DC-DC開關(guān)電源正文

1、摘 要本文介紹了DC-DC開關(guān)電源變換器各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)及其基本原理，重點講述了降壓型變換器的工作原理。描述了DC-DC變換器的控制方法，以及現(xiàn)如今在開關(guān)電源變換器中廣泛使用的軟開關(guān)技術(shù)也有了詳細(xì)的介紹，同時，詳細(xì)闡述了脈寬調(diào)制中電壓控制模式和電流控制模式的基本原理，分析比較了它們各自的優(yōu)缺點。對主要元器件也有了深入的介紹。本文設(shè)計了一款基于電流控制模式的PWM降壓型DC-DC開關(guān)電源，該開關(guān)電源采用RT8015A變換器，本文對其引腳功能、基本工作原理及元器件的選擇有詳細(xì)介紹，并給出了工作電路和典型工作特性圖。經(jīng)仿真工作特性分析這次DC-DC開關(guān)電源設(shè)計是可行的，完全符合本次設(shè)計要求的。關(guān)鍵詞：D

2、C-DC,脈寬調(diào)制,電流控制,軟開關(guān)AbstractThis paper introduces the DC - DC switch power converter topology structure and basic principle of the buck, focuses on the working principle of converter. Describes the DC - DC converter control method, and the now ubiquitous in switch power converter is widely used in the

3、 soft switch technology also have a detailed introduction, meanwhile, illustrates the pulse width modulation of voltage control mode and current control model, and analyses the basic principle of their respective advantages and disadvantages. On the main components have a thorough introduction. This

4、 paper introduces the design of a based on current control mode of PWM step-down type DC - DC switch power supply, this switch power, this paper RT8015A converter using the pin function and basic working principle and the component selection, and gives a detailed introduction job circuit and typical

5、 working characteristics graph. Demonstrated by simulation and results of the DC - DC switch power source design is feasible, fully comply with the design requirements.Keywords: DC - DC, pulse width modulation, current control, soft switch目 錄 TOC o 1-3 u 摘 要 PAGEREF _Toc293477913 h IAbstract PAGEREF

6、 _Toc293477914 h II目 錄 PAGEREF _Toc293477915 h III1 緒論 PAGEREF _Toc293477916 h 11.1設(shè)計目的及意義 PAGEREF _Toc293477917 h 11.2開關(guān)電源的發(fā)展綜述 PAGEREF _Toc293477918 h 21.3本文主要工作與結(jié)構(gòu)安排 PAGEREF _Toc293477919 h 42 設(shè)計方案分析 PAGEREF _Toc293477920 h 52.1主電路形式 PAGEREF _Toc293477921 h 52.2DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) PAGEREF _Toc293477922

7、h 5非隔離開關(guān)變換器 PAGEREF _Toc293477923 h 6隔離開關(guān)變換器 PAGEREF _Toc293477924 h 62.3控制方式的選擇 PAGEREF _Toc293477925 h 7脈沖頻率調(diào)制(PFM) PAGEREF _Toc293477926 h 7脈沖寬度調(diào)制(PWM) PAGEREF _Toc293477927 h 82.3.3 PFM/PWM混合調(diào)制模式 PAGEREF _Toc293477928 h 102.3.4 PWM與PFM的優(yōu)缺點比較 PAGEREF _Toc293477929 h 102.3.5 PWM中的電壓控制電路和電流控制電路的性能比

8、較 PAGEREF _Toc293477930 h 112.4軟開關(guān)與硬開關(guān)的選擇 PAGEREF _Toc293477931 h 122.5保護(hù)電路的選擇設(shè)計 PAGEREF _Toc293477932 h 133 工作原理 PAGEREF _Toc293477933 h 143.1開關(guān)電源的構(gòu)成及 DC-DC開關(guān)電源的基本原理 PAGEREF _Toc293477934 h 14開關(guān)電源的構(gòu)成 PAGEREF _Toc293477935 h 14開關(guān)電源的基本原理 PAGEREF _Toc293477936 h 143.2降壓型DC-DC變換器的工作原理 PAGEREF _Toc29347

9、7937 h 153.3PWM電流控制在降壓電路中的工作原理 PAGEREF _Toc293477938 h 173.4軟開關(guān)技術(shù)的工作原理 PAGEREF _Toc293477939 h 19軟開關(guān)技術(shù) PAGEREF _Toc293477940 h 19軟開關(guān)電路的分類 PAGEREF _Toc293477941 h 193.5保護(hù)電路中斜波補償 PAGEREF _Toc293477942 h 20次諧波振蕩產(chǎn)生的原因 PAGEREF _Toc293477943 h 21斜波補償?shù)姆椒ㄅc作用 PAGEREF _Toc293477944 h 214 主要元器件的介紹 PAGEREF _Toc

10、293477945 h 234.1輸入電容 PAGEREF _Toc293477946 h 234.2輸出電容與電感 PAGEREF _Toc293477947 h 24輸出電容 PAGEREF _Toc293477948 h 24輸出電感 PAGEREF _Toc293477949 h 254.3功率MOSFET PAGEREF _Toc293477950 h 264.4變換器RT8015A PAGEREF _Toc293477951 h 26引角功能 PAGEREF _Toc293477952 h 274.4.2 RT8015A的功能模塊 PAGEREF _Toc293477953 h 2

11、84.4.3 RT8015A基本工作原理 PAGEREF _Toc293477954 h 285 電路設(shè)計與工作特性分析 PAGEREF _Toc293477955 h 305.1正5V電壓產(chǎn)生電路設(shè)計 PAGEREF _Toc293477956 h 305.2 降壓電路設(shè)計 PAGEREF _Toc293477957 h 325.3 典型工作特性與分析 PAGEREF _Toc293477958 h 35總 結(jié) PAGEREF _Toc293477959 h 39參考文獻(xiàn) PAGEREF _Toc293477960 h 40致 謝 PAGEREF _Toc293477961 h 41附 錄

12、PAGEREF _Toc293477962 h 421 緒論在如今的生活中，形形色色的電子設(shè)備越來越多，與人們的工作、生活的關(guān)系也日益密切。而電源有如人體的心臟，是所有電設(shè)備的動力，因此電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性對于整個系統(tǒng)具有決定性的意義，其質(zhì)量的好壞直接影響著電子設(shè)備的可靠性，而且電子設(shè)備的故障60%來自電源。因此，電源越來越受到人們的重視，人們對電源的要求也越來越高。經(jīng)濟(jì)建設(shè)和社會生活各個方面的發(fā)展都會促進(jìn)電源產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。1.1設(shè)計目的及意義現(xiàn)代電子設(shè)備使用的電源大致有線性穩(wěn)壓電源和開關(guān)穩(wěn)壓電源兩大類。所謂線性穩(wěn)壓電源，就是其調(diào)整管工作在線性放大區(qū)，開關(guān)穩(wěn)壓電源的調(diào)整管工作在開關(guān)狀態(tài)。傳統(tǒng)的穩(wěn)壓電

13、源雖然具有穩(wěn)定性能好，輸出紋波電壓小，使用可靠的優(yōu)點，但其通常需要體積大且笨重的工頻變壓器與體積和重量都很大的濾波器，并且功耗較大，電源率較低。相對的，DC-DC開關(guān)電源就可以適應(yīng)現(xiàn)當(dāng)代的電子設(shè)備對電源的要求，達(dá)成電子設(shè)備對電源的發(fā)展需求。其功耗小，效率可高達(dá)70%-95%。散熱器的體積也隨之減小，可直接對電網(wǎng)電壓進(jìn)行整流、濾波、調(diào)整。總體來說，它具有體積小、重量輕（體積和重量只有線性電源的30%）、效率高（線性電源只有40%），自身抗干擾性強、輸出電壓范圍寬、模塊化等優(yōu)點，又提高了整機(jī)的穩(wěn)定性和可靠性，對電網(wǎng)的適應(yīng)能力也有較大的提高。但也存在一些缺點：在隔離型開關(guān)電源中，由于逆變電路中會產(chǎn)生

14、高頻電壓，對周圍設(shè)備有一定的干擾，需要良好的屏蔽及接地。開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時音比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。從上世紀(jì)90年代以來開關(guān)電源相繼進(jìn)入各種電子和電器設(shè)備領(lǐng)域，計算機(jī)、通訊、電子檢測設(shè)備電源、控制設(shè)備電源等都已廣泛地使用了開關(guān)電源。由于其高效節(jié)能可帶來巨大效益，從而得到迅速推廣。分布式電源的發(fā)展及與IT技術(shù)的結(jié)合，對傳統(tǒng)的電路系統(tǒng)造成巨大的影響，帶來了對電路系統(tǒng)概念的革新，在同一電路系統(tǒng)中越來越廣泛地使用分布式開關(guān)電源，使電路技術(shù)產(chǎn)生顯著進(jìn)步，形成了新型的專項技術(shù)。DC-DC開關(guān)電源技術(shù)是分布式開關(guān)電源的關(guān)鍵技術(shù)，被譽為高效節(jié)能電源。它代表著

15、穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。開關(guān)電源內(nèi)部關(guān)鍵元器件工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，本身消耗的能量很低，電源效率可達(dá)80%-90%，特別是目前便攜式設(shè)備市場需求巨大，DC-DC開關(guān)電源的需求也越來越大，性能要求也越來越高，而DC-DC開關(guān)電源的設(shè)計也更具挑戰(zhàn)性。本次的畢業(yè)設(shè)計,目的在于鞏固電路、模擬電子技術(shù)和學(xué)習(xí)有關(guān)開關(guān)電源的基礎(chǔ)知識,并能夠?qū)W以致用,同時擁有分析、解決問題和動手的能力,以及一定的基于模擬電子技術(shù)的研究設(shè)計能力。從另一方面來說，DC-DC開關(guān)電源的技術(shù)追求也日趨高漲和發(fā)展趨勢亦漸廣泛，而且派生出發(fā)很多特殊的應(yīng)用領(lǐng)域研制和開發(fā)的難度變得更大了，這就更有很多的研究價值和技術(shù)發(fā)

16、展的空間了。再者說，DC-DC開關(guān)電源的發(fā)展與應(yīng)用在節(jié)約資源及保護(hù)環(huán)境方面都具有深遠(yuǎn)的意義。1.2開關(guān)電源的發(fā)展綜述開關(guān)的電源的發(fā)展可分為以下幾個時期：電子管穩(wěn)壓電源時期（1950 年代）。此時期主要為電子管直流電源和磁飽和交流電源，這種電源體積大、耗能多、效率低。晶體管穩(wěn)壓電源時期（1960 年代1970 年代中期）。隨著晶體管技術(shù)的發(fā)展，晶體管穩(wěn)壓電源得到迅速發(fā)展，電子管穩(wěn)壓電源逐漸被淘汰。低性能穩(wěn)壓電源時期（1970 年代1980 年代末期）。出現(xiàn)了晶體管自激式開關(guān)穩(wěn)壓電源，工作頻率在20KHZ以下，工作效率60%左右。隨著壓控功率器件的出現(xiàn)，促進(jìn)了電源技術(shù)的極大發(fā)展，它可使兆瓦級的逆變

17、電源設(shè)計簡化，可取代需要強迫換流的晶閘管，目前仍在使用。功率MOSFET的出現(xiàn)，構(gòu)成了高頻電力電子技術(shù)，其開關(guān)頻率可達(dá)100HZ以上，并且可并聯(lián)大電流輸出。高性能的開關(guān)穩(wěn)壓電源時期（1990 年代-現(xiàn)在）。隨著新型功率器件和脈寬調(diào)制（PWM）電路的出現(xiàn)和各種零電壓、零電流變換拓?fù)潆娐返膹V泛應(yīng)用，出現(xiàn)了小體積、高效率、高可靠的混合集成DC-DC開關(guān)電源。國內(nèi)開關(guān)電源技術(shù)的發(fā)展基本上起源于20世紀(jì)70年代末和80年代初。當(dāng)時在高等院校和一些科研院所停留在試驗和教學(xué)階段。20世紀(jì)80年代中期開關(guān)電源產(chǎn)品開始推廣和應(yīng)用。它的特點是采用20KHZ脈寬調(diào)制（PWM）技術(shù)，效率可達(dá)65%-70%。目前，DC

18、-DC開關(guān)電源的功率密度可達(dá)到7.3W/cm3(每立方英寸120W)。當(dāng)今的軟開關(guān)技術(shù)在DC-DC開關(guān)電源中的應(yīng)用使得DC-DC開關(guān)電源發(fā)生了質(zhì)的飛躍。國外自20世紀(jì)90年代以來，開關(guān)電源的發(fā)展更是日新月異。許多新的領(lǐng)域和新的要求又對開關(guān)電源提出了更新更高的挑戰(zhàn)。如果從一個開尖電源的輸入和輸出端口觀察，可以發(fā)現(xiàn)輸入的要求變得更嚴(yán)了，不符合IEC1000-3-2標(biāo)準(zhǔn)的產(chǎn)品將陸續(xù)被淘汰。也正是這樣的外界條件推動了開關(guān)電源的有源功率因數(shù)校正技術(shù)和低壓大電流高功率DC-DC變換技術(shù)成為了當(dāng)今電力電子領(lǐng)域的研究課題。如今美國VICOR開關(guān)電源公司設(shè)計制造的多種ECI軟開關(guān)DC-DC變換器，效率為：80%

19、-90%。日本Nemic Iambda公司最新推出的采用軟開關(guān)技術(shù)的高頻RM系列開關(guān)電源模塊，采用同步整流器，使整個DC-DC開關(guān)電源電路的效率提高到90%。由于開關(guān)電源功耗小、效率高、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，并且電壓轉(zhuǎn)換形式單一（只有降壓）等缺點。如今開關(guān)電源已逐漸取代線性電源。當(dāng)然線性電源因為其低噪聲、低紋波的優(yōu)點，在一些電子測量儀器、取樣保持電路中，線形電源仍然無法被開關(guān)電源取代。隨著技術(shù)的進(jìn)步，開關(guān)電源將沿著以下幾個方面發(fā)展：（1）小型化、輕量化和高頻化。（2）高效率和高可靠性。（3）低噪聲和良好的動態(tài)響應(yīng)。（4）低電壓、大

20、電流、高功率。并且，DC-DC開關(guān)電源也將朝著高可靠、高穩(wěn)定、低噪聲、抗干擾和實現(xiàn)模塊化方向發(fā)展：1.專用化：對通信電源等大功率系統(tǒng)，采用集成的開關(guān)控制器和新型的高速功率開關(guān)器件，改善二次整流管的損耗、變壓器電容器小型化，達(dá)到最佳的效率。對于小型便攜式電子設(shè)備，則主要是單片集成開關(guān)電源的形式，采用新型的控制方式和電路結(jié)構(gòu)來減小器件體積、減小待機(jī)功能，提供低輸出電壓、高輸出電流以適應(yīng)微處理器和便攜式電子設(shè)備等產(chǎn)品電源系統(tǒng)的供電要求。2.高頻率：隨著開關(guān)頻率的不斷提高，開關(guān)變換器的體積也隨之減小，功率密度也得到大幅度提升，動態(tài)響應(yīng)得到改善，小功率DC-DC轉(zhuǎn)換器的開關(guān)頻率將上升到MHz。但隨著開關(guān)

21、頻率的提高，開關(guān)元件和無源元件損耗的增加、高頻寄生參數(shù)以及高頻電磁干擾（EMI）等新的問題也將隨之產(chǎn)生，因此實現(xiàn)零電壓導(dǎo)通（ZVS）、零電流關(guān)斷（ZCS）的軟開關(guān)技將成為開關(guān)電源產(chǎn)品未來的主流。3.高可靠：開關(guān)電源比線性電源使用的元器件多數(shù)十倍，因此降低了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器、開關(guān)管及高頻變壓器等決定電源的壽命。追求壽命的延長要從設(shè)計方面著手，而不是依賴使用方。4.低噪聲：與線性電源相比，開關(guān)電源的一個缺點是噪聲大，單純追求高頻化，噪聲也隨之增大。采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以高頻化，又可以降低噪聲。但諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)也有其難點，如很難準(zhǔn)確控制開關(guān)頻率、諧振時增大了

22、器件負(fù)荷、場效應(yīng)管的寄生電容易引起短路損耗、元件熱應(yīng)力轉(zhuǎn)向開關(guān)管等問題難以解決。5.抗電磁干擾：當(dāng)開關(guān)電源在高頻下工作時，噪聲通過電源線產(chǎn)生對其它電子設(shè)備的干擾，世界各國已有抗電磁干擾的規(guī)范或標(biāo)準(zhǔn)，如美國的FCC，德國的VDE等，研究開發(fā)抗電磁干擾的開關(guān)電源日益顯得重要。1.3本文主要工作與結(jié)構(gòu)安排本課題主要工作是DC-DC開關(guān)電源集成電路的設(shè)計，主要完成以下工作。對DC-DC開關(guān)電源的工作原理和系統(tǒng)性能進(jìn)行了較為深入的研究。對控制方式和軟開關(guān)重點說明。對整體電路系統(tǒng)進(jìn)行設(shè)計和仿真。繪制部分版圖。本次設(shè)計采用了軟開關(guān)在DC-DC開關(guān)電源的應(yīng)用，使得DC-DC開關(guān)電源的工作頻率更理想。在提高開關(guān)

23、頻率的同時，由于反饋放大器的頻率特性得到改善，開關(guān)電源的瞬態(tài)響應(yīng)性能指標(biāo)也能得到改善，所以，可以利用提高開關(guān)頻率、降低輸出濾波器LC來改善瞬態(tài)響應(yīng)特性。功率器件采用了MOSFET功率元件。控制電路采用的是PWM控制的集成芯片。設(shè)計中的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)采用非隔離型。其中有4種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)適用于DC-DC開關(guān)電源。本論文的結(jié)構(gòu)安排依據(jù)工作進(jìn)度，主要是做了以下安排：第一章為總體緒論；先說明了本次論文的計設(shè)目的及意義，而后介紹了開關(guān)電源的發(fā)展及發(fā)展趨勢，最后對本文總體構(gòu)造進(jìn)行了說明。第二章對論文中所用到的方法方案進(jìn)行介紹和對比分析；如主電路的選擇，DC-DC變換器的幾種主要拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，PWM與PFM的對比與選擇

24、，軟硬開關(guān)的對比與選擇。最后對本文的設(shè)計方案做出最后的定論。第三章詳細(xì)描述了DC-DC開關(guān)電源構(gòu)成，工作原理；并重點分析了降壓型DC-DC變換器在連續(xù)電流模式和非連續(xù)電流模式下的工作原理；描述了控制方式以及軟開關(guān)的工作原理。第四章是對主要元器件的詳細(xì)介紹；詳細(xì)介紹了RT8015A變換器，主要有引腳功能、適用范圍，基本工作原理等。第五章設(shè)計出一個電路并對整體電路進(jìn)行仿真并繪制版圖。最后總結(jié)了本文的設(shè)計工作。2 設(shè)計方案分析將一種直流電壓變換成另一種（固定或可調(diào)的）直流電壓的過程稱為DC-DC變換。本設(shè)計從主電路形式、各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)、控制方式、軟開關(guān)等原理分析工作方式上最終確定了設(shè)計方案。為本設(shè)計及

25、論文的后續(xù)工作提供了理論基礎(chǔ)和方向。2.1主電路形式DC-DC開關(guān)電源的核心部分DC-DC轉(zhuǎn)換器是將固定的直流電壓變換成可變的直流電壓，也稱為直流斬波。斬波器的工作方式有兩種，一是脈寬調(diào)制方式Ts不變，改變ton（通用），二是頻率調(diào)制方式，ton不變，改變Ts（易產(chǎn)生干擾）。其具體的電路由以下幾類： （1） Buck電路降壓斬波器，其輸出平均電壓U0小于輸入電壓UI，極性相同。 （2） Boost電路升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于輸入電壓UI，極性相同。 （3） Buck-Boost電路降壓或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓UI，極性相反，電感傳輸。 （4） Cuk電路降壓

26、或升壓斬波器，其輸出平均電壓U0大于或小于輸入電壓UI,極性相反，電容傳輸。本文重點在于對Buck電路構(gòu)成的DC-DC開關(guān)電源進(jìn)行設(shè)計與介紹。2.2DC-DC變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)開關(guān)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是指能用于轉(zhuǎn)換、控制和調(diào)節(jié)輸入電壓的功率開關(guān)器件和儲能器件的不同配置。開關(guān)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)分為兩種基本類型：非隔離型（在工作期間輸入電源和輸出負(fù)載共用一個電流通路）和隔離型（能量轉(zhuǎn)換是用一個相互耦合磁性元件“變壓器”來實現(xiàn)的，而且從電源到負(fù)載的耦合是借助于磁通而不是共同的電流）。變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是根據(jù)系統(tǒng)造價、性能指標(biāo)和輸入/輸出負(fù)載特性等因素選定的。DC/DC 拓?fù)涞姆N類繁多，對于大多數(shù)電源產(chǎn)品的設(shè)計者來

27、說，挑選合適的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是一項非常艱巨的任務(wù)。下面就對各種拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)作一下介紹。非隔離開關(guān)變換器非隔離開關(guān)變換器有4種基本拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于DC-DC變換器。（1）降壓變換器降壓變換器將一輸入電壓變換成一較低的穩(wěn)定輸出電壓。輸出電壓（）和輸入電壓（）的關(guān)系為: （占空比） 式（2.1） 式（2.2）（2）升壓變換器升壓變換器將一輸入電壓變換成一較高的穩(wěn)定輸出電壓。輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為： 式（2.3） 式（2.4）（3）逆向變換器 逆向變換器將一輸入電壓變換成一較低反相輸出電壓。輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為: 式（2.5） 式（2.6）（4）Cuk變換器 Cuk(“丘克”)變換器將一輸入電壓變換成一穩(wěn)

28、定反相較低值或較高值輸出電壓（電壓值取決于占空比）。輸出電壓輸入電壓的關(guān)系為: 式（2.7） ，0.5 式（2.9）隔離開關(guān)變換器有很多隔離開關(guān)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但其中三種比較通用，它們是：逆向變換器、正向變換器、推挽變換器。在這些電路中，從輸入電源到負(fù)載的能量轉(zhuǎn)換是通過一個變壓器或其他磁通耦合磁性元件實現(xiàn)的。 (1)逆向隔離變換器逆向隔離變換器將一輸入電壓變換成一穩(wěn)定的取決于變壓器匝數(shù)比的較低值或較高值輸出電壓。輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系式為： 式（2.10） 或 式（2.11）式中N為變壓器匝數(shù)比。 (2)正向隔離變換器正向隔離變換器將一輸入電壓變換成一穩(wěn)定的取決于變壓器匝數(shù)比的較低值或較高值

29、輸出電壓。輸出電壓和輸入電壓關(guān)系為： 式（2.12） 或 式（2.13）(3) 推挽隔離變換器推挽隔離變換器將一輸入電壓變換成一穩(wěn)定較低值輸出電壓。它們的關(guān)系為： 式（2.14） 式（2.15）本設(shè)計采用了非隔離變換器中的降壓變換器構(gòu)成的DC-DC開關(guān)電源進(jìn)行設(shè)計與介紹及工作特性。2.3控制方式的選擇開關(guān)電源控制技術(shù)按調(diào)制方式可分為：(1)脈沖寬度調(diào)制(PWM)；(2)脈沖頻率調(diào)制(PFM)；(3)脈沖寬度頻率調(diào)制(PWM-PFM)。脈沖頻率調(diào)制(PFM)經(jīng)典PFM也叫跨脈沖調(diào)制（PSM，以開關(guān)管控制信號，略過一部分時鐘周期而得名）。圖2.1 經(jīng)典PFM方式經(jīng)典脈沖頻率調(diào)制是一種最簡單的控制技

30、術(shù)，在該方式下固定時鐘被定為50%占空比，通過電壓反饋實現(xiàn)開關(guān)頻率的控制。當(dāng)輸出電壓低于一定值時，固定時鐘將控制開關(guān)開啟與關(guān)閉，直到輸出上升到調(diào)整值；當(dāng)輸出高于調(diào)整值時，開關(guān)管將關(guān)閉直到輸出下降到調(diào)整值以下。圖2.1為一種經(jīng)典PFM調(diào)制方式原理圖，輸出通過電阻分壓反饋至比較器COM輸入端與比較，當(dāng)?shù)陀跁r，CLK將通過RS觸發(fā)器直接控制開關(guān)管，當(dāng)高于時則屏蔽一部分時鐘，使開關(guān)管關(guān)閉。通過這樣的方式，能量由傳遞到。經(jīng)典PFM模式的電感選擇復(fù)雜，電壓紋波很大，噪聲頻譜隨負(fù)載變化很大。電流限制脈沖頻率調(diào)制不同于PFM調(diào)制，此調(diào)制方式運用峰值電感電流限制和一個最小關(guān)閉或最大開啟時間。工作于此模式下，一旦

31、輸出電壓低于調(diào)整值，開關(guān)管將開啟直到電感電流達(dá)到設(shè)計值，此時開關(guān)管將關(guān)閉一定時間（最小關(guān)閉時間），電感電流開始下降，當(dāng)該段時間結(jié)束時，反饋電路通過對輸出電壓采樣，比較輸出電壓此時是否低于調(diào)整值，若低于則開啟開關(guān)管，否則繼續(xù)關(guān)閉開關(guān)管。由于電流限制脈沖頻率調(diào)制的電感電流峰值固定，電感容易選擇，同時紋波相對于經(jīng)PFM小，但噪聲頻譜仍然隨負(fù)載變化。脈沖寬度調(diào)制(PWM)脈寬調(diào)制指固定時鐘頻率，通過調(diào)節(jié)開關(guān)管控制信號的占空比D實現(xiàn)對輸出電壓的調(diào)整。PWM技術(shù)在較寬的負(fù)載范圍內(nèi)都具有較高效率，此外因為頻率恒定噪聲頻譜相對窄，利用簡單的低通濾波技術(shù)便可得低紋波輸出電壓。因此PWM技術(shù)普遍應(yīng)用于通信技術(shù)中。

32、PWM調(diào)制方式根據(jù)反饋采樣的不同可分為：電壓模式和電流模式。電壓控制模式 圖2.2 電壓控制模式電路圖傳統(tǒng)PWM開關(guān)電源采用電壓型控制模式，只對輸出電壓采樣并作為反饋信號實現(xiàn)閉環(huán)控制，以穩(wěn)定輸出電壓。圖2.2為電壓控制電路圖：電源輸出電壓Uout與參考電壓Uref經(jīng)誤差放大器比較放大后，又經(jīng)PWM比較器比較，由鎖存器輸出占空比隨誤差電壓信號Ue變化的一系列脈沖，再驅(qū)動控制用的開關(guān)晶體管，使輸出電壓穩(wěn)定。(2) 電流控制模式圖2.3為電流控制模式電路圖。圖2.3 電流控制模式電路圖它是一個雙控制系統(tǒng)，既保留了電壓型控制器的輸出電壓反饋控制部分，又增加了一個反饋環(huán)節(jié)，它的電路工作原理是：與經(jīng)誤差放

33、大器比較放大后，得到，由恒頻時鐘脈沖置位鎖存器輸出脈沖驅(qū)動管導(dǎo)通，電源電路中因輸出電感的作用使脈沖電流逐漸增大，當(dāng)電流在采樣電阻RS上的電流信號電壓VS幅度達(dá)到電平時，脈寬比較器的狀態(tài)反轉(zhuǎn)，鎖存器復(fù)位，驅(qū)動撤除，功率管關(guān)斷，電路逐個的檢測和調(diào)節(jié)電流脈沖，控制電源輸出。電壓控制模式電路控制過程中電感電流未參與控制，是獨立變量，開關(guān)轉(zhuǎn)換器為二階系統(tǒng)，有兩個狀態(tài)變量，即輸出濾波電容的電壓和輸出濾波電感的電流。二階系統(tǒng)是一個有條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，只有對控制電路進(jìn)行精心設(shè)計和計算，滿足一定條件，方能使閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。開關(guān)電源的電流均流經(jīng)電感，將使濾波電容上的電壓信號對電流信號產(chǎn)生90度延遲。因此，僅用電壓

34、采樣的方法反應(yīng)速度慢，穩(wěn)定性差，甚至在大信號變動時產(chǎn)生振蕩，從而損壞功率器件，以致在推挽和全橋等電路中引起變壓器偏磁化飽和而產(chǎn)生電流尖峰，最終導(dǎo)致線路工作失常。電流型控制器正是針對電壓型控制器的缺點發(fā)展起來的，它增加了電流反饋環(huán)，電感電流不再是一個獨立變量，從而使開關(guān)轉(zhuǎn)換器成為一個一階無條件的穩(wěn)定系統(tǒng)，它只有單個極點和90度相位滯后，因而很容易不受約束的得到大的開環(huán)增益和完善的小信號、大信號特性。 PFM/PWM混合調(diào)制模式PFM/PWM混合調(diào)制模式，就是當(dāng)電源芯片外部負(fù)載情況改變時，芯片內(nèi)部工作方式發(fā)生改變。PWM模式下，由于變換器開關(guān)損耗不隨負(fù)載變化，效率隨負(fù)載變低而不降，在輕負(fù)載時效率很

35、低；PFM模式下，變換器開關(guān)損耗和傳導(dǎo)損耗隨負(fù)載電流的降低而降低，在輕負(fù)載時，總損耗很小，有較高的轉(zhuǎn)換效率，而在重負(fù)載時效率比PWM模式低。當(dāng)輕負(fù)載條件下，間歇的控制開關(guān)管的工作，以減小開關(guān)管的功率損耗。它采用高低不同的電壓門限將輸出電壓限制在預(yù)先設(shè)好的電壓波動范圍內(nèi)。當(dāng)輸出電壓低于低門限時，喚醒控制電路，控制開關(guān)管工作，對輸出電容充電。當(dāng)輸出電壓高于高門限時，使控制電路處于睡眠狀態(tài)，同時將功率開關(guān)管Q關(guān)閉，由輸出電容提供輸出能量，直到輸出電壓再次低于低門限。這樣在輕負(fù)載條件時，功率開關(guān)管有較長的關(guān)閉時間，從而減小了功率開關(guān)管的能量損耗，同時，系統(tǒng)內(nèi)部分電路可以關(guān)閉，提高了轉(zhuǎn)換效率?；旌险{(diào)制模

36、式立足于負(fù)載電流的檢測，當(dāng)負(fù)載電流較大時，芯片工作在PWM模式；當(dāng)負(fù)載電流較小時，芯片工作在PFM模式。因此，混合控制模式在全負(fù)載范圍都有較高的轉(zhuǎn)換效率，但是面臨著PFM的輸出噪聲頻譜比較寬、紋波較大、EMI較差。此種方案是基于高轉(zhuǎn)換效率前提，應(yīng)避免在噪聲敏感場合使用。2.3.4 PWM與PFM的優(yōu)缺點比較（1）PFM相比較PWM主要優(yōu)點在于效率 = 1 * alphabetic a對于外圍電路一樣的PFM和PWM而言,其峰值效率PFM與PWM相當(dāng),但在峰值效率以前,PFM的效率遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于PWM的效率,這是PFM的主要優(yōu)勢。 = 2 * alphabetic b PWM由于誤差放大器的影響，回路

37、增益及響應(yīng)速度受到限制，PFM具有較快的響應(yīng)速度。（2）PFM相比較PWM主要缺點在于濾波困難 = 1 * alphabetic a濾波困難（諧波頻譜太寬）。 = 2 * alphabetic b峰值效率以前,PFM的頻率低于PWM的頻率,會造成輸出紋波比PWM偏大。 = 3 * alphabetic c PFM控制相比PWM控制 IC 價格要貴。總體來說：PFM之所以應(yīng)用沒有PWM多最主要的一個原因就是另外一個原因就是PWM的巨大優(yōu)點了：控制方法實現(xiàn)起來容易，PFM控制方法實現(xiàn)起來不太容易。在中小功率的電源中，電流型PWM控制是大量采用的方法，它較電壓控制型有如下優(yōu)點：逐周期電流限制，比電壓

38、型控制更快，不會因過流而使開關(guān)管損壞，大大減小過載與短路的保護(hù)；優(yōu)良的電網(wǎng)電壓調(diào)整率；迅捷的瞬態(tài)響應(yīng)；環(huán)路穩(wěn)定，易補償；紋波比電壓控制型小得多。生產(chǎn)實踐表明電流控制型的50W開關(guān)電源的輸出紋波在25mV左右，遠(yuǎn)優(yōu)于電壓控制型。硬開關(guān)技術(shù)因開關(guān)損耗的限制，開關(guān)頻率一般在350kHz以下，軟開關(guān)技術(shù)是應(yīng)用諧振原理，使開關(guān)器件在零電壓或零電流狀態(tài)下通斷，實現(xiàn)開關(guān)損耗為零，從而可將開關(guān)頻率提高到兆赫級水平，這種應(yīng)用軟開關(guān)技術(shù)的變換器綜合了PWM變換器和諧振變換器兩者的優(yōu)點，接近理想的特性，如低開關(guān)損耗、恒頻控制、合適的儲能元件尺寸、較寬的控制范圍及負(fù)載范圍，但是此項技術(shù)主要應(yīng)用于大功率電源，中小功率電

39、源中仍以PWM技術(shù)為主。本次設(shè)計也采用的是PWM的控制方式。2.3.5 PWM中的電壓控制電路和電流控制電路的性能比較（1）電壓控制模式電路的優(yōu)點是：單環(huán)反饋的設(shè)計和分析較易進(jìn)行；鋸齒波振幅較大，對穩(wěn)定的調(diào)制過程可提供較好的噪聲余裕；低阻抗功率輸出，對多輸出電源具有較好的交互調(diào)節(jié)特性。 電壓控制模式電路的缺點是：任何輸入電壓或輸出負(fù)載的變化必須首先轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化，然后再經(jīng)反饋環(huán)采樣反饋控制調(diào)節(jié)，這意味著動態(tài)響應(yīng)速度較慢；輸出濾波器對控制環(huán)增加了兩個極點，這就需要增加一個零點補償；由于環(huán)路增益隨輸入電壓而變化，使得補償變得更加復(fù)雜化。（2）電流控制模式電路的優(yōu)點是：具有良好的線性調(diào)制率和快

40、速的輸入輸出動態(tài)響應(yīng)；消除了輸出濾波電感帶來的極點和系統(tǒng)的二階特性，使系統(tǒng)不存在有條件的環(huán)路穩(wěn)定性問題，具有最佳的大信號特性；固有的逐個脈沖電流限制，簡化了過載保護(hù)和短路保護(hù)，在推挽電路和全橋電路中具有自動磁通平衡功能；多電源單元并聯(lián)易于實現(xiàn)自動均流。電流控制模式電路的缺點是：需要雙環(huán)控制，增加了電路設(shè)計和分析難度；因電流上升率不夠大，在沒有斜波補償時當(dāng)占空比大于50%時，控制環(huán)變得不穩(wěn)定，抗干擾性能差，因控制信號來自輸出電流，功率級電路的諧振會給控制環(huán)帶來噪聲；因控制環(huán)控制電流，使負(fù)載調(diào)制率變差，在多路輸出時，需要耦合電感實現(xiàn)交互調(diào)節(jié)。采用簡單斜波補償措施后，電流控制模式電路引起的絕大部分問

41、題都能得到滿意解決，且不影響其優(yōu)勢的發(fā)揮。根據(jù)以上討論，本次設(shè)計選擇電流控制模式為所設(shè)計的PWM開關(guān)電源芯片的反饋模式。2.4軟開關(guān)與硬開關(guān)的選擇AC/DC，DC/DC變換器作為電源系統(tǒng)中為設(shè)備提供直流動力的主要裝置，面臨著體積更小、重量更輕、效率更高、可靠性更高等諸多要求。變換器必須體現(xiàn)工作頻率由低到高向高頻的轉(zhuǎn)換。眾所周知，在硬開關(guān)方式下不斷提高變換器的工作頻率會引起以下問題：1.開關(guān)損耗大。開通時，開關(guān)器件的電流上升和電壓下降同時進(jìn)行；關(guān)斷時，電壓上升和電流下降同時進(jìn)行。電壓、電流波形的交疊產(chǎn)生了開關(guān)損耗，該損耗隨開關(guān)頻率的提高而急速增加。2.感性關(guān)斷電壓尖峰大。當(dāng)器件關(guān)斷時，電路的感性

42、元件感應(yīng)出尖峰電壓，開關(guān)頻率愈高，關(guān)斷愈快，該感應(yīng)電壓愈高。此電壓加在開關(guān)器件兩端，易造成器件擊穿。3.容性開通電流尖峰大。當(dāng)開關(guān)器件在很高的電壓下開通時，儲存在開關(guān)器件結(jié)電容中的能量將以電流形式全部耗散在該器件內(nèi)。頻率愈高，開通電流尖峰愈大，從而引起器件過熱損壞。另外，二極管由導(dǎo)通變?yōu)榻刂箷r存在反向恢復(fù)期，開關(guān)管在此期間內(nèi)的開通動作，易產(chǎn)生很大的沖擊電流。頻率愈高，該沖擊電流愈大，對器件的安全運行造成危害。4.電磁干擾嚴(yán)重。隨著頻率提高，電路中的和增大，從而導(dǎo)致電磁干擾（EMI）增大，影響整流器和周圍電子設(shè)備的工作。上述問題嚴(yán)重阻礙了開關(guān)器件工作頻率的提高。近年來開展的軟開關(guān)技術(shù)研究為克服上

43、述缺陷提供了一條有效的途徑。和硬開關(guān)工作不同，理想的軟關(guān)斷過程是電流先降到零，電壓在緩慢上升到斷態(tài)值，所以關(guān)斷損耗近似為零。由于器件關(guān)斷前電流已下降到零，解決了感性關(guān)斷問題。理想的軟開通過程是電壓先降到零，電流在緩慢上升到通態(tài)值，所以開通損耗近似為零，器件結(jié)電容的電壓亦為零，解決了容性開通問題。同時，開通時，二極管反向恢復(fù)過程已經(jīng)結(jié)束，因此二極管方向恢復(fù)問題不存在。和的降低使得EMI問題得以解決。因此，軟開關(guān)總體來說就是：（1）軟開關(guān)技術(shù)通過在電路中引入諧振改善了開關(guān)的開關(guān)條件，大大降低了硬開關(guān)電路存在的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲問題。（2）軟開關(guān)技術(shù)總的來說可以分為零電壓和零電流兩類。按照其出現(xiàn)的先

44、后，可以將其分為準(zhǔn)諧振、零開關(guān)PWM和零轉(zhuǎn)換PWM三大類。每一類都包含基本拓?fù)浜捅姸嗟呐缮負(fù)?。?）零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路、零電壓開關(guān)PWM電路和零電壓轉(zhuǎn)換PWM電路分別是三類軟開關(guān)電路的代表；諧振直流環(huán)電路是軟開關(guān)技術(shù)在逆變電路中的典型應(yīng)用。相比之下，現(xiàn)在的軟開關(guān)技術(shù)已經(jīng)是占據(jù)電子領(lǐng)域的主要地位。故在本次設(shè)計中也有很好的運用。2.5保護(hù)電路的選擇設(shè)計最理想的電源保護(hù)電路應(yīng)具有以下特性：1在進(jìn)入超額定條件時，電源能它全地自動進(jìn)入自保護(hù)狀態(tài)，例如輸入端的過電壓/欠電壓保護(hù)、輸出端的過電壓/欠電壓保護(hù)、短路保護(hù)以及過熱保護(hù)。2電源進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)期間，其功耗愈小愈好。3電源進(jìn)入保護(hù)狀態(tài)期間，電子元器件

45、的工作應(yīng)力愈小愈好，以使電源進(jìn)入睡眠狀態(tài)。睡眠狀態(tài)一般有兩種方式：第一種是工作于極窄的脈沖寬度狀態(tài)；第二種是工作于完全關(guān)斷與極窄的脈沖寬度相交替的間歇狀態(tài)。從元器件應(yīng)力和電源功耗方面來講，最好是間歇工作狀態(tài)，以保證即使長期處于保護(hù)狀態(tài)也不損傷電源壽命。4保護(hù)電路具有自解除功能。電源的保護(hù)狀態(tài)解除后，電源能夠從睡眠狀態(tài)被自動喚醒進(jìn)入正常工作狀態(tài)。5保護(hù)電路的構(gòu)成愈簡單愈好，最好無需再給保護(hù)電路另行提供電源。6保護(hù)電路本身的功耗愈小愈好，以保證提高電源的整體效率。本設(shè)計中所選芯片含有自帶的軟啟動和過電流、過電壓的以及過溫保護(hù)功能。因此，使得整個電路簡單方便了不少。同時也基本上符合了最理想電源保護(hù)電

46、路所應(yīng)有的特性。也為本次設(shè)計節(jié)約了不少的時間，在經(jīng)濟(jì)方面來說也節(jié)省了不少。但由于，選用的PWM電流控制在沒有斜波補償時當(dāng)占空比大于50%時，控制環(huán)變得不穩(wěn)定，抗干擾性能差，因此要采用簡單斜波補償措施。具體內(nèi)容將在后續(xù)中詳細(xì)介紹。并且，在設(shè)計中采用了同步整流技術(shù)。這也將在后續(xù)中詳細(xì)介紹。3 工作原理經(jīng)過上述方案的討論和最終的確定，本次DC-DC開關(guān)電源設(shè)計是采用的PWM控制的電流控制模式降壓電路電源設(shè)計，并兼有采用軟開關(guān)技術(shù)以及各種保護(hù)電路。下面就詳細(xì)對各部分的構(gòu)成及工作原理進(jìn)行介紹。3.1開關(guān)電源的構(gòu)成及 DC-DC開關(guān)電源的基本原理開關(guān)電源的構(gòu)成開關(guān)電源是一種比較新型的電源。它具有效率高，重

47、量輕，可升、降壓，輸出功率大等優(yōu)點。但是由于電路工作在開關(guān)狀態(tài)，所以噪聲比較大開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管導(dǎo)通和關(guān)斷的時間比，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。同時具備三個條件的電源可稱之為開關(guān)電源。這三個條件就是：開關(guān)（電路中的電力電子器件工作在開關(guān)狀態(tài)而不是線性狀態(tài)）、高頻（電路中的電力電子器件工作在高頻而不是接近工頻的低頻）和直流（電源輸出的是直流而不是交流）。開關(guān)電源的基本構(gòu)成如圖3.1所示，其中DC-DC變換器是進(jìn)行功率變換的器件，是開關(guān)電源的核心部件，此外還有啟動電路、過流與過壓保護(hù)電路、噪聲濾波器等組成部分。反饋回路檢測其輸出電壓，并與基準(zhǔn)電壓比較。其誤差通過誤差放大

48、器進(jìn)行放大，控制脈寬調(diào)制電路，再經(jīng)過驅(qū)動電路控制半導(dǎo)體開關(guān)的通斷時間，從而調(diào)整輸出電壓。其結(jié)構(gòu)如圖3.1所示：圖3.1開關(guān)電源結(jié)構(gòu)圖DC-DC開關(guān)電源的基本原理DC-DC是英語直流變直流的縮寫，所以DC-DC電路是某直流電源轉(zhuǎn)變?yōu)椴煌妷褐档碾娐?。DC-DC是開關(guān)電源技術(shù)的一個分支，開關(guān)電源技術(shù)包括DC-DC、AC-DC兩個分支。在這里先介紹一下DC-DC開關(guān)電源的基本原理，在往后會重點介紹降壓電路的工作原理。 DC/DC開關(guān)電源工作原理：圖 3.2 DC/DC 開關(guān)電源基本原理圖如圖3.2所示為DC/DC的基本原理圖。其中Q為開關(guān)管，L為儲能電感，D為整流管，C為濾波電容，RL為負(fù)載。當(dāng)激勵

49、脈沖為高電平時，開關(guān)管Q飽和導(dǎo)通，整流管D截止，輸入電壓加在電感L上，電感L以磁能形式存儲能量，當(dāng)Q截止期間，整流管D導(dǎo)通，電感L儲存的能量經(jīng)D釋放，在電容C兩端產(chǎn)生直流電壓，從而為負(fù)載RL提供供電電源。在給定條件下，輸出端電壓的高低由Q的飽和導(dǎo)通時間長短決定，即由基極所加激勵電壓的脈沖寬度決定。上述的是DC-DC開關(guān)電源最基本的電路原理圖，其他的電路都是由此衍變而來的。3.2降壓型DC-DC變換器的工作原理在對DC-DC開關(guān)電源的基本原理有了一定的了解后，下面主要講述的是降壓型電路的工作原理。其主電路如圖3.3所示, 其中，功率MOSFET為開關(guān)調(diào)整元件，它的導(dǎo)通和關(guān)斷由控制電路決定；L和C

50、為濾波元件；開關(guān)管截止時，二極管VD可保持輸出電流連續(xù)，所以通常為續(xù)流二極管?？刂齐娐份敵鲂盘柺归_關(guān)管VT導(dǎo)通時，濾波電感L中的電流逐漸增加，因此貯能也逐漸增大，電容器C開始充電。圖3.3 降壓型DC-DC變換器主電路忽略MOSFET的導(dǎo)通壓降，MOSFET源極電壓應(yīng)為，濾波電感兩端電壓應(yīng)為 式（3.1）由此可以得出 式（3.2）假設(shè)輸入電壓和輸出電壓保持不變，可以得到 式（3.3）式中為導(dǎo)通前流過電感L中的電流。可以看出，導(dǎo)通期間，流過電感L的電流線性上升。導(dǎo)通狀態(tài)結(jié)束時，即t=時，L中的電流達(dá)到最大值，即 式（3.4）控制電路使開關(guān)管關(guān)斷時，電感L中的電流將減小，L兩端產(chǎn)生的感應(yīng)電壓使二極

51、管導(dǎo)通，電感L中貯存的能量通過續(xù)流二極管傳輸?shù)截?fù)載。忽略續(xù)流二極管的導(dǎo)通壓降，電感兩端電壓應(yīng)為 式（3.5）由此可以得出 式（3.6）設(shè)輸出電壓保持不變，則有 式（3.7）式中為開關(guān)管斷流前流過電感L的電流。開關(guān)管關(guān)斷狀態(tài)結(jié)束（即t=）時，電感中的電流下降到最小值，即 式（3.8）將該式帶入電感電流最大值表示式，經(jīng)適當(dāng)整理后，可以得到 式（3.9）式中，T為開關(guān)管控制信號的周期，即+；D為開關(guān)管導(dǎo)通時間與周期之比，通常稱為控制信號的占空比。從該式可以看出，由于占空比小于1，該電路輸出電壓總是低于輸入電壓，因此將其稱為降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。3.3PWM電流控制在降壓電路中的工作原理電路圖如圖3

52、.3中所示在該電路中，輸入電壓變化時，保持控制信號的周期T不變，改變開關(guān)管的導(dǎo)通時間 (即改變控制信號的占空比D)，可使輸出電壓保持穩(wěn)定，這種方式稱為脈沖寬度調(diào)制（PWM）。 輸出電壓的表示式也可變?yōu)?式（3.10）式中f為控制信號的頻率?？梢钥闯?，輸入電壓變化時，保持控制信號的寬度（即開關(guān)管導(dǎo)通時間）不變，改變控制信號的頻率，也可以穩(wěn)定轉(zhuǎn)換器的輸出電壓，這種方式稱為脈沖頻率調(diào)制（PFM）。電感L中的電流，在開關(guān)管導(dǎo)通時上升，在開關(guān)管關(guān)斷時下降。若在這樣一個周期T中，下降到零，并在之后一直保持為零，則開關(guān)電源工作在非連續(xù)電流模式（DCM），否則工作在連續(xù)電流模式下（CCM）。 (1) 連續(xù)電流

53、模式（CCM） 開關(guān)電源工作在CCM下時，一個周期內(nèi)，開關(guān)管導(dǎo)通時間為DT，的上升量為；開關(guān)管關(guān)斷時間為(1D)T，則的下降量為。在穩(wěn)態(tài)狀態(tài)下，在每個周期的末尾和開始必須相等，因此 式（3.11） 于是占空比D與、的關(guān)系如下： 式（3.12）下圖顯示了CCM下，降壓型開關(guān)電源的主要波形。負(fù)載電流的關(guān)系可按每個周期下，向負(fù)載傳送的電荷與在同時間下得到的電荷相等得到。(2) 非連續(xù)電流模式（DCM）在電感足夠小或者輸出電流低于一定值時，開關(guān)電源可能進(jìn)入DCM狀態(tài)。開關(guān)電源工作在DCM時，初始電流，在開關(guān)管導(dǎo)通后電感電流可上升到最大值： 式（3.13）在開關(guān)管關(guān)斷后，電感電流下降為零，所需時間為：

54、式（3.14）圖3.4 CCM下各電流波形圖下圖為DCM下，各元件通過電流波形圖。電感L向電容C傳遞的電荷Q，可根據(jù)在一個周期下對電感電流積分得到，即下圖中電感電流三角波形下的面積。圖3.5 DCM下各電流波形圖由此DCM下的輸出電流表示如下： 式（3.15）整理可得： 式（3.16）由上式可知，電感越小，越大，越容易進(jìn)入DCM狀態(tài)。若在給定電感L、的情況下，且時，可計算發(fā)生DCM的臨界輸出電流： 式（3.17）3.4軟開關(guān)技術(shù)的工作原理軟開關(guān)技術(shù)在硬開關(guān)過程中，會產(chǎn)生較大的開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲。開關(guān)損耗隨著開關(guān)頻率的提高而增加，使電路效率下降，發(fā)熱量增加，溫升提高，阻礙了開關(guān)頻率的提高；開關(guān)噪

55、聲給電路帶來嚴(yán)重的電磁干擾問題，影響周邊電子設(shè)備的正常工作。通過在原來的開關(guān)電路中增加很小的電感、電容等揩振元件，構(gòu)成輔助換相網(wǎng)絡(luò)，在開關(guān)過程前后引入諧振過程，使開關(guān)器件開通前電壓先降為零，或關(guān)斷前電流先降為零，就可以消除開關(guān)過程中電壓、電流的重疊，降低它們的變化率，從而大大減小甚至消除開關(guān)損耗和開關(guān)噪聲，這樣的電路稱為軟開關(guān)電路。軟開關(guān)電路中，典型的開關(guān)過程如圖3.6所示。這樣的開關(guān)過程稱為軟開關(guān)。uip0uuitt0uip0uuiitt0a）軟開關(guān)的開通過程b）軟開關(guān)的關(guān)斷過程圖3.6 軟開關(guān)的開關(guān)過程軟開關(guān)電路的分類（1）根據(jù)開關(guān)元件開通和關(guān)斷時電壓電流狀態(tài)，分為零電壓電路和零電流電路兩

56、大類。（2）根據(jù)軟開關(guān)技術(shù)發(fā)展的歷程可以將軟開關(guān)電路分成準(zhǔn)諧振電路、零開關(guān)PWM電路和零轉(zhuǎn)換PWM電路。（3）每一種軟開關(guān)電路都可以用于降壓型、升壓型等不同電路，可以從基本開關(guān)單元導(dǎo)出具體電路。因此可以用圖3.7中的基本開關(guān)單元來表示，不必畫出各種具體電路。實際使用時，可以從基本開關(guān)單元導(dǎo)出具體電路，開關(guān)和二極管的方向應(yīng)根據(jù)電流的方向相應(yīng)調(diào)整。軟開關(guān)技術(shù)是使功率變換器得以高頻化的重要技術(shù)之一, 它應(yīng)用諧振的原理, 使開關(guān)器件中的電流(或電壓) 按正弦或準(zhǔn)正弦規(guī)律變化。當(dāng)電流自然過零時, 使器件關(guān)斷(或電壓為零時, 使器件開通) , 從而減少開關(guān)損耗。 a）基本開關(guān)單元 b）降壓斬波器中的基本開

57、關(guān)單元 c）升壓斬波器中的基本開關(guān)單元 d）升降壓斬波器中的基本開關(guān)單元圖3.7基本開關(guān)單元的概念它不僅可以解決硬開關(guān)變換器中的硬開關(guān)損耗問題、容性開通問題、感性關(guān)斷問題及二極管反向恢復(fù)問題, 而且還能解決由硬開關(guān)引起的EMI 等問題。如今軟開關(guān)變換器都應(yīng)用了諧振原理, 在電路中并聯(lián)或串聯(lián)諧振網(wǎng)絡(luò), 勢必產(chǎn)生諧振損耗, 并使電路受到固有問題的影響。為此, 人們在諧振技術(shù)和無損耗緩沖電路的基礎(chǔ)上提出了組合軟開關(guān)功率變換器的理論。組合軟開關(guān)技術(shù)結(jié)合了無損耗吸收技術(shù)與諧振式零電壓技術(shù)、零電流技術(shù)的優(yōu)點, 其基本原理是通過輔助管實現(xiàn)部分主管的零電流關(guān)斷或零電壓開通, 主管的其余軟開關(guān)則是由無損耗吸收網(wǎng)

58、絡(luò)來加以實現(xiàn), 吸收能量恢復(fù)電路被ZCT、ZVT諧振電路所取代, 輔助管的軟開關(guān)則是由無損耗吸收網(wǎng)絡(luò)或管電壓、電流自然過零來加以實現(xiàn)。換言之, 即電路中既可以存在零電壓開通, 也可以存在零電流關(guān)斷, 同時既可以包含零電流開通, 也可以包含零電壓關(guān)斷, 是這四種狀態(tài)的任意組合。由此可見, 由無損耗緩沖技術(shù)和諧振技術(shù)組合而成的新型軟開關(guān)技術(shù)將成為新的發(fā)展趨勢。3.5保護(hù)電路中斜波補償在保護(hù)電路中具有軟啟動保護(hù)，過流與過壓保護(hù)等，但在設(shè)計中所選的芯片含有這些功能，因此，在這里主要詳細(xì)介紹斜波補償及系統(tǒng)穩(wěn)定性研究。電流型DC-DC變換器是采用電流反饋環(huán)控制系統(tǒng)的集成電路，它的反饋信號取自輸出電流，用反

59、饋電流調(diào)整控制器的輸出脈沖寬度改變脈沖的占空比，實現(xiàn)開關(guān)電源的穩(wěn)壓輸出。誤差信號控制峰值開關(guān)電流。由于平均電感電流僅隨誤差信號的變化而變化，因此電感可相當(dāng)于一個電流源。這樣就使得集成電路幾項性能得到改善，例如改善了電源的瞬態(tài)響應(yīng)，電源調(diào)整率也得到改善，設(shè)計控制環(huán)路更簡單，更容易。次諧波振蕩產(chǎn)生的原因當(dāng)控制信號方波的占空比大于50%時，電感電流連續(xù)時可能會出現(xiàn)低次諧波振蕩。這種不穩(wěn)定性取決于穩(wěn)壓器的閉環(huán)特性，由電感電流或者控制電壓的擾動造成的。(1) 電感電流的擾動由于電路工作過程中各種因素的影響，可能會造成電感電流突然發(fā)生變化。一般情況下，這種變化可以通過電路內(nèi)部的反饋調(diào)節(jié)機(jī)制來重新達(dá)到一定的

60、平衡。然而，在占空比大于50%時可能會產(chǎn)生低頻振蕩甚至是不穩(wěn)定的狀態(tài)。當(dāng)占空比大于50%時，由于電感電流上升時的斜率m1要小于下降時的斜m2，每經(jīng)過一個周期，電感電流的值偏離正常工作時的平衡值越來越大，系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。同時我們可以看到，如果占空比小于50%，即m1的值于m2的值，那么，系統(tǒng)將在幾個周期之后恢復(fù)到遠(yuǎn)離的平衡狀態(tài)。(2) 控制電壓的擾動 在時，開關(guān)導(dǎo)通開始，電感電流以m1的斜率上升。在處，電流檢測輸入達(dá)到由控制電壓建立的門檻值，這就使功率開關(guān)關(guān)斷并使電流以m2的斜率衰減，直至下一個振蕩周期。如把一個擾動加在控制電壓上，就產(chǎn)生一個小的I（虛線)，不穩(wěn)定的情況就會出現(xiàn)。由于固定的振蕩時