【正文】 uter technology, the modeling and simulation of Switching Power Supply have assistant effects on power design and study。Switching Power supplies。Chip 第 3 頁 共 25 頁 前言 電是工業(yè)的動力，是人類生活的源泉，我們都離不開電。 因此，開關電源憑借著 其小型、輕量和高效率的特點，被廣泛地應用 。 開關電源一般由脈沖寬度調制（ PWM） 、 控制 IC 和 MOSFET 構成。由于其高效節(jié)能可帶來巨大經(jīng)濟效益，因而引起社會各方面的重視而得到迅速推廣。 開關電源的發(fā)展歷史可以追溯到幾十年前，可分為下列幾個時期： 1) 電子管穩(wěn)壓電源時期 (1950 年代 )。 2) 晶體管穩(wěn)壓電源時期 (1960 年代 1970 年代中期 )。 3) 低性能穩(wěn)壓電源時期 (1970 年代 1980 年代末期 )。隨著壓控功率器件的出現(xiàn)，促進了電源技術的極大發(fā)展，它可使兆瓦級的逆變電源設計簡化，可取代需要強迫換流的晶閘管，目前仍在使用。 4) 高性能的開關穩(wěn)壓電源時期 (1990 年代 ~至今 )。 由于開關電源功耗小、效率高 (可高達 70%95%)、體積小、重量輕、穩(wěn)壓范圍寬、濾波效率高、不需要大容量濾波電容等優(yōu)點，而線性電源效率低 (一般低于 50%)，并且電壓轉換形式單一 (只有降壓 )等缺點，如今開關電源已逐漸取代線性電源。 開關電源 通常由六大部分組成 ： 輸入電路 、 功率因數(shù)校正 、 功率轉換 、 輸出電路 、控制電路 、 頻率振蕩發(fā)生器 。參考文獻 [1]研究的是共模傳導的模型分析了 單相小功率回掃式開關電源的傳導干擾源和共模干擾傳播通道， 在細致分析回掃變壓器繞組和屏蔽層作用的基礎上， 建立了開關電源的共模傳導干擾電路 模型。 文獻 [12]介紹了控制芯片 UC3842 的功能原理和其內(nèi)部結構以及各管腳的功能。 文獻 [3]對目前出現(xiàn)的幾種典型的開關電源技術作了歸納總結和分析比較，在此基礎上指出了開關電源技術的發(fā)展狀況和開關電源產(chǎn)品的發(fā)展趨勢。 1 緒論 開關電源的 發(fā)展現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢 開關電源發(fā)展現(xiàn)狀 從開關電源出現(xiàn)以來，其發(fā)展大致經(jīng)歷了以下幾個階段：最早出現(xiàn)的開關電源是由分立器件組成的，其開關速度慢、效率低，并且電路復雜、所含器件多、穩(wěn)定性差、設計和調試都很不容易； 20 世紀 70 年代由于大集成電路的出現(xiàn)和不斷發(fā)展，人們實現(xiàn)了開關電源控制電路的集成化，從而開關電源的體積減小，效率和穩(wěn)定性得到了很大的提高； 20 世紀 80 年代研制成功了單片開關電源，它可以將開關電源的基本功能通過一個集成 IC 來實現(xiàn)，這種電源屬于一種高度集成化的交流一直流變換器；如今 ,隨著各種類型開 關電源集成電路的不斷發(fā)展和控制芯片功能的不斷完善，電源的集成化程度越來越高 ,其效率和穩(wěn)定性也不斷的得到提高 。為了實現(xiàn)電源高功率密度，必須提高 PWM 變換器的工作頻率，從而減小電路中儲能元件的體積和重量 ； 2) 高效率：減少開關電源損耗，提高電能的轉換效率 ； 3) 數(shù)字化：在功率電子技術中，控制部分最初是按模擬信號來設計和工作的。因此數(shù)字開關電源已經(jīng)廣泛應用，成為國內(nèi)外開關電源行業(yè)發(fā)展的必然趨勢； 4) 模塊化：在設計的開關電源時，應盡可能使用較少的器件，提高集成度，采用大規(guī)模集成電路和模塊化設計。 課題背景和研究意義 在 電力電子技術高速發(fā)展 的時代 ，電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，而電子設備都離不開可靠的電源，進入 80 年代計算機電源全 面實現(xiàn)了開關電源化，率先完成計算機的電源換代，進入 90 年代開關電源相繼進入各種電子、電器設備領域，程控交換機、通訊、電子檢測設備電源、控制設備電源等都已廣泛地使用了開關電源， 第 5 頁 共 25 頁 更促進了開關電源技術的迅速發(fā)展。線性穩(wěn)壓電源的結構簡單。這樣，當輸入電壓發(fā)生變化，或負 載變化引起電源的輸出電壓變化時，就可以通過改變穩(wěn)壓調整管的管壓降來 使輸出電壓穩(wěn)定。因此，這種電源被稱為線性 穩(wěn)壓電源。 20 世紀 60 年代末，垂直導電的高耐壓、大電 流的雙極型電力晶體管 (亦稱巨型晶體管、 BJT、 GTR)的出現(xiàn)，使得采用高工作 頻率的開關電源得以問世。為了減小噪 聲，并進一步減小電源體積，在 20 世紀 70年代，新型電力電子器件的發(fā) 展給開關電源的發(fā)展提供了物質條件。 電子技術的迅猛發(fā)展一方面帶動了電源技術的發(fā)展，一方面也對電源產(chǎn)品提出了越來越高的要求。功率密度的急劇增大導致電源內(nèi)部電磁環(huán)境越來越復雜 ， 因之產(chǎn)生的電磁干擾對電源本身及周圍電子設備的正常工作都造成威脅。 高效 反激式 開關電源 以其電路 抗干擾 、高效、 穩(wěn)定性好、 成本低廉等許多優(yōu)點， 特別適合小功率的電源以及各種電源適配器 ，具有較高的實用性。該芯片應具有以下特 點： 突出的性價比，較少的外圍元件；能耗低，具有綠色模式功能，使系統(tǒng)在空載或輕載時工作在較低的頻率下，能夠有效減少能耗；具備各種完善的保護電路，在各種突發(fā)情況下仍能保證系統(tǒng)安全；優(yōu)秀的抗電磁干擾(Electromagic Interference， EMI)特性；體積小，重量輕，適用于多種便攜設備及電源適配器。理論聯(lián)系實際，通過對開關電源的研究，可以使得理論知識應用于實際工程中，同時也培養(yǎng)了我的科研能力和創(chuàng)新意識。 開關電源的工作原理 開關電源電路的組成 開關電源通常由六大部分組成， 如 圖 21 所示。 V220 交流電直接經(jīng)低通濾波和橋式整流后得到未穩(wěn)壓的直流電壓 iV ， iV 經(jīng)第二部 分功率因數(shù)校正，提高其功率因數(shù)，保持輸入電流與輸入電壓同相。第四部分是輸出電路，將高頻方波脈沖電壓經(jīng)整流濾波后變成直流電壓輸出。第六部分是頻率振蕩發(fā)生器，它產(chǎn)生一種高頻波段信號，該信號與控制信號疊加進行脈沖調制，達到脈沖寬度可調。 反激式開關電源的工作原 理 反激式開關電源的反激是指變壓器的初級極性與次級極性相反?；倦娐?如 圖 22 所示 ： 第 7 頁 共 25 頁 CinV 1N2N1V 2V LR? 圖 22 反激式開關電源原理圖 當 PWM 控制的 MOSFET 管導通時，它在變壓器初級電感線圈中存儲能量，與變壓器次級相連的二極管 VD 處于反偏壓狀態(tài)，二極管 VD 截止，在變壓器次級無電流流過，即沒有能量傳遞給負載 當 PWM 控制的 MOSFET 管截止時， 變壓器初級所積蓄的電能向次級傳送， 這時 變壓器次級電感線圈中的電壓極性反轉 下端為負 、上端為正 ，使 二極管 VD 正向 導通，給輸出電容 C 充電，同時負載 LR 上也有電流 I 流過，變壓器在電路中既起著變壓器的作用，又起著電感儲能的作用。 1V 上升到一定程度后，三極管 VT 截止，又開始了新一輪的放電。 iU濾 波電 路整 流電 路反 激 變 換電 路輸 出 濾 波電 路0U反 饋電 路控 制電 路控 制 部 分 圖 31 系統(tǒng)整體架構圖 工作過程分析：接入 V220 交流電 iu ，經(jīng)過濾波電路之后；進行 EMI 電磁濾波，濾除電源接入噪聲和自身噪聲干擾；橋式整流為 V310 左右的直流電壓；通過反激式主變換電路進行電壓變 換，主電路包括高頻變壓器、和功率開關管；經(jīng)過變壓器二次側變換之后送至后級同步整流電路進行整流濾波；如輸出濾波效果不明顯，可增加后級濾波電路；在交流輸入電壓波動時，為了保證輸出穩(wěn)定，需要進行負反饋調節(jié)，從后級輸出 oU端進行采樣，采樣信號送至控制電路，經(jīng)過取樣、比較、放大等環(huán)節(jié)產(chǎn)生比率可調的脈沖信號來控制開關管作出相應調整，從而使輸出穩(wěn)定。常用的調制方式有三種： PWM 脈寬調制、 PFM 脈頻調制和PWMPFM 調寬調頻混合電路。在調制期間脈沖周期 T 是固定不變的。 即 T 不變， onT 發(fā)生變化，即脈沖寬度改變。即脈沖寬度 onT 不變化，而周期發(fā)生變化，即頻率改變。 PWMPFM 調制方式是同時改變周期 T 和導通時間 onT 兩個參數(shù)來實現(xiàn)輸出電壓的穩(wěn)定。 本設計采用第一種 PWM 調制方式，屬于 PWM 調制方式中的電流反饋模式。 它是一種高性能的固定頻率電流模式控制型脈寬調制器，所謂電流型脈寬調制器是按反饋電流來調節(jié)脈寬的。由于結構上有電壓環(huán)、電流環(huán)雙環(huán)系統(tǒng)，因 此，無論開關電源的電壓調整率、負載調整率和瞬態(tài)響應特性都有提高。 主要特點如下： 1) 微調的振蕩器放電電流，可精確控制占空比； 2) 電流模式工作到 500kHZ： 3) 自動前饋補償； 4) 鎖存脈寬調制，可逐周限流； 5) 內(nèi)部微調的參考電壓，帶欠壓鎖定； 6) 大電流圖騰柱輸出； 7) 欠壓鎖定，帶滯后。其內(nèi)部電路包括振蕩器、誤差放大器、電流取樣比較器、 PWM 鎖存電路、 V5 基準電壓、欠壓鎖定電路、 圖 騰柱輸出電路、輸 出電路等。并且當取樣電壓大于 V1時，芯片停止工作，起到保護開關管作用； ④ 腳 TT CR / ： 為定時端，內(nèi)部振蕩器的工作頻率由外接的阻容時間常數(shù)決定，)/( TT CRf ?? ， 將 TR 和 ⑧ 腳 refV 連接， TC 和地相連，以確定振蕩器的頻率； ⑤ 腳 GND： 為公共地端； ⑥ 腳 OUTPUT： 為推挽輸出端，內(nèi)部為圖騰柱式 輸出 ，上升、下降時間僅為 ns50 ，驅動能力為 A1? ； ⑦ 腳 ccV ： 是直流電源供電端， 該芯片的啟動電壓為 V16 ，低壓鎖定門限 V10 。 b) UC3842 的工作原理 UC3842 是單電源供電，帶電流正向補償，單路調制輸出的集成芯片，主要用于高頻中小容量開關電源，用它構成的電路在 驅動開關管時，通常將誤差比較器的反向輸入端通過反饋電路經(jīng)電阻分壓得到的信號與內(nèi)部 基準進行比較，誤差比較器的輸出端與反向輸入端用 RC 元件接成補償網(wǎng)絡，誤差比較器的輸出端與電流采樣電壓進行比較，從而控制 PWM 序列的占空比，達到電路穩(wěn)定的目的。芯片工作起動電壓是 V16 ，關閉電壓是 V10 ， V6 的起動與關閉電壓差可有效防止電路在閥值電壓附近工作而引起的振蕩。還提供 V5 的基準電壓 ,帶載能力 mA50 。 TOP243Y 工作原理 和特點 TOPSwitch 系列器件是三端離線式 PWM 開關器件 (Three terminal off line PWM Switch)。通過高電壓電源 MOS 管的漏極 D 輸入量來改 變輸入占空比的大小從而使輸出穩(wěn)定。 第四代 TOPSwitchGX 芯片具有以下特點： 1) 功率擴展到最大 W250 ，適合構成大、中功率的高效率、隔離式開關電源； 2) 外圍電路簡單，成本低廉； 3) 完全集成的 ms10 軟啟動，限制啟動時的峰值電流和電壓，顯著降低或消 除大多數(shù)應用中的輸出過沖； 4) 對于大多電源來說，可寬范圍輸入，具有更小的輸出電容； 5) 在 Y/R/F 封裝上有離 線和電流限制管腳； 6) 具有線性限壓檢測，無關斷尖峰干擾； 7) 頻率抖動可減少 EMI； 8) 用單電阻設置可同時實現(xiàn)過壓和欠壓保護； 9) 在輕載時，頻率減小能降低開關損耗和維持穩(wěn)定的輸出，保持多路輸出電 源具有良好的交叉穩(wěn)壓精度，且空載時不需要假負載； 10) 有電壓前饋，能有效減少電源紋波，增加承受瞬態(tài)干擾和浪涌電壓的能 力。外部有 6 個管腳腳，管腳功能描述如下： ① D 管腳：高電壓電源 MOS 管漏極 D 輸出。漏極電流的內(nèi)部流限檢測點。與內(nèi)部并聯(lián)調整器相連接，提供正常工作時的內(nèi)部偏置電流。 ③ L 管腳：對于 OV(過壓 )， UV(欠壓 )的輸出管腳 ,線路檢測伴隨著 減少， maxD 開關開通或關斷及同步性。 ④ X 管腳：外部流限調節(jié)、遠程開 /關控制和同步輸入引腳。 ⑤ F 管腳：這個管腳是用來選擇輸入開環(huán)頻率的。 ⑥ S 管腳：這個引腳是功率 MOS 管的源極連接點，用于高壓功率的回路，也是初級控制電路的公共點及參考地點。當 V0降低時，經(jīng)過 光耦反饋電路使得 IC減少，則占空比 D 相應增大，從而達到穩(wěn)壓目的，反之亦然。當 C 管腳的電壓 VC 達到大概 的時候，控制電路被激活并開始軟啟動。如果在軟啟動末期，沒有內(nèi)部的反饋和電流回路加在管腳 C 上，高電壓電流源將轉向，C 管腳在控制回路之間通過放電來維持驅動電 流。 電力場效應管 MOSFET 開關 電源中的功率開關晶體管是 影響電源可靠性的關鍵器件。主電路中用作開關的功率管主要有雙極型晶體管和 MOSFET 兩種。 因為開關管的工作頻率為 100kHz,故選擇 MOSFET 作為開關管。增強型 MOSFET 具有應用方便的“常閉”（即驅動信號為零時，輸出電流為零）特性。這是因為 MOSFET 是一種依靠多數(shù)載流子工作的單極型器件，不存在二次擊穿和少數(shù)載流子的存儲時間問題，所以具有較大的安全工作區(qū)、良好的散熱穩(wěn)定性和非?？斓拈_關速度。 ② 最大漏極電流 maxDI ， 在特性曲線飽和區(qū)中 ,漏極電流達到的飽和值。當柵源電壓大于閥值電壓 ? ?thGSV 時 ,功率 MOSFET 開始導通。 ④ 導通電阻 ONR ， 導通電阻是指在確定的柵源電壓 GSV 下 ， 功率 MOSFET 處于恒流區(qū)的直流電阻 ， 它與輸出特性密切相關 ,在