【文章內(nèi)容簡介】 (PushPull Converter) 推挽變換器拓撲如圖 ，該電路中，兩只開關管輪流導通，輸出脈動頻率提高一倍，脈動電壓小，濾波 容易，輸出電壓易高。變壓器能夠 雙向勵磁，磁芯利用率高，開關管 的電壓應力高，達到輸入電壓的兩倍，所以推挽變換器適合用在低輸 入電壓的中、大功率的開關電源中。該電路的二次側(cè)可以接成全波整流、全橋整流或倍流整流形式。另外，由于開關的導通壓降和 開關時間不可能一致，容易引起變壓 器偏磁，甚至飽和，須采取特別的方法來解決。過去常用的方法是選用特性較一致的開關管，并適當增加變壓器磁路中的氣隙，使之在電路不平衡狀態(tài)下，磁通不至于飽和。現(xiàn)在主要采用電流控制，使電流峰值自動平衡。 圖 推挽變換器 半橋變換器 (Halfbridge Converter) W1 W2 S1 S2 W3 W4 D2 D1 L C S W1 D W2 8 半橋變換器拓撲如圖 ，電路中只有一個橋臂采用了兩個開關管串 聯(lián)，另外一個橋臂是兩個電容串聯(lián)，這兩個電容用來分壓，流通高頻開關工作的交流電流成份，也起到輸 入電 壓的濾波作用。與推挽變換器一樣，電路的二次側(cè)可以接成全波 整流、全橋整流或倍流整流形式。半橋變換器電路的開關電壓應 力為輸入電源電壓，變換器開通時，變壓器原邊所加的電壓只有輸入電 壓的一半，故該電路適用于較高的直流輸入電壓。限制了變換器的輸出功率，要增加輸出功率，必須提高開關的電流應力。 半橋變換器電路利用輸入電容的充放電特性自動調(diào)整兩個輸入電容上的電壓，使變壓器在工作周期的正負半周伏秒平衡，故該電路不容易發(fā)生變壓器偏 磁和直流飽和的問題。半橋變換器的橋臂為兩開關管串聯(lián)。故存在橋臂直通的 問題，需要設適當死區(qū)時間。 S1S2W2W 2 39。W1D1D2LC 圖 半橋變換器 全橋變換器 (FullBridge Converter) 全橋變換器拓撲如圖 ，全橋變換器電路結(jié)構(gòu)復雜，成本高，該電路的 逆變電路由四個開關組成，互為對角的兩個開關同時導通，而同一側(cè)半橋上下 兩開關交替導通，這樣存在橋臂直通問題，需要設置適當?shù)乃绤^(qū)時間。 S1 S 139。S 239。S2W2W 2 39。W1D1D2LC 圖 全橋變換器 全橋變換器的變壓器雙向勵磁，并且與推挽變換器相比較，在輸入電壓相同的條件下，開關管的電壓應力為輸入電壓的 1/2，因此全橋變換器適用于輸入電壓高的數(shù)百瓦－數(shù)十 9 千瓦的各種工業(yè)用開關電源中。 另外，若互為導通的開關導通時間不對稱，會在變壓器一次電流中產(chǎn)生很 大的直流分量，并可能造成磁路飽和，故全橋變換器應避免電壓直流分量的產(chǎn) 生，也可在一次回路中串聯(lián)一個隔離電容。 本次設計選取半橋型電路。 從目前市場上流行的微機電源看，按主回路的不同，大體可以分為單管自激式 PWM可調(diào)穩(wěn)壓電源和它激式半橋型 PWM 可調(diào)穩(wěn)壓電源兩大類。前者電路簡單、成本低，但輸出功率也較低，一般只適用于 8bit微機。后者工作頻率較高、輸出功率較大，但電路結(jié)構(gòu)復雜、成本較高，是目前 PC市場上的主流電源。 軟開關的選用 在主電路中 ，是否采用軟開關技術也是一個破費斟酌的問題。 開關電源的小型化、輕量化最直接的途徑是提高開關頻率。但是在提高開關頻率的同時，開關損耗也同時增加，電路效率嚴重下降，電磁干擾也會增大，所以簡單地提高開關頻率是不行的。針對這些問題出現(xiàn)了軟開關技術，它主要解決電路中的開關損耗和開關噪聲問題，是開關頻率可以大幅度提高。但 實際上，在眾多的軟開關電路中，具有實際使用價值的并不多，目前較為成熟的是零電壓和零電流準諧振電路、移相全橋型零電壓開關PWM電路及零電壓零電流轉(zhuǎn)換 PWM控制電路等。 在設計中，通常需要綜合考慮可靠性、 成本、效率等多方面因素?，F(xiàn)階段在一些情況下，采用硬開關電路仍然合理的選擇，而對效率、體積和重量的要求非常高時，應根據(jù)實際情況，采用相應的軟開關電路。歲星和市場對電源體積和重量越來越苛刻的要求，軟開關電路在電源中的應用越來越廣泛，因而從發(fā)展的角度看，軟開關是未來電源技術的主流。 軟開關技術的發(fā)展 開關頻率的提高可以使開關變換器 (特別是變壓器、電感等磁性元件以及電容 )的體積、重量大為減小，從而提高變換器的功率密度。另外，提高開關頻率可以降低開關電源 的音頻噪聲和改善動態(tài)響應。 早期的脈寬調(diào)制 (PWM)開關電源工作在硬開關模式，即強迫功率器件在其兩端電壓不為零時開通，電流不為零時關斷，這種方式使得開通和關斷損耗大。開關頻率越高，損耗越大，限制了頻率的提高。變換器的軟開關技術是利用電感和電容對開關的軌跡進行整形，較好的解決了硬開關 PWM變換器的開關損耗大的問題。同時也解決了硬開關引起的 EMI問題。因此，國內(nèi)外電力電子界自二十世紀七十年代以來，不斷研究高頻軟開關技 術，并得到較快的發(fā)展。 最早是采用有損緩沖電路來實現(xiàn)軟開關。從能量的角度看，這種方法對變換器的變換效率沒有提高，甚至使效率降低。目前所研究的軟開關技 術不再采用有損緩沖電路，而是真正的減小開關損耗，不是開關損耗的轉(zhuǎn)移。目前，直流開關電源的軟開關技術一般可分 為以下幾類： 1. 全諧振變換器，一般稱為諧振變換器。該類變換器實際上是負載諧振型變換器， 10 按 照諧振元件的諧振方式，分為串聯(lián)諧振變換器 (SACS)和并聯(lián)諧振變換器 (PRCS)兩 類。在諧振變換器中，諧振元件一直參與諧振工作，參與能量變換的全過程。該變換器與 負載的關系比較大。對負載的變化比較敏感，一般采用頻率調(diào)制方法。 2. 準諧振變換器 (QRCS)和多諧振變換器 (MRCS)。這是軟開關技術的一次飛躍，該類變換器的特點是諧振元件參與能量變換的某一個階段，不是全過程參與。準諧振 變換器分為零電流開關準諧振變換器 (ZCS QRCS)和零電壓開關準諧振變換器 (ZVSQRCS)。多諧振變換器一般實現(xiàn)開關管的零電壓開關，該類變換器需采用頻率調(diào)制方 法。 3. 零開關 PWM變換器 (Zero switching PWM converters)。它可分為零電壓開關 PWM變換器 (Zerovoltageswitching PWM converters)和零電流開關 PWM變 (Zero currentswitching PWM converters)。該類變換器是在 QRCS的基礎上，實現(xiàn)恒頻率控制， 即實現(xiàn) PWM控制。與 QRCS不同的是，零開關 PWM變換器的諧振元件的諧振工作時間 與開關周期相比很短，一般為開關周期的 十分之一到十五分之一 。 4. 零轉(zhuǎn)換 PWM變換器 (Zero transition converters)。它可分為零電壓開關轉(zhuǎn)換 PWM變換器 (Zerovoltagetransition PWM converters, ZVT PWM converters)和零電流轉(zhuǎn)換 PWM變換器 (Zerocurrenttransition PWM converters, ZCT PWM converters)。該類變換器是軟 開關技術的又一次飛躍。它的特點是變換器工作在 PWM方式下，輔助諧振電路僅在開關管開關時工作一段時間，實現(xiàn)開關管的軟開關，在其余的時間則不工作，這就使得輔助諧 振電路的損耗比較小。 本次設計從降低成本考慮，不采用軟開關技術。 控制電路 開關電源控制的主要目的就是要保持輸出電壓一定，而負載電流可以有很大的變化范圍，這就要通過負反饋來達到這個目的。所有的電源控制器，無論線性 電源還是開關電源，都要檢測輸出電壓。反 饋電壓輸入到稱之為電壓誤差放大器 的高增益運算放大器的反向端，參考電壓輸入到運算放大器的同向端，運算放大 器輸出的就是參考電壓和輸出電壓的差值。運算放大器把這誤差值放大了許多 倍，這個輸出電壓稱為誤差電壓，用誤差電壓信號來控制電源供給負載的能量。 該值為正，說明輸出電壓太低，電源要輸出更多的能量。反之如果是個負值，就 說明輸出電壓太高，要減小輸出的能量。 開關電源控制方式 開關電源的控制方式，大致有以下三種： (1)脈寬調(diào)制方式，簡稱脈寬調(diào)制 (Pulse Width Modulation，縮寫為 PWM)式。其特點式固定開關頻率，通過改變脈沖寬度來調(diào)節(jié)占空比。因開關周期也是固定的，這就為設計濾波電路提供了方便。其特點是受功率開關最小導通時間的 限制，對輸出電源不能做寬范圍的調(diào)節(jié)；另外輸出端一般要接假負載，以防止空載時輸出高電壓。目前，集成開關電源大多采用 PWM方式。 11 (2)脈沖頻率調(diào)制方式，簡稱脈頻調(diào)制 (Pulse Frequency Modulation，縮寫為 PFM)式。它是將脈沖寬度固定，通過改變開關頻率來調(diào)節(jié)占空比的。在電路設 計上要用固定脈寬發(fā)生器來代替脈寬調(diào)制器中的鋸齒波發(fā)生器，并利用電壓頻率 轉(zhuǎn)換器 (例如壓控振蕩器 VCO)改變頻率。其穩(wěn)壓原理是：當輸出電壓升高 時，控制器輸出信號的脈沖寬度不變而周期變長，使占空比減小，壓降低。 PFM式開關電源的輸出電壓調(diào)節(jié)范圍很寬，輸出端可不接負載。 (3)混合調(diào)制方式，使指脈沖寬度與脈沖頻率均不固定，彼此都能改變的方 式，它屬于PWM和 PFM的混合方式。由于今和 T均可調(diào)節(jié)，因此占空比調(diào)節(jié) 范圍最寬，適合供實驗室使用的輸出電壓可以寬度范圍調(diào)節(jié)的開關電源。 脈寬調(diào)制式開關電源的基本原理 PWM控制電路由以下幾部分組成： ，提供一個供輸出電壓進行比 較的穩(wěn)定電壓和一個內(nèi)部 IC電路的電源； ，為 PWM比較器提供一個鋸齒波和與該鋸齒波同步的驅(qū)動脈沖控制電路的輸出； ，使電源輸出電壓與基準電壓進行比較； 。振蕩頻率由外部電容 Cext和電阻 Rext加以設定。 其基本工作過程如下：輸出晶體管在鋸齒波的起始點 t1被導通。由于鋸齒波電壓比誤差放大器輸出低，所以 PWM比較器的輸出較高，因為同步信號以在斜坡電壓的起始點使倒相電路工作，所以脈沖倒相電路將這個高電位輸出倒相 VT1，當斜坡電壓比誤差放大器的輸出高時， PWM比較器的輸出電壓下降，通過脈沖倒相電路使 VT 1截止，下一個斜坡周期則重復這個過程，不過，這時脈沖倒相電路將 PWM的高電位輸出耦合到 VT 2，如果電源電壓下降，則輸出電壓的取樣將下降而低于基準電壓變得比誤差放大器的輸出高的時間更長，從而延長每個晶體管的導通時間，大部分 PWM穩(wěn)壓器具有一個約為脈沖周期 5%的最小死期時間，且可以由外部電阻或電壓分壓器來設定更長的死期時間。 脈寬調(diào)制式開關電源控制方法的選擇 選擇控制方法極其重要，如果選擇不正確，會使電源工作不穩(wěn) 定而浪費寶貴的時間。設計者要知道各種控制方法之間細微的差別。 電壓型控制的最顯著特點就是誤差電壓信號被輸入到 PWM比較器，與振蕩 器產(chǎn)生的三角波進行比較。電壓誤差信號升高或降低使輸出信號的脈寬增大或減 小。要識別是不是電壓控制型 IC，可以先找到 RC振蕩器，然后看產(chǎn)生的三角波是不是輸入到比較器，并與誤差電壓信號進行比較。 電壓型控制 IC的過電流保護有兩種形式，早期的方法是用平均電流反饋。在這種方法中，輸出電流是通過負載上串聯(lián)一個電阻來檢測的，電流信號可以放大輸入到補償用電流誤差放大器中。當電流放大 器檢測到輸出電流接近原先設定 的限制值時，就阻礙電壓誤差放大器的作用，從而把電流加以限制，以免電流繼續(xù)增大。平均電流反饋作為電流保護有一個固有的缺點，就是響應速度很慢。當 輸出突然短路，會來不及保護功率開關，而且在 12 磁性元件進入飽和狀態(tài)時也無法 檢測。這些會導致在幾個微秒內(nèi)電流成指數(shù)上升而損壞功率開關。第二種過電流保護方法是逐周過電流保護。這種方法可以保證功率開關工作 在最大安全電流范圍內(nèi)。在功率開關管上串聯(lián)一個電流檢測器 (電阻或電流互感 器 )，這樣就可以檢測流過功率開關管的瞬時電流。當這個電流超過原先設定的 瞬時電流限 制值時，就關斷功率開關管。保護電路要求響應很快，以實現(xiàn)包括磁 保護電路的保護限制值是固定的，而且也不會因其他參數(shù)改變而變化，所以不是 一種電流型控制。 最后一種是 “電壓滯環(huán) ”的電壓控制，這種控制方法是非?；镜?。在這種控 制方法中，固定頻率的振蕩器只是在輸出電壓低于有電壓反饋環(huán)給定的指令值時才轉(zhuǎn)成 “通 ”的狀態(tài)。由于有時候功率開關管突然導通后又進入常態(tài)關的狀態(tài)，所 以有時把這種方法叫做 “打隔型 ”(hiccupmodel)。只有少數(shù)控制 IC和集成開關 的頻率與負載電流成比例。圖 23為電壓型 控制原理圖。 圖 電壓型控制原理圖 電流型控制最好用在電流波形的線性坡度很大的拓撲中，如 Boost、 BuckBoost、和反激型電路等升壓式拓撲。 電流型控制方法是控制流過功率開關管的峰值 (有時是最小 )電流的漂移點來實現(xiàn)的，這也等效于磁心的磁通密度的偏移量。從本質(zhì)上說，是調(diào)節(jié)磁心的一些磁參數(shù)來實現(xiàn)的。電流型控制最常見的方法是 “定時開通 ”的方法，有固定頻率的振蕩器給觸發(fā)器置位，有快速電流比較器給觸發(fā)器復位。觸發(fā)器狀態(tài)為， “1”時， 功率開關管導通。顯示輸出電壓 太低時，電流門檻值就增大，使輸出到負載的能量增加。反之也一樣。電流型控制本身具有過電流保護功能，快速電流比較器實現(xiàn)對電流的逐周限制。這種保護也是一種恒功率過載保護方法。這種保護通過電流和電流反饋來維持供給負載的恒功率，但并不是在所有產(chǎn)品中用這種方法都是最適合的，特別是 在典型的失效會引起失效電流增大的場合下。此外，電路可