸出電壓要求、主電路拓?fù)浼捌骷x擇、輸出電壓的高頻噪聲大小以及占空比變化范圍等。 手段 （ 1）在解決問題時(shí)無論是穩(wěn)態(tài)問題和動(dòng)態(tài)問題在過壓和欠壓時(shí)主要應(yīng)用電力電子技術(shù)變換電路。 （ 2）在應(yīng)用的過程中利用電流電壓的雙反饋閉環(huán)系統(tǒng)來 控制。 （ 3）在 UC3842 芯片中管腳 3 用于電流的反饋，管腳 2 用于電壓的反饋。 _+A 1UR_+A 2R 1R 3R 1RC UO 1UO 2 圖 24 PWM 脈沖調(diào)制器電路原理圖 （ 1）當(dāng) UR=0V 時(shí)的波形圖（占空比為 50%） ttU o 1U o 200 圖 25 調(diào)制信號的輸出波形 DC/DC升壓斬波變換器的原理分析及設(shè)計(jì) 13 （ 2）當(dāng) UR 變化，則占空比必然變化， UR 增大， Uo1 變寬。 （ 3）采 UC3842 實(shí)現(xiàn)。 技術(shù)路線 （ 1） 利用對全控器件觸發(fā)角的控制實(shí)現(xiàn)對功率因數(shù)的改變。 （ 2）對控制模塊的 選擇問題。 可行性論證 （ 1）在電力電子技術(shù)中的相關(guān)應(yīng)用技術(shù)都已經(jīng)得到了充分的應(yīng)用。 （ 2）電壓、電流反饋控制模塊已經(jīng)被廣泛應(yīng)用了。 電流型 PWM 升壓變換器控制芯片設(shè)計(jì) UC3842A UC3843A 中文資料 UC3842A UC3843A 是高性能固定頻率電流模式控制器專為離線和直流至直流變換器應(yīng)用而設(shè)計(jì)，為設(shè)計(jì)人員提供只需最少外部元件就能獲得成本效益高的解決方案。這些集成電路具有可微調(diào)的振蕩器、能進(jìn)行精確的占空比控制、溫度補(bǔ)償?shù)膮⒖肌⒏咴鲆嬲`差放大器。電流取樣比較器和大電流圖騰柱式輸出，是驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 的理想器件。 其它的保護(hù)特性包括輸入和參考欠壓鎖定，各有滯后、逐周電流限制、可編程輸出靜區(qū)時(shí)間和單個(gè)脈沖測量鎖存。這些器件可提供 8 腳雙列直插塑料封裝和 14 腳塑料表面貼裝封裝 （ SO14）。 SO14 封裝的圖騰柱式輸出級有單獨(dú)的電源和接地管腳。 UC3842A 有 16V（通）和 10 伏（斷）低壓鎖定門限，十分適合于離線變換器。 UC3843A 是專為低壓應(yīng)用設(shè)計(jì)的，低壓鎖定門限為 伏（通）和 （斷）。 特點(diǎn) : （ 1） 微調(diào)的振蕩器放電電流，可精確控制占空比 . （ 2）電流模式工作到 500KHZ （ 3）自動(dòng)前饋補(bǔ)償 （ 4）鎖存脈寬調(diào)制，可逐周限流 （ 5）內(nèi)部微調(diào)的參考電壓，帶欠壓鎖定 （ 6）大電流圖騰柱輸出 （ 7）欠壓鎖定，帶滯后 （ 8）低啟動(dòng)和工作電流 （ 9）直接與安森美 半導(dǎo)體的 SENSEFET 產(chǎn)品接口 14 圖 26 UC3842 和 UC3843 芯片的內(nèi)部結(jié)構(gòu)簡化框圖 圖 27 UC3842 和 UC3843 芯片的外部引腳分布圖 本次設(shè)計(jì)所采用的 UC3842 芯片的特點(diǎn)： UC3842 芯片共有 8 個(gè)管腳，其中各個(gè)管腳的功能如下 ： （ 1） 1 號管腳的功能為 補(bǔ)償，該管腳為誤差放大器輸出，并可用于環(huán)路補(bǔ)償。 （ 2） 2 號管腳的功能為 電壓反饋，該管腳是誤差放大器的反相輸入端，通常通過一個(gè)電阻分壓器連至開關(guān)電源輸出。 （ 3） 3 號管腳的功能為 電流取樣，一個(gè)正比于電感器電 流的電壓接至此輸入，脈寬調(diào)制器使用此信息中止輸出開關(guān)的導(dǎo)通。 （ 4） 4 號管腳的功能為 RT/CT， 通過將電阻 RT 連接至 Vref 以及電容 CT 連接至地，使振蕩器頻率和最大輸出占空比可調(diào)。工作頻率可達(dá) 500kHz 。 （ 5） 5 號管腳的功能為 地 ， 該管腳是控制電路和電源的公共地（僅對 8 管腳DC/DC升壓斬波變換器的原理分析及設(shè)計(jì) 15 封裝如此）。 （ 6） 6 號管腳的功能為 輸出 ， 該輸出直接驅(qū)動(dòng)功率 MOSFET 的柵極，高達(dá) 的峰值電流經(jīng)此管腳拉和灌。 （ 7） 7 號管腳的功能為 VCC， 該管腳是控制集成電路的正電源。 （ 8） 8 號管腳的功能 為 Vref， 該管腳為參考輸出，它通過電阻 RT 向電容 CT提供充電電流。