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ACDC开关电源控制器的设计与应用


武汉理工大学 硕士学位论文 AC-DC开关电源控制器的设计与应用 姓名:尚卓 申请学位级别:硕士 专业:物理电子学 指导教师:洪建勋 20100501

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随着科学技术的发展,人们的生活越来越离不开电子产品,特别是便携式 产品更是越来越受到人们的青睐,手机、手提

电脑、数码照相机等电子设备随 处可见,而这些电子设备都离不开电源,因此一个性能优良的电源可以充分发 挥电子设备的功能。 当前设计AC.DC开关电源管理器技术已经比较成熟,需要攻克的难题是提 高电源工作效率和提高电源输出精度。目前AC.DC开关电源采用PWM和PFM 技术,这种方式使得变换器发出的每一个能量驱动脉冲都要进行调整,以使输 出电压不偏离额定值。本文在以有的AC—DC开关电源控制技术基础上,采用数 字技术,在每一个周期内,数字脉冲序列抽样一个二进制误差信号,决定是否 驱动开关管导通,从而实现输出电压稳压的功能,解决AC.DC开关电源中存在 的难题。本文提出采用初级反馈技术控制,具有显著特点,解决开关电源成本 高的问题,同时其结构灵活,易于维护,通用性强。 本文的主要工作可归结如下: 1、根据开关电源管理器控制模式的比较,提出了峰值电流模式控制PWM技术。 重点研究多种模式的转换,在此基础上引入PSM模式调节,通过对控制器功能 的需求分析,结合控制器的结构框图和峰值电流模式控制PWM技术的特点,设 计出了控制器的整体方案框图。 2、在matlab仿真环境下,研究控制器整个系统的软件架构,并重点设计软启动 模块、峰值电流的采集模块、模式转换模块和电路保护模块。通过研究控制器 系统,得到控制器的小信号模型,设计了控制级的传输函数,使系统得到补偿。 3、研究控制器的外围应用电路,重点设计高频变压器,进行参数的设计,系统 的调试,对系统进行完善。 4、针对在模块测试和系统测试中遇到的问题,提出一些合理的解决方案,使系 统的性能更加优化,得到稳定的系统运行。 通过仿真和测试结果表明,本文设计实现的开关电源控制系统达到预期设 计的功能要求,应用电路功能稳定。同时由于本系统采用的多模式转换,使得 系统的性能更加稳定。在本论文的研究基础上,还可以实现功率、效率、模块 升级等功能。 关键词:变换器,PWM控制,CV模式,CC模式,matlab仿真

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Abstract

With

the scientific and technological development,more

and more

people

are

inseparable from

electronic

products,especially portable products are more and more
SO on.

popular for all people,for example cell phones,laptops,digital cameras and
They
can

be

seen

everywhere.But these electronic devices need power supply So
can



good performance of the power supply The current design

make electronic devices work very well.

of AC-DC

Switching Power

Manager technology

is

relatively mature,it need to overcome the challenges to improve the power

efficiency PWM

and improve output accuracy At presenL AC—DC switching power supply with

and PFM

techniques which may

cause

the converter

to issue

driver for each

energy

pulse,it must be

adjusted

SO

that the output voltage does not deviate from the rate.In

this paper,AC—DC switching power supply control

technology based

on

digital

technology,in

each cycle it decided whether to drive switch control lead pass in order

to achieve output voltage regulation function to solve the

existing problems.In this

paper,using primary
of

feedback control,with

significant

features to solve the problem

hi曲cost

of switching power supply,flexible

structure,maintenance and hi曲

universality.

The main work of this Paper Call be summarized as
I.According to switch control mode of power
current

follows: devices,put forward peak

management
on

mode control PWM technique.Focuses
on

multi-mode conversion,in this

mode of regulation based
through needs

the introduction of

PSM,the

controller functions

analysis,combined

with the controller block diagram

and peak current

mode control PWM

technology,designs

the overall program of the controller diagram.
to study the control

2.In the matlab simulation

environment

of the system software

architecture and key

design

soft-start module,the peak current of the acquisition

module,model conversion module and circuit protection module.By studying the
control system are

small-signal

model of the controller

designed

to

control the

level

ofthe transfer function

and the system compensation.

II

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3.The external application of the controller circuit,focusing

Oil

high

frequency

transformer design,the design parameters and system debugging,the system is
perfect. 4.For the module testing and solution to


system testing problems

encountered,some reasonable

more optimized system performance and system stable operation.
test results show that

The

simulation and

the design of switching power supply
of the functional

control system to achieve the desired application circuit function
to

design

requirements,the
uses

and

stability.At the same time,the system

multi—mode conversion

make the system more stable

performance.In
functions.

this paper,it

Can also

achieve

power,efficiency and upgrade the module

Keywords:converter,PWM

control,CV mode,CC mode,matlab simulation

III

独创性声明

本人声明,所呈交的论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究 成果。尽我所知,除了文中特别加以标注和致谢的地方外,论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果,也不包含为获得武汉理工大学或其它教育机构的 学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已 在论文中作了明确的说明并表示了谢意。

签名:——日期:

关于论文使用授权的说明

本人完全了解武汉理工大学有关保留、使用学位论文的规定,即学校有权保 留、送交论文的复印件,允许论文被查阅和借阅;学校可以公布论文的全部或部 分内容,可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 (保密的论文在解密后应遵守此规定)

酶年翩虢牲

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第1章绪论
开关电源控制器可以分为以下四类:AC.AC、DC.DC、AC.DC、DC.AC。 本课题是设计一款AC.DC开关电源控制器u1。 与传统设计开关电源控制器不同,在本课题的设计中,主要有以下四个关 键技术。第一,与传统设计开关电源控制器采用次级反馈不同,本课题采用的 是初级反馈,这种反馈方式可以减少元器件的数量,减轻重量,减少体积,因 而节约成本。第二,传统设计一般采用模拟技术,本课题控制器部分采用的是 数字技术,这样做的原因是可以提高输出电压的精度,提高系统的稳定性,使 得动态响应得到提高。第三,在传统设计方案中,一般将保护电路设置在硬件 部分,但是在本课题设计中将部分保护电路直接在控制器中写入程序进行控制, 最大限度的减小体积,节约成本。第四,传统的Ac—DC开关电源管理器的工作 效率一般是低于50%,而本课题设计的AC-DC开关电源管理器的效率可以达到 65%’75%,使得功耗低,是一种绿色环保的新型开关电源。

I.I课题研究意义
随着便携式产品越来越多的进入人们的生活,用户对电源的要求也就越来 越高。因此,为了更好的满足消费者的需求,系统设计师们在设计电源控制器 时,需要考虑工作效率等问题。同时,客户希望电源设计师可以提供功能强大、 省电、高效的电源管理器【2】。 理论分析和实践证明,电子产品的体积和重量与频率的平方根成反比。因此, 随着电子器件的不断发展,尤其是开关管制造技术的不断发展,开关电源的体 积和重量将不断减小。但是在体积减少的同时,会发现将引入更多的电磁污染13J。 为了减少开关电源的电磁污染,需要将各种新的技术进行融合。在控制部分, 需要引入软启动技术、多种工作模式等。在硬件上,主要是采用无感电容、无 感电阻等元器件。 为了提高开关电源稳定性,可以通过一系列的保护电路来实现。因此,一般 需要集成保护电路,如过压保护、欠压保护、过流保护电路等,使系统可以在 输入电压范围比较大,应用领域比较广泛的条件下,稳定安全工作【4】。

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1.2开关电源的特点
开关电源产品的优点是:重量轻、体积小、效率高等,因此在很多领域有广 泛的应用,开关电源产品的技术发展趋势正朝着高可靠、高稳定、低噪声、模 块化和抗干扰等方面发展【9】。可以预测到,开关电源的发展方向是: (1)小型化、轻便化 由于元器件的发展,开关电源的频率越来越高,使得电容值和电感值逐渐减 小,因此开关电源的体积变得越来越小,重量变得越来越轻。 (2)高频化 高频化是减少开关电源体积、减轻重量的重要途径。高频化可以使开关电源 的动态品质得到很好的改善。 (3)高效率、低噪声 效率是衡量开关电源好坏的一个重要标志。但是高效率和低噪声是相互矛盾 的。当开关管的频率较高时,开关管的功耗就加大,使得效率降低,噪声提高, 起到既高效率又高频率的效果。因此,在设计开关电源时,在效率和噪声之间 要做个适当的折中,不能盲目的一味追求高效率或是一味追求低噪声,或是在 提高效率的情况下,寻找一些新的方法来降低噪声【5】。. (4)高可靠性和稳定性 开关电源的可靠性和稳定性对电源而言十分重要,由于开关电源的元器件 很多,使得开关电源的可靠性下降。同时,由于光耦合器和电解电容等器件决 定了开关电源的寿命长短。因此在设计开关电源时,要寻找出延长电源使用寿 命和提高可靠性、稳定性的方法。目前已经研制出通过减少器件的电应力、降 低温度、降低电流等方法,来提高开关电源系列产品的可靠性和稳定性【6】。 (5)电源管理系统的模块化 在电源管理系统中,一般是应用微处理器进行管理。在开关电源中,一般都 内置过压保护电路、过流保护电流、短路保护电路、开路保护电路等,可以实 现微处理单元智能控制,确保开关电源正常运行【7】。 模块化是为了适应电源供电系统的要求,具有节能、高效、经济、维护方便 等优点,同时也适用于低损耗、高速集成电路低电压电源供电的要求。 (6)数字化 开关电源数字化是开关电源的一个重要的发展趋势,过去的电源是通过模




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拟信号实现的,随着数字化技术的高速发展,可以采用数字技术,来实现脉宽 调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)等数字化调制方法瞵J。 (7)功能全、更新快、产品种类多 由于开关电源输入电压是通用的,都是市电,所以适用于很多场合。但是 由于输出电压、输出电流、输出功率等的不同,导致开关电源的种类繁多,随 着科学技术的发展,开关电源的功能越来越全面,更新换代的速度也越来越快【9】。 总而言之,在便携式产品高速发展的如今,设计师们希望能够设计出体积 小、重量轻、效率高的开关电源来满足广大的消费者。

1.3本文的主要内容和组织结构
1.3.1论文内容概述
本课题设计一款高性能AC.DC开关电源管理器,采用峰值电流模式控制 PWM技术。该开关电源采用多种模式(PWM和PFM)调节,提高工作效率; 采用初级反馈技术,有较好的线性特性和负载调节特性;设置内置保护电路(过 压保护、欠压保护、过流保护、软启动保护等),可以减少外部器件的数量,减 少体积、减轻重量;采用数字技术,使得环路响应速度比传统的环路响应速度 要快很多,从而提高动态负载响应。本课题设计的开关电源输入电压范围较大 (85~265V),输出为5V,输出纹波较小,限制在2%内波动,输出稳定性好。 本文详细分析开关电源控制器的内部功能框图和工作原理;详细阐述控制 器的工作模式和控制原理,主要包括t JUDGE模块、SS(soft start)模块设计、
CC(constant

current)模块、CV(constant voltage)模块、SD(shut down)模

块、TFB模块和OUTPUT模块。在控制器的工作模式中,由于控制器采用的是 多模式调制,主要包括:CC模式和CV模式,在CV模式中包括:PWM模式 和PFM模式。在理论设计的基础上,通过matlab仿真软件,对输入整流滤波电 路、高频变压器建模,详细分析变压器的设计方案,最后对电路整体进行仿真, 分析仿真结果。

1.3.2论文结构
论文共分为六个章节,结构安排如下t

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第一章绪论:首先提出研究本课题的意义和目的,简述高频开关电源的特 点,最后提出本课题的主要内容和论文结构。 第二章AC.DC开关电源控制器的系统设计:详细分析AC.DC开关电源控 制器的内部功能框图和工作原理。 第三章AC.DC开关电源控制器的设计:详细介绍控制器的工作模式和控制 原理,主要包括:JUDGE模块、启动模块、CC模块、CV模块、SD模块、TFB 模块和CHOOSE VIPK模块。在控制器的工作模式中,由于该控制器采用的是 多模式调制,主要分为CC模式和CV模式,在CV模式中有可以分为PWM模 式、PFM模式和PSM模式。最后给出AC.DC开关电源控制器的流程图,并详 细阐述该流程图的意义及各个模块之间的关系。 第四章AC.DC开关电源控制器建模和仿真:本章主要分为输入整流滤波电 路建模、高频变压器建模和变压器的设计流程,最后给出开关电源的应用图, 得到整体电路的仿真结果并分析仿真结果,达到预期目标。 第五章总结和展望:本章总结和回顾了论文的主要工作,并对开关电源应 用前景和今后研究工作方向进行了展望。

1.4本章小结
本章主要介绍本课题的研究目的和意义、开关电源的优缺点,并给出本课 题的主要内容和论文框架结构。



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第2章AC.DC开关电源控制器的系统设计
2.1

AC.DC开关电源控制器的系统框图设计
传统开关电源利用电容元件和电感元件存储能量,当功率管导通/关断时,

电压有较大波动,直流电流断续的通过功率管,以磁场能的形式存储在电感元 件中,通过电容滤波得到连续的能量,并给负载供电,得到电压波动较小的直 流电,实现电压转换【10】。 市电(220V)进入电源,经过整流电路、滤波电路转化为直流电,通过开 关电路、高频变压器转化为高频电压,再经过整流电路和滤波电路,最后输出 低电压直流电。在输出端一般会有反馈电路来控制占空比的大小,使输出电压 稳定【ll】。 对于AC—Dc开关电源,输入交流电网电压220V,输出为稳定的直流电压。在 一般情况下,AC—DC开关电源必须具有整流滤波电路。图2-1为AC-DC变换器原理
图。


图2-1

AC-DC变换器原理图n21

AC.DC开关电源系统主要由三部分组成:主电路、控制电路、检测和保护电 路[B】。主电路主要包括:输入电源、开关管、整流管、电感、电容和负载等; 控制电路主要负责控制开关管的导通或截止,这种控制方法的设置,主要是实 时调节输出电压大小,得到稳定的输出电压,同时也可控制电路的工作状态, 使得主电路从输入电源处得到的能量和供给负载的能量维持平衡,即输入电压



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变化时,输出电压恒定;控制电路一般包括:输出端取样电路、反馈电路、PWIVl 调制器;检测电路一般包括:过流检测、过压检测、欠压检测等;保护电路一 般包括:过流保护电路、过压保护电路、欠压保护电路、软启动保护等多种类
型【141。

本课题在设计AC-DC开关电源管理器中,与传统的设计方法不同。传统的 设计主要采用次级反馈,电源管理器体积大、重量比较重,导致电源管理器的 成本比较高。本课题设计的AC-DC开关电源管理器采用初级反馈,使体积变小, 重量变轻,节约成本,同时初级反馈的设计方法具有良好的线性特性和负载调 节特性。 从图2-1可知,传统的AC-DC开关电源管理器中,主要采用的是模拟技术, 输出电压的纹波较大,输出电压精度不高,影响到系统的稳定性。在本课题的 系统设计中,采用数字技术和模拟技术相结合的方法,提高输出电压的精度, 使系统的稳定性有较大的改善。在本课题的控制部分采用的是数字技术,可以 实时分析每一个脉冲波形,这种方式的环路响应速度比传统的环路响应速度快, 动态负载响应和输出调节能力得到提高。需要指出的是,本课题的开关频率为 40KHz,即每个周期为25us,在控制器的处理中,将每个周期分为1000个点, 提高输出电压的精度,减少纹波的大小,每个点的周期为25ns。 与传统方法类似的是,在本课题设计中,考虑到节约成本和提高系统安全 性,采用了内置保护电路,即在AC—DC开关电源管理器中,通过写入程序,控 制输入和输出的电压和电流,起到保护作用,提高工作效率。同时最大限度地 减少外部元器件的数量,减少体积、减轻重量,节约成本。本课题设计的AC-DC 开关电源管理器的效率达到65%’80%,使得功耗低,是一种绿色环保的新型开关
电源。

考虑需要实时的控制电压和电流的输出,在AC—DC开关电源管理器系统设计 过程中,定义Vsense端口感应输出电压情况,Isense端口感应输出电流情况。 同时,考虑AC-DC开关电源管理器的系统设计与变压器息息相关,需要考虑变压 器设计,变压器的设计将在第四章展开详细分析。当输入电压范围很大时,内 置保护电路可限制功率,优化变压器的设计。考虑启动时,输出的电压不会马 上达到设计值,这段时间内原边的电流会到达最大值,导致开关管关断时的漏 极电压很高,这个电压与原边电流的平方及变压器的漏感成正比,所以在启动 时需要加入软启动,限制软启动时的电流大小。因此定义Vin端口感应输入端电



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压,控制软启动。

在设计的过程中,选取的是多种模式工作,而不是单一模式的工作方式,尽 可能提高工作效率。本课题的设计主要采用的是恒流调制(CC)模式和恒压调 制(CV)模式。传统的设计方法主要是在恒压调制(CV)模式下,采用脉冲宽 度调制(PwM)方式。为减少功耗,在恒压调制(CV)模式下,采用脉冲宽度调 制(P1j『M)、脉冲频率调制(PFM)和脉冲跨周期调制(PSH)方式三种方式。 从以上分析可知,Vin、Vsense和Isense--个信号为输入信号,Output为输 出信号。Vin是感应输入端的电压,控制软启动;Vsense主要是从辅助线圈处感 应电压,主要是实时调节输出电压;Isense是从初级线圈处感应电流,主要在每 个周期内采集峰值电流,同时起到限流作用。Output为输出信号,将Vsense、 Isense和Vin信号经过程序控制处理,得到输出信号Output,驱动mosfet管导通 或截止。 现分析AC-DC开关电源控制器的内部结构。在本课题的设计过程中,输入信 号为Vin、Vsense和Isense,包括三个方面设计内部结构。同时考虑到本课题采 用数字技术提高输出电压精度,提高系统的稳定性,需要一个控制器模块来控 制输入或是输出,实时调节输入或是输出情况,得到稳定的输出电压。 考虑至lJVin信号是控制软启动,在Vin处接启动模块,将软启动后信号送入 控制器中,但是需要注意,软启动后的信号是一个模拟信号,因此需要模数转 换器将模拟信号变成数字信号,送入控制器中处理。 考虑至UVsense信号是辅助线圈处感应的电压,要从三个方面去考虑感应的 电压情况,一是将采集电压与比较器比较,所得信号输入到控制器中;二是要 考虑反馈电压,将反馈后的电压送入到控制器中;三是在控制器中,要内置欠 压和过压保护来实时控制输出电压。 由于启动的时候输出的电压不会马上达到设计值,这段时间内原边的电流 会到达最大值,导致开关管关断时的漏极电压很高,这个电压与原边电流的平 方及变压器的漏感成正比,所以在启动时加入软启动,限制软启动时的电流大 小。由此可知Vin和Isense是有一定的关系的,将Vin信号输入到控制器处理所 得信号经过数模转换后与Isense进行比较,再送入到控制器中。值得注意的是, 此时Isense所指为峰值电流Ipeak电压值。同时由于Isense主要控制输出电流, 可通过Isense限流,起到过流保护的作用。 Output是经过控制器处理后得到的信号,即为Pulse,驱动开关管导通或截



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止。当Pulse=l时,开关管导通:反之截止。 根据以上分析,
如图2-2所示。

可得本课题设计的AC-DC开关电源控制器的系统功能框图,

图2-2

AC-DC开关电源控制器的系统功能框图

2.2

AC.DC开关电源控制器的工作原理
该控制器主要是针对小功率的电源管理器所设计。图2—2为AC—DC开关电源

控制器的内部功能框图,电流由Vin端口流入,流经二极管经过软启动模块判断 处理,得到信号Vinsw,Vinsw信号判断开关管导通/截止。开关管下接电阻,起 到分压作用,分压得到的电压Vin_a,经模数转换器,变为数字信号供给控制器
处理。

Vsense是从辅助线圈处感应得到的电压,主要作用:一是将感应得到的电 压Vsense经过调制得到电压Vvms,将采集得到的电压Vvms与比较器比较,所得 信号输入到控制器中。值得注意Vvms是指电池本身所存储的电压,当电池存储 的值大于Vvms时,该电池可充电,否则该电池已损坏,不能充电。二是考虑反 馈电压,将反馈后电压送入控制器中。在AC-DC开关电源控制器的设计中,Vsense 端口处,没有设定比较值来防止过压或欠压情况,这是因为在控制器中,将分
出shut Down(SD)模块,通过程序防止过压/欠压,减少外部器件的数量,减

轻重量,减少体积,将过压保护和欠压保护内置到控制器中。

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Isense是感应所得电流,从图2—2可以看到,Isense和峰值电流Vipk比较后 供给控制器处理。值得注意,Vipk的大小是由Vin计算得到的,是一个实时变化 的值,其范围为0.2’O.9V,可得稳定输出电压。同时,Isense端口处的电压还 与一个固定的电压1.0V比较,得NVocp送入控制器中处理,起到过流保护的作
用。

将Vin、Vsense和Isense处理后电压,送入控制器处理,得到信号pulse来 驱动mosfet导通/截止。当Output输出的信号Pulse=l时,开关管导通,反之截 止,起到实时调节输出电压的作用,使输出电压稳定。 在下一章,将重点分析控制部分工作原理和控制方案,详细分析本课题设 计的AC—DC开关电源控制部分设计方法,最后得到开关电源控制部分设计流程
图。

2.3本章小结
本章首先分析本课题所设计AC-DC开关电源控制器与传统的电源控制器的 不同,提出本课题采用关键技术为:初级反馈技术、数字技术、软启动技术和 峰值电流技术。在设计的过程中,选取多种模式工作,尽可能提高工作效率。 其次,通过Vin、Vsense和Isense--个信号之间的控制关系,可得AC—Dc开关电 源管理器的内部功能框图,最后详细分析AC—DC开关电源管理器的内部工作原
理。



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第3章AC.DC开关电源控制器的设计
通过第2章的AC-DC开关电源控制器的内部功能框图,可将本课题设计的 AC—DC开关电源管理器的控制器内部主要分为三个部分,即为:软启动模块、 Vsense模块和Isense模块。

3.1控制器的整体方案
在设计过程中,需考虑各个模块之间的关系,在控制器内部加入Judge模 块,控制各个模块之间的工作。根据图2-2可知,在电源管理器中,除了控制 器外,还有模数转换器、数模转换器和比较器,考虑本课题在mat lab下仿真, 在元件库中没有模数转换器和数模转换器,采用在控制器中嵌入模块,写入程 序,采集信号,则在控制器中加入Choose—vipk模块,采集vipk与Isense峰 值电流的电压比较,将比较后的结果反馈到控制器中处理。同时,为保护控制 器,节约成本,可将部分保护电路内置到控制器中,采用在控制器中嵌入模块, 写入程序,保护控制器,则在控制器中加入SD0(Shut Down)模块。值得注意 的是,此时Vsense的导通时间Tfb与Vipk有关,将在3.4节详细展开分析, 则在控制器中加入TFB模块。为较好管理控制器,可将输出结果归于一个模块, 即Output模块。 根据以上分析,可知该控制器主要包括:Judge模块、SD(Shut Down)模 块、Tfb模块、SS(Soft start)模块、CV(Constant Voltage)模块、CC(Constant Current)模块、Choose yipk模块和Output模块,因此可得该控制器的内部框图, 如图3.1所示。下面分析各个模块的功能及相互关系,并详细分析工作模式和控 制原理,最后得到该控制器的流程图。

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图3.1

开关电源控制器的内部框图

3.2

JUDGE模块设计
在控制器中,将JUDGE模块分离出来,主要判断是进入SS模块、CC模块

或是CV模块。在设计过程中,主要通过设置标志位和计数来实现对各个模块控 制。通过以上分析可得JUDGE模块流程图如图3.2所示。

图3.2

JUDGE模块的流程图

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3.3

SS(Soft start)模块设计
结合图2.2可知,当交流电接通后,Vin流经二极管,当Vin—SW值大于阈

值电压时,则开关管导通,控制器就进入软启动(SS模块);反之,开关管截止, 直到V'm SW的值大予阈值电压时,控制器才进入软启动(SS模块)。 考虑由于启动的时候输出的电压不会马上达到设计值,这段时间内原边的 电流会到达最大值,导致开关管关断时的漏极电压很高,这个电压与原边电流 的平方及变压器的漏感成正比,所以在启动时加入软启动,限制软启动时的电 流大小。

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200ps

图3.3软启动序列图 该控制器内置软启动功能,时间设置为3ms。当Vin信号的电压值达到阈值 电压,开关管就导通,但是需限制每个时间段最大百分比。在3ms软启动时间 内,Ipklimit被分成三个阶段逐渐放开,即:第一毫秒限制为25%,第二毫秒限 制为50%,第三毫秒限制为75%。当Vcc电压值低于Vcc阈值电压值时,控制 器复位,此时V'm SW关断,使Vcc电容可再次充电。由于启动时功率较低,一 般工作在轻载的情况下。需要指出,轻载是电流较小的情况而不是负载较小的 情况。通过以上分析,可得软启动模块的流程图如图3-4所示。

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图3-4

SS模块流程图

3.4恒流模式(CC)
在恒流模式(CC)中,主要给电池充电。当输出电压下降时,控制器可控 制输出电流不超过规定最大值的20%。值得注意,当输出电压下降时,下降的 幅度不低于设定值的20%,则仍工作恒流(CC)模式。一般情况下,为完成该 控制,Isense可探测初级线圈电流大小,通过感应初级线圈电流大小来间接感应
负载电流大小。

3ms软启动后,Ipk系统调节,gate输出脉冲正常。控制器通过检测Vsensc 电压判断是工作在恒流(CC)模式还是恒压(CV)模式。如果检测到Vsensc 电压低于恒压(CV)模式工作电压,则工作在恒流(CC)模式,否则工作在恒 压(CV)模式。在恒流(CC)工作模式下,控制器通过检测T阳和IPK来调节 下一个周期的IpK值,使输出电压恒定。

Io=—IpK OT—FB
为脉冲周期。

et/

2eT

(3.1)

其中10为电源系统输出电流,IPK为Isense电流,n为变压器匝数比Np/Ns,T

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3.5恒压模式(CV)
如果Isense信号没有连续的超过0.9V,则工作在恒压(CV)模式;如果探 测到在20个脉冲周期后,Vsense信号处没有电压,可知变压器辅助线圈断开或 短路,此时控制器关断;如果控制器检测到Vsense电压达到恒压(CV)模式下 的工作电压,则工作在恒压(CV)模式中。通过分析可知,恒压(CV)模式下 的导通时间比恒流(CC)模式下的导通时间Ton要小得多。





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图3—5工作模式框图 需要指出,在恒压(CV)模式下,根据Isense电压值可判断工作在脉宽调 制(PwM)模式、脉冲频率调制(PFM)模式或是跨周期调制(PSM)模式。 开关电源调制方式主要有两种:脉冲宽度调制方式(PwM)、脉冲频率调制方 式(PFM)[153。无论是哪种调制方式,它们都有以下两个相同点: (1)它们都是采用时间比控制(Time
Ratio

Contr01)的稳压原理,无论调

节的是脉冲的宽度、脉冲的频率还是跨周期,最终都调节脉冲的占空比大小, 通过调节脉冲占空比的大小来调节输出电压的大小,使输出电压稳定n
6J。

(2)当输入电压在一定范围内波动时,可通过改变频率的方法来调节输出 电压的大小。当输出端接不同大小的负载时,可以通过改变脉冲宽度的方式来 调节电压的大小n刀。 然而它们之间也有不同,脉冲宽度调制是当开关频率固定的情况下,通过调 节导通脉冲宽度调节占空比,实现对电路控制;脉冲频率调制是当脉冲宽度恒 定的情况下,通过调节开关频率来调节占空比,实现对电路控制n引。

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3.5.1脉宽调制(PWM)工作模式
脉冲频率调制特点为:固定宽度,调节开关管的频率。控制原理为:通过 比较负载端的反馈信号和基准信号(如内部产生的一个频率恒定的锯齿波信 号),得到误差信号并输出,通过输出的误差信号来调节工作频率,输出宽度恒 定频率变化的方波信号对开关管进行控制,根据负载的大小实时调节开关管的 工作频率,从而可得稳定的输出电压n帕。该方法在大负载时的效率很高,但是 在小负载时效率较低,因此不适用于小负载的情况 PWM控制电路的作用主要是通过反馈电路对直流电压采样,来控制开关管的 脉冲宽度,由脉冲宽度来调整导通时间,从而得到稳定电压跚1。PWM控制电路是 开关电源的核心部分,有以下三个重要的功能噜¨: (1)固定频率振荡器,频率可以在较宽的范围内调整。 (2)可以较好调节占空比的大小。 (3)可以起到过压、欠压和过流等保护。 本课题采用峰值电流模式控制PwM方式。因为峰值电感电流容易取样,在 逻辑上与平均电感电流的大小变化一致池1。但是峰值电感电流的大小与平均电 感电流之间不存在唯一的对应性,在不同占空比的情况下,相同的峰值电感电 流可以对应不同的平均电感电流大小呛3】。通过研究发现,在电流控制模式中, 决定输出电压变化的唯一因素是平均电感电流变化的情况,峰值电流模式是一 个双环控制系统,由电流内环和电压外环组成,电流内环是按照各个脉冲工作, 负责输出电感的动态变化,而电压外环可控制功率级的电流源,控制输出电容, 因此在本课题的设计时采用峰值电流的方法㈨。 根据以上分析可知,当Isense电流大于设定值时,控制器工作在脉宽调制 (PwM)模式,否则工作在脉冲频率调制(PFM)模式。控制器工作在脉宽调 制(PwM)模式时,工作频率固定,通过检测Vsense电压,调节输出脉冲宽度, 得到Pulse为0或是为l,控制开关管的导通或是截止,实时的调节输出电压, 得到稳定的输出电压。

3.5.2脉冲频率调制(PFM)工作模式
PFM调制的优点主要有:在轻载的情况下,效率很高,工作频率高,频率特 性好,输出电压稳定,同时输出电压的调节范围很宽‰1。 在本课题的设计中,在恒流模式(CC)和恒压模式(CV)下,控制器工作

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在频率为40KHz不连续传输模式(DCM),为避免在连续模式下工作,在每个 周期内,控制器都会检测Vsense输入电压的下降沿。如果在一个周期内(25us), 没有检测到Vsense,开关周期就延长,直到检测到Vsense为止;如果开关周期 延长3个周期(75us),仍没检测到Vsense,控制器就关断。 当lout电流值大于设定负载电流值时,控制器工作在固定频率40KaX-Iz的脉 宽调制(PWM)模式下。当lout下降时,ton随之下降,ton下降低于ton
min,

该控制器转到脉冲频率调制(P刚)模式下工作。当负载电流增加时,控制器
自动回到脉宽调制(PWM)模式下工作。 在脉冲频率调制(PFM)模式下,IPK限制在一定范围内,系统通过调整工 作频率来调整输出电压。在脉冲频率调制(PFM)工作模式下,IPK限制值可根 据TFB调整,直到输出空载,IPK被限制到最小值。

O.5宰k宰k2幸厂=go*Io

(3—2)

其中LM为变压器原边感量,IPK为Isense电流,f为工作频率,V0为系统输出电

压,10为系统输出电流。将Vo=SV,Io=lA,f--40I池代入(3.2)中,Lm在第4
章将详细分析可得,则可得Ipk取值范围为:O.2~1.0V。 同时,在PFM调制时,工作在轻载的情况,可监控待机功率,保护控制器
正常工作。

3.5.3脉冲跨周期调制(PSM)
在传统的设计方法中,只会采用P1jyM和PFM调制方式。本课题引入一种新的 调制方式,即PSM脉冲跨周期调N-脉冲宽度恒定,通过选择性跳过某些周期来 调节电压的输出大小啪1。在PSM调制方式下,开关电源的工作效率与负载的大小 基本无关。脉冲跨周期调制特点是:脉冲宽度恒定,脉冲频率也恒定,通过控 制开关管导通周期来控制输出电压大小凹1。在重载时,一般开关管导通,有脉 冲控制信号输出,得到稳定的电压;在轻载时,控制周期被跨过,一般开关管 处于关断状态圆1。 脉冲跨周期调制的优点有:在轻载时,效率比P1jI『M调制的效率更高,工作频 率较高,负载响应速度较快,开关管导通次数较少,特别适用于小功率开关电 源中㈨。 在本课题设计过程中,采用PSM调制方式,通过把从负载端反馈的信号转换 为数字信号,当时钟上升沿时来检测该反馈信号,判断在这个周期内是否工作,

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如果在本周期工作,就调节开关管导通时间,来得到稳定输出电压;如果在本 周期不工作,则直接跳过该周期,提高控制器工作效率。

3.6初级端反馈技术研究
本课题采用初级端反馈技术。如图3-6所示是初级反馈变换器。

图3-6初级反馈变换器 由图3-6知,当开关管导通时,即在导通时间Ton时,电流Ig不能直接得 到已调整的电压Vg,此时能量Eg储存在初级线圈内,当二极管反向偏置时,负 载端电流Io给次级线圈处电容Co充电;当Q1截止时,二极管导通,存储的能 量Eg被传递到输出端啪1。 为能迅速调节输出电压大小,需精确感应输出电压和负载电流大小,通过 辅助线圈或是初级线圈电感Lm的大小可得输出电压的变化,当开关管导通时, 输出滤波电容Co可给负载电流供电,假设经过开关管电压降为OV,经过初级线 圈端电压为Vg(t),此时开关管处电流线性上升的速率可表示为口¨:

—dig—(O:—vg—(t)
dt

Lm

(3.3)

当开关管的导通时间结束后,电流就会逐渐上升,此时电流可表示为:

Ig(t):—vg—(t了)*—to—n(t)(3-4)
L肛l

此时电感上存储的能量可表示为:

如:—Lm_*i-g(t一)2(3-5) Z
当开关管关断时,在Lm上电流ig(t)可使所有的线圈极性反转。假设忽
17

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略漏感Lk瞬间截止的时间,则初级线圈的电流逐渐转移到次级线圈上,此时初
级线圈的电流可以表示为:

id(f):—Np_*-ig(t)(3-6)


ⅣS

如图3-7所示为辅助线圈的波形图,此时辅助线圈上电压可表示为:

Va:—Na*(V—o+v)
Ns

(3.7)

或者表示为:

阮:—Na_*Vg(3-8)

V▲ux

OV.

VA=*%蔫熹



≮j

l、P。

图3-7辅助线圈的波形图 其中△V为小的电压变化。由图3-7可知,次级线圈上的电压和负载端的电 压是不同的,因为负载端电压有二极管压降和损耗。值得注意,在开关管导通 或截止时,会有抖动,因此有很小的电压变化。此外,当次级线圈上电流较小 时,此时v也较小,在每一个周期内,可实时分析波形,得到相关信息,由于在 环路中会产生反馈电压Vfb,Vfb信号可精确地反映输出电压的情况,用来调节 输出电压大小。同时,采用初级反馈技术,不需要外部环路补偿元件,可减小 体积,减轻重量,降低产品成本口羽。 3.7

SD(Shut Down)模块工作原理
当工作条件比较恶劣时,应对电源提供及时保护,以免电源损坏,导致电

子设备不能正常工作,则在电源系统设计中,需加保护电路,提高电源安全性 和可靠口31。由于开关电源电路结构和保护方案具有多样性,因此对不同电源电 路,应合理选择电路结构和保护方案,使开关电源正常工作m1。

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该控制器内部主要有四种保护功能,输出过压保护/欠压保护模式主要是用 来保护输出电压。Vin信号可监控输入电压,Vsense信号可监测和控制输出电压。 当Vin或是Vsense上电压超过阈值电压或是低于阈值电压多余连续六个周期时, 此时设置控制器关断。当Vcc电压低于规定阈值电压时,控制器置位,开始进入 软启动。值得注意,尽管控制器开始软启动,但是并没有完全启动,需找到故 障并删除故障后,该控制器才完全启动,正常工作。 本课题采用初级反馈模式,而没有采用传统次级反馈模式。当反馈回路失 效时,输出电压会变大,以至于烧毁输出端电容。值得注意,当Vsense直接短 接到地时,设置在软启动连续六个周期内,控制器关断,起到保护作用。 3.8


FB模块

在前面3.5节,已经提到,在脉冲频率调制(PFM)模式下,IPK被限制在 一定范围内,系统通过调整工作频率来调整输出电压。在脉冲频率调制(PFM) 工作模式下,IPK限制值可根据TFB调整,直到输出空载,IPK被限制到最小值, 并得到(3.1)的关系式如下: Io:!坚!!旦!1
2?r

(3—9)

其中10为电源系统输出电流,IpK为Iscnsc电流,11为变压器匝数比Np/Ns,T
为脉冲周期。

由此可知,IPK限制值与TFB有关,将在第4章详细分析。T FB模块起到调 整时间作用,对整个系统来说,可实时调整占空比大小。 3.9

OUTPUT模块
OUTn_J1’模块为输出模块,需找出与输出模块相关的量。通过以上分析可

知,在进行模式判断后,需通过建模,得到开关管导通时间,通过ton来控制开 关管导通或截止。现详细分析control—to.output传递函数推导。 由于本课题设计的是AC.DC开关电源控制部分,在设计过程中,需找出 control-to.output的传递函数【35】。首先需根据原电路图来分析控制部分与输出电 压之间的关系,图3.8为AC.DC开关电源简化后的电路图。

19

圈圃圈


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面一



图3.8

AC.DC开关电源简化后的电路图
averaging

在建模时采用状态空间平均法(伽e.space
电路图如图3.8所示。

method)t361。当开关管

Q1导通时,输入电压Vg(t)加在变压器原边上,二极管Dl反偏截止,此时等效






面一



图3-9开关管Q1导通时的等效电路图 当开关管Ql导通时,根据图3-9可以得到:


0D I| V必 ∽

.k

O O

=一

畎一R 盟肪

厂● J、● L

哆 .k p



“D ,

当开关Q1截止时,此时电感上电压为副边折算的电压叱,二极管D1导
通,等效电路图如图3.10所示。

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圃回




丽一



图3.10开关管Ql截止时的等效电路图 当开关管Q1导通时,根据图3-9可以得到:






埘 <D





● Ⅲ O境 k


.k

@、,



以)



盟如 D—D
厂● ● ●,<、● ● ●一,

C L/●r,



卜√弋





盟R ∽一心

、、/


厂,● ,、● L
系:

.k ∽I



.I



O卜

=,弋=



将(3-lO)式和(3。11)式职业口J以得到甩感电胜’,£(D利电感电况z【D7-_1日J阴天

1,£(f)=d(,)(1,。(,))B+d‘(f)(一,z1,(f))(3-12)

.?.£—d—(iF(t))rs=d@)(Vg o))舀+d’(f)(一刀V(,))

(3.1 3)

同理确似妨珞刊,,(_书“∽卜m_(剁凡

p∽
p均

....c丁d(v(t))rs叫。<一鲻Ro/“∽似,一戬
同理可得:

(fg(,))珐=d(r)(以))珐(3-1 6)

2l

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f,£竽叫帆∽)强“∽(…∽)

.{c华叫f,㈡“∽似,一筑

(fg(f))强=d(f)(以))珞

(3-17)

为了得到contr01.to.output函数,现对均值方程组施加扰动, 令瞬时值为:

f,(%(r))%=圪+%A(f)

I < l

(d(,))b=D+d(r) (讹))珐=,+f(f) (V(f))珞=y+’,(f)
(3—18)

L(‘o))珞=t+fgA(『)
将(3.13)式代/X,.至IJ(3.12)式中,根据伏秒平衡原到371可得:

三掣:Ⅲ,)<% +VgAo,)+{。‘+d々r,]'<一疗(y+Va,)>




~八5

c捌aft扣≈,)(_ 譬冲“A∽肌黛,)一㈢p柳
I ~J、

,g+名备,={。+d冬,)<,+z6 、¨
因此可得扰动方程组建立的等效电路图和变换器的小信号模型图分别如图
3-l

l(a)和(b)所示。

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概侧


) [


M )】tf南二 =c; Ro哟





图3.11(a)扰动方程组建立的等效电路图




图3.11(b)变换器的小信号模型图 将时域变换到频域可得变换器的电路图如图3—12所示。



jlo南

图3.12交换器的时域模电路图 该模型有两个独立的交流输入源,输入电压可由输入源来表示:
A A A

“s)=Gvd(s)d(s)+Gvg(s)vg(s)

(3-20)

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.?.Gvd(垆掣I
d(s)l增(:瑚

(3—21)

G记(s):剿
略(s)ld(3:o
当y窖=O时,可将图3-12简化为:





(3—22)



%哟A

图3—13当Vg=0时的简化电路图 将图3.13折算到变压器的副边简化电路图为:
三 一2D’2





d④(匕+日go)
nD’



( )强i籼=





=C

< <

月D',④A

图3-14

当’,窖=0时折算到变压器的副边简化电路图

当电流源开路时,变换器输入电压平均值符合欧姆定理:

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矗孽 ≠万 型时
一范一£

D一

俾一.万

土竖¨

k工{3 一恤
一S

(3-23)

???龛2翥称宰一Vg+nro d幻杀堋c+斟。∥
V冬,=-hi
1,0)=

(3-24)

l—ij;丢l(Rc+去)0尺D d(As)[参卜剖II%]
l刀∥jI
乙J)

I1

(3—25)

.?.卷A一矧㈣剖1如]
训一d A@『O)一,:, 孵一y 覃|∥

(3—26)

乒∥ 生峙一。一{3 。~{3


,~



一 一






)一
一1●





C一^l

_、, 一R 6

二以[品悻剖1如卜7,

3.10开关电源控制原理流程图
通过以上各个模块的分析,可得各个模块之间的关系,从而得到该控制器
的控制原理流程图,如图3.15所示。

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图3.15开关电源控制原理流程图 图3一15为开关电源控制原理流程图,从图3.15可知,主要有SS启动模块、 CC模块和CV模块,在CV模块中又可以分为PWM模式、PFM模式和PSM模 式。当Vin)0.407且t(3ms时,进入SS软启动模块,在3ms软启动时间内, Ipklimit被分成三个阶段逐渐放开,即:第一毫秒限制为25%,第二毫秒限制为 50%,第三毫秒限制为75%。通过软启动模块后,得到ton值来判断Pulse的情 况。3ms以后,通过采集Vsense的电压值来判断是进入CC模式或是CV模式。 在CC模式中,通过Vin计算得到Ipk大小,再通过比较Ipk与Ipeak的大小得 到Pulse的值为0或为1。在恒压(CV)模式中,通过Isense值来判断是进入脉 宽调制(PwM)模式或进入脉冲频率调制(PFM)模式,再分别通过脉宽调制 模式(PWM)和脉冲频率调制模式(PFM)来判断Pulse为1或为0,可控制开 关管导通/截止,实时调节输出电压,得到稳定的输出电压。 根据以上分析可知,本课题所设计的AC.DC开关电源控制器具有以下几个

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优点: ①初级反馈,使电路设计简单,无需外部环路补偿元器件【38】; ②内置保护电路,即内置软启动电路,短路保护电路,过压保护和欠压保护电
。路等。

③为获得较高工作效率,采用多种工作模式,即CC模式和CV模式【391。同时在 恒流调制(CC)模式中,采用峰值电流法;在恒压调制(cv)模式中包括: 脉宽调制(PwM)模式、脉冲频率调制(PFM)模式和跨周期(PSM)调制 【钓1。因此具有较强输出电压调制能力,即输出瞬态响应较快;开关管频率为 40KHz,频率较高;在CV模式下,重载时采用PWM调制模式,轻载时采用 PFM调制模式或是PSM调制模式【4¨。

3.11本章小结
本章节主要是通过分析得到控制器的内部框图,并根据该框图设计控制器 内部各个模块,主要包括:Judge模块、SD(Shut Down)模块、Tfb模块、SS
(Soft

start)模块、CV(Constant Voltage)模块、CC(Constant Current)模块

和Output模块。同时对各个模块进行分析,得到该控制器control—to-output函数, 最后得到该控制器的控制原理流程图。

27

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第4章AC.DC开关电源控制器建模和仿真
本课题开关电源的建模和仿真是在MATLAB仿真环境下实现,可在 SIMULINK库中所含有的元件来搭建电路,同时可在电路中嵌入模块,设置仿 真参数,写入程序,进行仿真,通过仿真结果,分析原因。

4.1高频变压器的建模
高频变压器在整个电路中十分重要,值得注意,高频变压器是不同于其他 元器件,需自行绕制线圈和选择磁芯型号,由于在仿真环境下,元器件的限制, 在设计高频变压器的模型时,需计算变压器的相关参数并建立模型【42】。 本课题设计的是AC.DC开关电源的管理器,主要用做充电器或是适配器。 由于开关电源的控制原理与变压器的设计紧密相关,因此需设计一款变压器来 满足开关电源。在设计的过程中要注意选择磁芯型号、选择线圈、选择初级线 圈、次级线圈和辅助线圈之间的匝数比等【431。本课题设计的变压器与外围硬件 电路有关,因此需结合外围电路图展开分析,得到变压器相关参数。首先给出 该开关电源外围应用电路图4.1。

图4.1

AC.DC开关电源的外围应用电路图
max、Vin max、

首先设置整个AC—DC开关电源相关参数,即Vout、Iout

Vin—min、效率和纹波等。下表4-1所示为AC—DC开关电源控制器的具体参数要

28

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求。

表4一l
参数

AC.DC开关电源控制器的具体参数要求
符 Ⅵn
Fin







输入电压 输入频率 输出电压 输出电流 输出纹波电压 输出功率
效率

85~265 V 50Hz 4.95~5.05 V 1A <O.1 V 5

场ut
10ut Vripple Pout T1



65%~80%

在控制器中补偿功能有选择性,可给输出电压Vout补偿。在恒压(CV)模 式下,电压保持不变,但是输出电流变化。作为充电器,在充电的过程中,不 是直接和电源连接,而是通过导线连接的。该导线可看做电源电阻,当输出电 流变大时,与导线相连接的输出电压则变小。本课题中,可通过增加输出电压 的方法,给导线电阻补偿(导线有一定电阻值)。 值得注意,当输出电流最大时,补偿与导线上的电压降密切相关,可通过 下式来计算补偿:


Vout=Vout—C 4-Vc—compensation+巧荡(4-1)

其中,Vout为实际的输出电压,Vout—e为理想的输出电压,Vc_compensation 为导线补偿电压,Vfb为反馈电压。假设导线补偿Ve 二极管压降0.5V,此时输出电压Vout为5.5V。

根据输入端的电阻值,由下式可得(Vin*Ton)和(Vin*Ton)max:


V/r/木乃刀1:—0.0 43*185V*u—s*(Rv+20Kf2) V/r/母To咒1max:—0.0 43*90 *u—s*(Rv+20Kf2)
20K【2 =185V?US


noitasnepmoc_于由,为



(4-2)

20K【2

=900V?US

(4-3)

此处加入滤波电容是为滤去Vin所产生的噪声,这对整体设计很重要。变压

器最小探测时间决定初级线圈和次级线圈最小匝数叫441,在PFM模式下,由下
式可得:

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Ntr



maX:堕:堡生

Vout木Trmin

(4.4)

值得注意,为避免在连续模式下工作,一般要使匝数比较大。此时"rp—Ton —Td的值要大于Trmax值。其中Tp是开关频率为40KHz时一个周期的时间 (25us),Ton为开关管导通时间,Td为开关管截止时间。由下式可得Trmax为:
Trmax=rp—Ton—max-Td

(4—5)

因此,可得最小匝数比为:

Ntr—max:币(Vi—n*—To—n)—maIx 一 IVout}Trmaxl

(4.6)
、 ’

750V?淞<【踟}Ton)max<850V?螂

(4—7)

在选取电容时,要满足两个条件:一是要电容值较大,可存储足够的能量, 但电容值不能太大,以免影响体积和重量,应折中选取;二是当输入电压下降 时,可保持输出电压不变【451。为得到合适的电容值,由下式可得:

2叫—arosm掣f,.
C=

-]
(4—8)

其中P为输入功率,Vdc为输入直流电压最小值,Vac为输入交流电压最小 值,f为最小频率(大概为50Hz)。P由下式可得:

P:—Vout*—lout
r/

(4.9)

同时由下式可得Vdc为:

眦:—(Viin*—To—n)一max
10刀max

(4一l o)

由(4.3)式可得(vm宰Ton)max,将其代入(4.10)可得Vde。此时由下 式可得变压器的复位时间为:

乃:—(Vin*To—n)max
Ntr?Vout

(4-11)

需要注意,本课题设计的控制器工作在不连续的模式下,Ton—max一定要 小于每个周期内变压器的复位时间。现在来计算Toll~max,将(4—11)式代入(4?5)

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式中,通过变形可得Ton max为:

’砌一max=印一1(Vin丽*T瓦on)Fmax—Td
下式可得:

4-12)

开关电源输出电流最大值由Isense处的电阻值决定。开关电源输出电流由

lout=三木Ⅳf,木Ipri*瓦Tr(4-13)
当输出电流最大时,Isense电压也是最大值,需对电流进行限流,初级线圈 峰值电流为:

将(4.13)式代/X.(4.14)式中,可得Visense为:
Iris

勿‘:=Vi_sense 』p=一

/r)41.4(l斗。

esnpT*i—Rtuol2:

尽管恒流时限制值与互感值无关【矧,但是由于互感上有一个小的电阻值, 这个小的电阻值与电流大小有关。为调节输出特性,变压器产生电压可限制Lm 最大值,Lm由下式可得:
Lm

xam)61.-,1

=一 :—(Vin*Ton—)2 =——,4‘
Ntr謇Z-,

(4.15)

I‘|。I),

max*f

其中

P1:—(Vout-Vfl—g)*lout
,7

(4—17)

由初级线圈峰值电流(Ipri

最大值可限制

最小值。 Isense mL)kaep.电大最

压与初级线圈峰值电流相关。最大峰值电流由下式可得:

Ipri—peak=等竺
最小电感Lm由下式可得:

(4.18)

L玳mhl:I(V—in—*—To广n)一max
』sense/

(4.19)

7Risense

同时对Isense处电压规定其最小值,此时可得次级线圈处Lm最大值为:

Lm=—2*P1*R—2isensemax

=——————■-——一
1sense‘掌f

I‘.。 (4.z—u一)

将(4—18)式所得的值与(4.20)式所得的值进行比较,取其中最小值。

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为便燹压器处于饱和状态,初缴线圈匝数必须满足:

Ⅳ肼=锵
Ⅳ脚≥而750V?us


(4-22)

其中Bmax和Ae选择与变压器磁芯的选取相关。本课题考虑变压器的工作频率
和工作效率,选取EEl6型磁芯,可得:

诵讨以卜分析.可得蛮压器设计步骤如图4.2所示。

图4.2变压器的设计步骤图

32

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4.2输入整流滤波电路建模
如图4-3所示是输入端桥式整流电路,图中选用常见桥式整流模块,选择在 MATLAB仿真环境下,可直接在sumulink库中选取元件,搭建电路并仿真得到 桥式整流前和桥式整流后波形。由于输入电压范围为85V~265V,因此可将输入 电压分三种情况进行讨论,即85V、220V和265V。
iii

…o

。雨
一?



mf一…*I

圈4.3输入整流滤波电路 由图舢3可知,在输入端选用一个电阻Fl,其作用相当于保险丝,选用常 用的二极管构成挢式整流电路,在Simulink元件库中选用电感、电容构件滤波 电路,通过Scope可得到仿真前和仿真后的电压波形圈。

。7…



图4_4

Vin为85V时波形图

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曼曼曼曼舅曼算曼!曼笪曼曼曼曼曼曼
图禾7 V'm为220V时波形图

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图4-8

V'm为220V时整流滤波后波形图

图4.9

Vln为220V时整流滤波后放大的纹波波形图

图4_7、4_8、4-9均为输入交流电压220V时电压波形圈,图4.7为输入电 压220V时波形图,图4_8为输入电压220V时整流滤波后电压波形图,图4-9 是将图4-8放大后纹波波形图,可得滤波后纹波电压变化范围为309I~3094V, 相差0.3V。

-i…..■————

图4—10

Vin为265V时波形图

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图4-1

开关电源的整体电路图

圈4-1为在Matlab仿真环境下开关电源整体电路图,该电路主要包括桥式 整流电路、滤波电路、高频变压器、输出整流滤波电路、控制电路、辅助电路 等。输入电压为:85~265V交流电压,输出为5V/IA直流电。

4.3.2软启动模块仿真与分析
在软启动模块中,软启动时间设置为3ms。在3ms软启动内,Ipklimit被分 成三个阶段逐渐放开,即:第一毫秒限制为25%,第二毫秒限制为50%.第三 毫秒限制为75%。当Vce电压值低于Vcc阈值电压值时,控制器复位,此时Vin
sw

关断,使Vcc电容可再次充电。在matlab中,仿真可得软启动波形图,如图4-13
所示。

图4-13软启动模块仿真图

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4.3.3开关电源的整体仿真与分析
现对整个系统进行仿真,在不同输入条件下,看输出电压和输出电流是否 符合要求。

图4一14输入电压85V对,Vout和lout波形图

图4一15输入电压220V时,Vout和lout波形图

图4-16输入电压265v时,Vout和lout波形图

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在Matlab仿真环境下,对整体电路进行仿真,比较图4.14、图4.15和图 4.16可知,三个图均可达到5V/1A,只是达到稳定电压和稳定电流的时间不同。 当输入电压越大时,纹波也越大。其输出电压和输出电流波动较小,达到预期 目标。 对于电源而言,工作效率十分重要。当输入电压不同时,效率也不同,因 此图4-17所示为该电源的工作效率图。
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图4-17输入电压为90V和264V时系统效率图 由图4-17可知,虚线所示为输入电压为264V时系统效率图,实线为输入 电压90V时系统效率图。由图可知,当输出电压达到lmA时,其效率可达到705,
达到预期效果。

4.4,开关电源控制器的整体测试
对开关电源进行控制时,主要监测Isensc和Vscnse信号变化情况,则需测 试其变化情况,现在示波器上测得在输入电压不同时,IseIlSe和Vsemc信号波
形图。

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图4-18输入电压为85V时,l,∞nse和VserEe波形图 当输入电压85V时,示波器上lsense和Vsease波形图.如图4-18所示。从 图中可知Isensc的电压值为07v,符合lsen辩取值要求,此时Vseme的电压值 为2.25V,符合Vsense取值要求。

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圈4-19输入电压为265V时,Isense和Vse!nse波形图 当输入电压265V时,示波器Iseme和Vsense波形图,如图4-19所示。从 图中可知b姐∞电压值为O 675V,符合Isense取值要求.此时Vsense电压值为


2V,符合Vsease取值要求。

4.5本章小结
本章主要是针对所设计的控制器 高频变压器建模,通过外围硬件电路 整体仿真,分析仿真结果。 给出应用电路图,井对输入滤波电路和 可得变压嚣参数。最后对开关电源进行

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第5章总结和展望
AC—DC开关电源一直是人们的关注和研究的热点,本文主要是针对AC.DC 开关电源的控制部分进行研究和设计,并对开关电源应用前景和以后研究方向 进行展望。

5.1课题研究的总结
本文主要是从事AC—DC开关电源的控制设计和应用,在设计的过程中,主 要工作如下: 1、根据开关电源管理器控制模式的比较,提出了峰值电流模式控制PWM技术。 重点研究多种模式的转换,在此基础上引入PSM模式调节,通过对控制器功能 的需求分析,结合控制器的结构框图和峰值电流模式控制PWM技术的特点,设 计出了控制器的整体方案框图。 2、在matlab仿真环境下,研究控制器整个系统的软件架构,并重点设计软启动 模块、峰值电流的采集模块、模式转换模块和电路保护模块。通过研究控制器 系统,得到控制器的小信号模型,设计了控制级的传输函数,使系统得到补偿。 3、研究控制器的外围应用电路,重点设计高频变压器,进行参数的设计,系统 的调试,对系统进行完善。 4、针对在模块测试和系统测试中遇到的问题,提出一些合理的解决方案,使系 统的性能更加优化,得到稳定的系统运行。 本文所做的研究只是开关电源中一部分。在本文研究基础上,可继续研究 控制器原理的细节,并对AC.DC开关的进行局部和全部的建模仿真,得出合乎 实际设计的电路。开关电源计算机仿真辅助设计,对开关电源的设计和分析有 着重要的作用。

5.2前景与展望
随着科学技术的发展,:人们的生活越来越离不开电子产品,特别是便携式 产品更是越来越受到人们的青睐,手机、手提电脑、数码照相机等电子设备随

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处可见,而这些电子设备都离不开电源,因此一个性能优良的电源可充分发挥 电子设备的功能。 开关电源的发展和元器件的发展是相辅相成的,开发大功率高速开关器件, 会对开关电源发展具有较大的推动作用,同时,开关电源的发展又对元器件提 出更高的要求,由于开关电源中功率开关管处于开/关状态,使输出纹波电压比 较大、瞬态响应能力比较差等缺点【471。 不久的将来,随着技术的发展,开关电源技术与其他技术的融合将成为趋 势,还需要在以下几个方面进行更深入探讨: (1)随着元器件的发展,开关电源的频率越来越高,使电容值和电感值逐渐减 小,开关电源的体积变小,重量变轻。同时高频化可改善瞬态响应能力。 (2)采用数字技术来实现PWM和PFM数字化调制,大大提高开关电源的稳定 性和可靠性,减小纹波电压大小,提高输出电压的精度。 (3)在开关电源设计中,可内置过压保护电路、过流保护电流、短路保护电路、 开路保护电路等,实现模块化的控制和监测,确保开关电源能够正常运行。

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致谢
三年的硕士学习生活教会了我很多,使我受益匪浅。在此谨对所有曾经帮 助、关心和指导过我的家人、老师、同学和朋友们致以诚挚的感谢,我取得的 每一份成绩每一个进步,都离不开你们的鼓励和帮助。 首先,我要忠心感谢我的导师洪建勋副教授,洪导师在学业上给我富有启 发性的灌输和指导,他严谨的治学态度和高度的责任感,是我研究生期间学习 和生活的榜样,在他那里学到的不仅是科学技术,更重要的是做人的态度。在 硕士学业即将完成之际,谨向洪老师表示最忠心的感谢和祝.福. 感谢通信技术研究所的陈伟教授、黄秋元副教授和周鹏副教授对我在科研、 学习和生活上的无私的指引和精神上的鼓励,让我在研究生求学路上,不仅取 得了学习上的进步,也获得了很多科研、工作上的思路与方法,让我受益匪浅。 感谢实验室所有的同学,徐耀敏、陈婷,方洁、林海英、桂丹、贺克林、 何超、卢红洋、赵毅强等,感谢我的同窗好友,张侠、王闵、吴桂琴、李萍、 王亚洲、吴亚军、金晶、彭艳芳等,感谢大家在三年来学生、生活和课题研究 过程中给予我的关心和帮助。 感谢公司的同事,他们的谆谆教导使我增长了丰富的社会经验和实践经验, 使我懂得了工程师所必须具备的素质、团队合作和如何解决问题的能力。 同时要特别感谢我的父母,他们在我求学路上给予的无私的爱、关心和支 持,他们永远是我成长和进步的动力。今后的日子里我一定会努力学习,认真 工作,不会辜负他们的期望! 最后,我还要感谢所有对我论文进行评审的专家们,所有关心、帮助过我 的老师和同学,谢谢大家! 尚卓 2010-4-2于武汉理工鉴湖

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武汉理工大学硕士学位论文

攻读硕士期间发表的论文
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47

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附录



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武汉理工大学硕士学位论文

图b硬件PCBl

武汉理工大学硕士学位论文

图c硬件PCB2

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图d硬件测试平台

AC-DC开关电源控制器的设计与应用
作者: 学位授予单位: 尚卓 武汉理工大学

本文链接:http://d.g.wanfangdata.com.cn/Thesis_Y1680629.aspx 授权使用:东南大学图书馆(wfdndx),授权号:c27ffd71-8423-479e-b759-9e36013c006d 下载时间:2010年11月22日


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