电气自动化专业 PWM型开关电源电路设计.doc

1 引言 当今社会，时代在进步，人们的生活水平不断提高，越来越离不开电力电子产品电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，当然任何电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。 1.1 什么是开关电源 电子电源是对公用电网或某种电能进行变换和控制，并向各种用电负载提供优质电能的供电设备。它可分为线性电源和开关电源两种。应用大功率半导体器件，在一个电路中运行于“开关状态”，按一定规律控制开关，对电能进行处理变换而构成的电源，被称为 “开关电源”。在实际应用中同时具备三个条件的电源可称之为开关电源，这三个条件就是:开关(电路中的电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态)、高频(电路中的电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频)和直流(电源输出是直流而不是交流)。广义地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成另一形态的主电路都叫做开关变换电路;转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节的则称开关电源。 1.2 开关电源基本工作原理 开关电源以半导体开关器件的启闭为基本原理，即通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）或者脉冲频率调制方式（PFM）控制IC和外部电路构成。 开关电源有PWM调制、FWM调制和混合调制，这里选用PWM调制。PWM型开关电源的换能电路是将输入的直流电压转换成脉冲电压，再将脉冲电压转换成直流电压输出。 整流滤波 开关变换 AC/DC EMI滤波 交流输入 直流输出 PWM变换 图1-1 PWM型开关电源原理框图 2 EMI滤波 滤波的方法有很多，此处采用在电源的输入端加入线路滤波器的方法 图2-1 EMI滤波电路 EMI滤波电路一方面滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。此外，其对串模、共模干扰都起到抑制作用。 因为额定电流为10A，所以图2中的电感值选为0.2mH。 3 AC/DC 图3-1 AC/DC转换电路 运用不可控整流电路将220V的交流电转换为直流电，其等效直流电压约为198V，然后输入到主电路中进行DC-DC变换。 4 开关电源主电路 DC-DC变换器有多种拓扑结构，根据设计要求，此处选用BUCK变换器。 图4-1 Buck型开关电源主电路 在一个开关周期中，首先，在控制电路作用下，Q导通，x点高电位，二极管因受反向偏压而截止，电流由电池流经Q、电感L到电容C和负载。电感电流持续上升，电感储能在增加，能量由电池传送到电感并存储在电感中；第二阶段，控制电路使Q截止，切断电池和电感元件的连接，于是电感产生感生电动势使电流维持原来的流向，迫使x点电位降至比地电位还低一个二极管的正向导通压降，二极管D导通，为电感电流提供通路，电流由电感L流向电容C和负载，电感电流随时间下降，能量由电感流向负载。 经电感L、电容C滤波，在负载RL上可得到脉动很小的直流电压Vo。 4.1 Buck型开关电源稳态分析 设功率管的开关频率为fs，则开关工作周期为Ts＝1/fs，一周期内，功率管导通的时间为，关断的时间为，令占空比为d，定义如下： (1) 当系统工作在稳态时，占空比是恒定的，用D表示。 为简化分析，作如下假定： 1、电路图中开关元件均为理想元件，即导通时压降为零，截止时漏电流为零； 2、电感、电容是理想元件。电感工作在线性区且未饱和，寄生电阻为零。电容的等效串联电阻也为零； 3、输出电压中的纹波分量与输出电压相比，可以忽略。设电力MOSFET管的导通占空比为D1，二极管的导通占空比为D2。如果新的周期在电感电流尚未降至零时开始，则系统工作在CCM，工作波形见图下，此模式下有D1+D2=1。 （a）CCM模式 (b)DCM模式 图4-2 Buck型开关电源的工作波形 当电力MOSFET管导通时，电感电流线性上升，可以算得上升斜率m1为 (2) 设该段时间内电感电流上升的增量为,则 (3) 当MOS管截止时，电感电流线性下降的斜率m2为 (4) 设在电力MOSFET管截止时段内，电感电流线性下降的电流变化量为，则 (5) 稳态时，两电流变化量相等，令式(3)、(5)右边相等，可得 (6) 得出结论：输出电压Vo随主开关管的占空比D1而变化。 系统稳态时的电压增益为： (7) 4.2临界电感LC 当电感值L较小，负载电阻值RL较大，或开关周期Ts较大时，会出现电感电流已经下降至零，而下一开关周期却尚未开始的情形。于是，当新的周期到来时，电感电流将从零开始线性增加。系统工作在DCM，此时D1+D2<1。 由图5(b)中电感电流上升阶段与下降阶段的电流变化量绝对值相等的特点，即 (8) 得到DCM下输出电压与输入电压之间的基本关系式为 (9) 由于D1+D2<1，所以在DCM下，开关电源的电压增益高于CCM下的电压增益。 对比图5中（a）、（b），根据△IL与Io相对值关系可划分两种工作状态，并且在两种状态间存在一个临界状态点，即在电感电流下降到零的时刻，新的周期恰好开始。三个状态的特点分别为： CCM状态： (10) 临界状态： (11) DCM状态： (12) 由式(2.5)和式(2.11)，可得在临界状态有 (13) 上式中RL是负载电阻值。满足式(2.13)的电感值称为临界电感，以LC表示，则 (14) 经过简单变形，易得计算临界电感值常用的表达式 (15) 式中——是开关电源的输出功率。 将设计要求中的参数代入上式可得 于是选择最接近的电感值。 4.3纹波电压与最小滤波电容值 由于电容的充放电，输出电压会有纹波分量。当电感电流大于输出电流时，电容被充电；当电感电流小于输出电流时，电容对负载放电。一个开关周期内，电容元件存储的电荷变化量为 (16) 将代入上式，再结合式（2.5），得纹波电压计算式 (17) 给定纹波电压为3%，根据式(17)可估算出为满足纹波指标所需要的最小电容值为 计算得：C=15.2uF 。 为了留有裕量，电容选择C=20 uF。 5 PWM发生电路设计 基于脉宽调制控制的开关电源系统，功率开关的动作受一个频率固定、且脉宽随负载及输入电压值而变动的脉冲波所控制。即开关管导通的频率固定，而每次的导通时间Ton受负载和输入电压的控制。开关电源通过调节占空比d达到维持输出电压的基本稳定。采用PWM控制方式的开关电源，其控制电路又分两种：电压模式控制和电流模式控制。电压控制模式仅利用输出电压作为反馈控制信号，系统中只存在一个电压反馈环路；电流控制技术指同时采用电流和负载电压作为控制信号，其中电感电流或负载电流反馈构成内环控制，而负载电压反馈构成外环控制，实现双闭环控制。此处采用电流控制技术。 图5-1 PWM集成控制原理示意图 5.1 UC3825芯片介绍 美国TI公司设计的UC3825系列芯片是专门用于PWM控制的，其具有外围电路设计简单，功能强大等特点，所以此处选用UC3825进行PWM控制。 UC3825芯片为16脚长方形集成块，管脚功能见表5-1。其内部电路主要由高频振荡器、PWM比较器、限流比较器、过流比较器、基准电压源、故障锁存器、软启动电路、欠压锁定、PWM锁存器、输出驱动器等组成。其工作频率可达1MHZ,可用作电压或电流型PWM控制器。 表5-1 UC3825管脚功能表 管脚 功能 1 INV（误差放大器反向输入端） 2 NI（误差放大器同相输入端） 3 E/A OUT（误差放大器输出端） 4 CLK/LEB(时钟/上升沿封锁) 5 Rt（定时器振荡电阻） 6 Ct（定时器振荡电容） 7 RAMP（斜坡输入） 8 SS（软启动） 9 ILIM()限流 10 GND（信号地） 11 OUT A(输出A) 12 PGND（功率地） 13 Vc(输出级电压) 14 OUT B（输出B） 15 Vcc（电源电压） 16 Vref(基准电压) 管脚1、2分别是误差放大器的反向和正向输入端，通常管脚2与芯片输出的参考电压相连，作为误差放大器的参考输入，管脚1输入主电路的电压反馈，同时误差放大器的输出也是开放给用户的。误差放大器输出的幅值受到软启动电路的控制，当芯片检测到电路故障时，软启动电路工作，降低误差放大器的输出，因此限制了触发脉冲，即关断主电路的开关管，保护主电路不受损坏，直到故障消失形成所谓的“打嗝”状态，管脚7是斜坡信号输入端，可以将电流反馈信号引入，形成电流内环反馈。管脚5、6可接振荡电阻和电容，根据电路频率的需要调节阻值和容值。也可通过管脚4外加频率使芯片与外部频率同步。管脚11、14为触发脉冲输出口，采用电流图腾输出，使得芯片可以直接驱动功率不大的开关管。 5.2 UC3825芯片外围电路设计 5.2.1 振荡频率的设计 UC3825A/B型芯片可以通过管脚5和6自行设定的振荡频率，也可以工作在外加频率同步方式下，在此电源中，采用第二种方式：外部通过一个555定时器产生频率方波，然后通过管脚5和6使芯片的频率和555定时器的频率同步。 555定时器的外围电路以及和UC3825的接口电路如图所示。 图5-2 555定时器外围电路 振荡频率由下式计算： (18) 本设计中f=50KHZ,根据上式选择合适的电阻和电容，即能达到要求。 5.2.2 尖峰电流消隐（LEB）电路 在电流源PWM控制中，需解决电流反馈信号的噪音问题。通常情况下，反馈信号都是由串联电阻分压检测或者是由电流传感器检测，这些方法在轻负载的情况下，存在严重的问题:当开关管导通时，在反馈信号的前沿将产生一个高脉冲噪音信号，这并不是我们所需要的反馈信号。传统的解决方法是增加一个R-C滤波网络，来滤掉噪音信号。在低频大负载的情况下，该方法能够取得比较满意的效果，但是在高频轻载情况下，效果就十分的不理想了，甚至能够影响整个系统的稳定性，由于问题处在闭环系统的反馈环节，是无法通过反馈闭环来解决的。 尖峰电流消隐技术可以很好的解决上述问题，它不是像R-C滤波网络一样去压制噪音，而是将脉冲噪音给屏蔽掉。UC3825