電氣自動化專業(yè) PWM型開關電源電路設計

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1、1 引言 當今社會，時代在進步，人們的生活水平不斷提高，越來越離不開電力電子產(chǎn)品電力電子設備與人們的工作、生活的關系日益密切，當然任何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，更促進了開關電源技術的迅速發(fā)展。 1.1 什么是開關電源 電子電源是對公用電網(wǎng)或某種電能進行變換和控制，并向各種用電負載提供優(yōu)質電能的供電設備。它可分為線性電源和開關電源兩種。應用大功率半導體器件，在一個電路中運行于“開關狀態(tài)”，按

2、一定規(guī)律控制開關，對電能進行處理變換而構成的電源，被稱為 “開關電源”。在實際應用中同時具備三個條件的電源可稱之為開關電源，這三個條件就是:開關(電路中的電力電子器件工作在開關狀態(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(電源輸出是直流而不是交流)。廣義地說，凡用半導體功率器件作為開關，將一種電源形態(tài)轉變成另一形態(tài)的主電路都叫做開關變換電路;轉變時用自動控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護環(huán)節(jié)的則稱開關電源。 1.2 開關電源基本工作原理 開關電源以半導體開關器件的啟閉為基本原理，即通過控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關電源一

3、般由脈沖寬度調制（PWM）或者脈沖頻率調制方式（PFM）控制IC和外部電路構成。 開關電源有PWM調制、FWM調制和混合調制，這里選用PWM調制。PWM型開關電源的換能電路是將輸入的直流電壓轉換成脈沖電壓，再將脈沖電壓轉換成直流電壓輸出。 整流濾波 開關變換 AC/DC EMI濾波 交流輸入 直流輸出 PWM變換 圖1-1 PWM型開關電源原理框圖 2 EMI濾波 濾波的方法有很多，此處采用在電源的輸入端加入線路濾波器的方法 圖2-1 EMI濾波電路 EMI濾波電路一方面濾除從交流電源線上引入的外部電磁干擾，另一方面還能避免本身

4、設備向外部發(fā)出噪聲干擾，以免影響同一電磁環(huán)境下其他電子設備的正常工作。此外，其對串模、共模干擾都起到抑制作用。 因為額定電流為10A，所以圖2中的電感值選為0.2mH。 3 AC/DC 圖3-1 AC/DC轉換電路 運用不可控整流電路將220V的交流電轉換為直流電，其等效直流電壓約為198V，然后輸入到主電路中進行DC-DC變換。 4 開關電源主電路 DC-DC變換器有多種拓撲結構，根據(jù)設計要求，此處選用BUCK變換

5、器。 圖4-1 Buck型開關電源主電路 在一個開關周期中，首先，在控制電路作用下，Q導通，x點高電位，二極管因受反向偏壓而截止，電流由電池流經(jīng)Q、電感L到電容C和負載。電感電流持續(xù)上升，電感儲能在增加，能量由電池傳送到電感并存儲在電感中；第二階段，控制電路使Q截止，切斷電池和電感元件的連接，于是電感產(chǎn)生感生電動勢使電流維持原來的流向，迫使x點電位降至比地電位還低一個二極管的正向導通壓降，二極管D導通，為電感電流提供通路，電流由電感L流向電容C和負載，電感電流隨時間下降，能量由電感流向負載。 經(jīng)電感L、電容C濾波，在負載RL上可得到脈動很小的直流電壓Vo。 4.1 Buck型

6、開關電源穩(wěn)態(tài)分析 設功率管的開關頻率為fs，則開關工作周期為Ts＝1/fs，一周期內，功率管導通的時間為，關斷的時間為，令占空比為d，定義如下： (1) 當系統(tǒng)工作在穩(wěn)態(tài)時，占空比是恒定的，用D表示。 為簡化分析，作如下假定： 1、電路圖中開關元件均為理想元件，即導通時壓降為零，截止時漏電流為零； 2、電感、電容是理想元件。電感工作在線性區(qū)且未飽和，寄生電阻為零。電容的等效串聯(lián)電阻也為零； 3、輸出電壓中的紋波分量與輸出電壓相比，可以忽略。設電力MOSFET

7、管的導通占空比為D1，二極管的導通占空比為D2。如果新的周期在電感電流尚未降至零時開始，則系統(tǒng)工作在CCM，工作波形見圖下，此模式下有D1+D2=1。 （a）CCM模式 (b)DCM模式 圖4-2 Buck型開關電源的工作波形 當電力MOSFET管導通時，電感電流線性上升，可以算得上升斜率m1為 (2) 設該段時間內電感電流上升的增量為,則 (3) 當MOS管截止時，電感電流線性下降的斜率m2為

8、 (4) 設在電力MOSFET管截止時段內，電感電流線性下降的電流變化量為，則 (5) 穩(wěn)態(tài)時，兩電流變化量相等，令式(3)、(5)右邊相等，可得 (6) 得出結論：輸出電壓Vo隨主開關管的占空比D1而變化。 系統(tǒng)穩(wěn)態(tài)時的電壓增益為： (7) 4.2臨界電感LC 當電感值L較小，負載電阻值RL較大，或開關周期Ts較大時，會出現(xiàn)電感電流已經(jīng)下降至零，而下一開關周期卻尚未開始的情形。于是，當新的周期到來時，電感電流將從零開始線性增加。系統(tǒng)工作在DCM，此時D1

9、+D2<1。 由圖5(b)中電感電流上升階段與下降階段的電流變化量絕對值相等的特點，即 (8) 得到DCM下輸出電壓與輸入電壓之間的基本關系式為 (9) 由于D1+D2<1，所以在DCM下，開關電源的電壓增益高于CCM下的電壓增益。 對比圖5中（a）、（b），根據(jù)△IL與Io相對值關系可劃分兩種工作狀態(tài)，并且在兩種狀態(tài)間存在一個臨界狀態(tài)點，即在電感電流下降到零的時刻，新的周期恰好開始。三個狀態(tài)的特點分別為： CCM狀態(tài)： (10) 臨界狀態(tài)：

10、(11) DCM狀態(tài)： (12) 由式(2.5)和式(2.11)，可得在臨界狀態(tài)有 (13) 上式中RL是負載電阻值。滿足式(2.13)的電感值稱為臨界電感，以LC表示，則 (14) 經(jīng)過簡單變形，易得計算臨界電感值常用的表達式 (15) 式中——是開關電源的輸出功率。 將設計要求中的參數(shù)代入上式可得 于是選擇最接近的電感值。 4.3紋波電壓與最小濾波電容值 由于電容的充放電，輸出電壓會有紋波分量。當電感電流大于輸出電流時，電容被充電；當電感電流小于輸

11、出電流時，電容對負載放電。一個開關周期內，電容元件存儲的電荷變化量為 (16) 將代入上式，再結合式（2.5），得紋波電壓計算式 (17) 給定紋波電壓為3%，根據(jù)式(17)可估算出為滿足紋波指標所需要的最小電容值為 計算得：C=15.2uF 。 為了留有裕量，電容選擇C=20 uF。 5 PWM發(fā)生電路設計 基于脈寬調制控制的開關電源系統(tǒng)，功率開關的動作受一個頻

12、率固定、且脈寬隨負載及輸入電壓值而變動的脈沖波所控制。即開關管導通的頻率固定，而每次的導通時間Ton受負載和輸入電壓的控制。開關電源通過調節(jié)占空比d達到維持輸出電壓的基本穩(wěn)定。采用PWM控制方式的開關電源，其控制電路又分兩種：電壓模式控制和電流模式控制。電壓控制模式僅利用輸出電壓作為反饋控制信號，系統(tǒng)中只存在一個電壓反饋環(huán)路；電流控制技術指同時采用電流和負載電壓作為控制信號，其中電感電流或負載電流反饋構成內環(huán)控制，而負載電壓反饋構成外環(huán)控制，實現(xiàn)雙閉環(huán)控制。此處采用電流控制技術。 圖5-1 PWM集成控制原理示意圖 5.1 UC3825芯片介紹 美國TI公司設計的UC3825系列

13、芯片是專門用于PWM控制的，其具有外圍電路設計簡單，功能強大等特點，所以此處選用UC3825進行PWM控制。 UC3825芯片為16腳長方形集成塊，管腳功能見表5-1。其內部電路主要由高頻振蕩器、PWM比較器、限流比較器、過流比較器、基準電壓源、故障鎖存器、軟啟動電路、欠壓鎖定、PWM鎖存器、輸出驅動器等組成。其工作頻率可達1MHZ,可用作電壓或電流型PWM控制器。 表5-1 UC3825管腳功能表 管腳 功能 1 INV（誤差放大器反向輸入端） 2 NI（誤差放大器同相輸入端） 3 E/A OUT（誤差放大器輸出端） 4 CLK/LEB(時鐘/上升沿封鎖)

14、5 Rt（定時器振蕩電阻） 6 Ct（定時器振蕩電容） 7 RAMP（斜坡輸入） 8 SS（軟啟動） 9 ILIM()限流 10 GND（信號地） 11 OUT A(輸出A) 12 PGND（功率地） 13 Vc(輸出級電壓) 14 OUT B（輸出B） 15 Vcc（電源電壓） 16 Vref(基準電壓) 管腳1、2分別是誤差放大器的反向和正向輸入端，通常管腳2與芯片輸出的參考電壓相連，作為誤差放大器的參考輸入，管腳1輸入主電路的電壓反饋，同時誤差放大器的輸出也是開放給用戶的。誤差放大器輸出的幅值受到軟啟動電路的控制，當芯片檢測到電路故障時，軟

15、啟動電路工作，降低誤差放大器的輸出，因此限制了觸發(fā)脈沖，即關斷主電路的開關管，保護主電路不受損壞，直到故障消失形成所謂的“打嗝”狀態(tài)，管腳7是斜坡信號輸入端，可以將電流反饋信號引入，形成電流內環(huán)反饋。管腳5、6可接振蕩電阻和電容，根據(jù)電路頻率的需要調節(jié)阻值和容值。也可通過管腳4外加頻率使芯片與外部頻率同步。管腳11、14為觸發(fā)脈沖輸出口，采用電流圖騰輸出，使得芯片可以直接驅動功率不大的開關管。 5.2 UC3825芯片外圍電路設計 5.2.1 振蕩頻率的設計 UC3825A/B型芯片可以通過管腳5和6自行設定的振蕩頻率，也可以工作在外加頻率同步方式下，在此電源中，采用第二種方式：外部

16、通過一個555定時器產(chǎn)生頻率方波，然后通過管腳5和6使芯片的頻率和555定時器的頻率同步。 555定時器的外圍電路以及和UC3825的接口電路如圖所示。 圖5-2 555定時器外圍電路 振蕩頻率由下式計算： (18) 本設計中f=50KHZ,根據(jù)上式選擇合適的電阻和電容，即能達到要求。 5.2.2 尖峰電流消隱（LEB）電路 在電流源PWM控制中，需解決電流反饋信號的噪音問題。通常情況下，反饋信號都是由串聯(lián)電阻分壓檢測或者是由電流傳感器檢測，這些方法在輕負載的情況下，存在嚴重的問題:當開關管導通時，在反饋信號的前沿將產(chǎn)生一個高脈沖

17、噪音信號，這并不是我們所需要的反饋信號。傳統(tǒng)的解決方法是增加一個R-C濾波網(wǎng)絡，來濾掉噪音信號。在低頻大負載的情況下，該方法能夠取得比較滿意的效果，但是在高頻輕載情況下，效果就十分的不理想了，甚至能夠影響整個系統(tǒng)的穩(wěn)定性，由于問題處在閉環(huán)系統(tǒng)的反饋環(huán)節(jié)，是無法通過反饋閉環(huán)來解決的。 尖峰電流消隱技術可以很好的解決上述問題，它不是像R-C濾波網(wǎng)絡一樣去壓制噪音，而是將脈沖噪音給屏蔽掉。UC3825芯片利用時鐘脈沖信號，使得反饋信號延遲一段時間，該時間正好就是脈沖噪音的持續(xù)時間，因而實現(xiàn)了屏蔽噪音的效果。實際應用中，該方法需要注意的問題就是，需要精確知道噪音脈沖的持續(xù)時間，確保能夠將噪音完全的屏

18、蔽掉。通常的做法是外接一個電容，開始時電容電壓等于時鐘脈沖的電壓，當反饋開始時，時鐘脈沖電壓消失，由于電容電壓無法突變，電壓逐漸下降，當電壓下降到60%剛好屏蔽掉噪音脈沖，因而需要根據(jù)噪音脈沖的持續(xù)時間選擇合適的電容。 圖5-3 LEB電路圖 端口1來自主電路的反饋，輸入到管腳7產(chǎn)生斜坡信號，當時鐘脈沖高電平時，運放輸出低電平，無斜坡信號輸入;當時鐘信號低電平時候，由于電容C1的作用，運放反向端電壓不能突變，只能緩慢下降，因此運放仍然輸出低電平，這時候由于主電路開關管已經(jīng)導通，端口1己經(jīng)開始有反饋信號(此時反饋的是噪音脈沖信號)，但被運放輸出給強制拉到低電平，也就實現(xiàn)了尖峰電流消

19、隱。當C1上的電壓降到60%的時候，運放反向端電壓小于正向端電壓，輸出高電平，此時，端口1可以正常的進行信號反饋，而此時噪音脈沖信號也已經(jīng)衰減完畢。 6 保護電路的設計 6.1 過電流保護 此處采用的是限流一切斷式保護，是兩種保護方式的結合。它分兩個階段進行，當負載電流達到某設定值時，保護電路動作，輸出電壓下降，負載電流被限制;如果負載電流增大至第二個設定值時，保護電路進一步動作，將電源切斷。第一個階段相當于系統(tǒng)啟動和突加負載時出現(xiàn)的過電流，保護電路只是限制電流大小，但不切斷系統(tǒng)的輸出;而第二個階段相當于出現(xiàn)

20、負載短路等重大故障，此時保護電路切斷電源的輸出，保護系統(tǒng)不受損害。 圖6-1 過電流保護 外部電路只需完成電流檢測和I/V轉換，并將轉換的電壓信號輸入到UC3825的第9腳。其余工作均由UC3825自動完成。 其中的Vcc來自輔助電源;端口5為Vcc/2輸入;端口12為輔助電源輸入信號，端口6為溫度傳感器輸入信號，端口14、15為光耦輸出報警信號。 通過管腳8還可以增加熱保護作用，當電源內部溫度正常時候，端口6為低電平，三極管Ql不導通，芯片正常工作;當電源內部溫升過高時，端口6為高電平，二極管D3導通，從而三級管Ql導通。管腳8外的電容C3通過二極管D5、三極管Q1和電阻放電，從

21、而電壓很快下降到0。由于芯片UC3825內部的誤差放大器的電壓受電容C3的電壓限制，所以誤差放大器的電壓很低，總是低于斜坡信號的電壓，從而沒有觸發(fā)信號的產(chǎn)生，直到溫度下降，端口6重新為低電平，則芯片恢復工作。 6.2 過、欠壓保護 為了保護負載，開關電源需要設計輸出過、欠壓保護電路，過、欠壓保護電路圖如下所示。 圖6-2 過、欠壓保護電路 供電電源+15V分別經(jīng)過R2、R4、R5和R6、R7、R8分壓后，得到輸出電壓的過壓設定值和欠壓設定值，各自輸入到電壓比較電路的“一”端和“+”端。當系統(tǒng)正常時，兩個比較器都輸出低電平，由于二極管D1和D2的反向截至作用，無故障輸出信號。當電

22、壓檢測信號高于過壓設定或低于欠壓設定時，兩個比較電路中的一個輸出高電平，通過二極管后輸出故障信號。故障信號輸送到UC3825的軟啟動端(Soft-start)，這樣迫使啟動電容放電，系統(tǒng)重新軟啟動，實現(xiàn)過壓保護的目的，保護負載的安全。 6.3 欠壓鎖定、軟啟動與故障處理 對于UC3825,當芯片檢測到故障(如過電壓、過電流等)時會采取一種緊急措施，它可以保護系統(tǒng)器件和芯片本身造受損壞，而且可以使得芯片進入一種“打隔”狀態(tài)，即以比正常工作低的多的頻率來不斷的觸發(fā)系統(tǒng)重新啟動，如果故障得到恢復，則檢測到的信號在正常范圍之內，隨之系統(tǒng)可以正常工作，退出“打隔”狀態(tài);若故障始終存在，則每次“打隔”

23、觸發(fā)系統(tǒng)后，檢測到的信號始終超出正常范圍，系統(tǒng)始終停留在“打隔”狀態(tài)內，由于“打隔”的頻率很低，所以不會損害系統(tǒng)器件和芯片本身。 7 總結 本次課程設計主要是開關電源的設計，開關電源以半導體開關器件的啟閉為基本原理，即通過控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關電源一般由脈沖寬度調制（PWM）或者脈沖頻率調制方式（PFM）控制IC和外部電路構成。開關電源有PWM調制、FWM調制和混合調制，這里選用PWM調制。PWM型開關電源的換能電路是將輸入的直流電壓轉換成脈沖電壓，再將脈沖電壓轉換成直流電壓輸出。廣義地說，凡用半導體功率

24、器件作為開關，將一種電源形態(tài)轉變成另一形態(tài)的主電路都叫做開關變換電路;轉變時用自動控制閉環(huán)穩(wěn)定輸出并有保護環(huán)節(jié)的則稱開關電源。通過控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源本設計在開始階段進行了充分的構思，在設計過程中，查閱了大量的資料，充分利用所學過的知識，注重了大量的細節(jié)。雖然遇到了很多問題，但都一一解決。感覺能夠較好的運用所學的知識解決一些問題在設計方面有了很大的進步。在整個設計中我懂得了許多東西，也培養(yǎng)了我獨立工作的能力，樹立了對自己工作能力的信心，相信會對今后的學習工作生活有非常重要的影響。

25、 本設計的體會 本次課程設計是真正的運用學到的知識去系統(tǒng)的實驗解決一個問題，具有十分重要的意義。此次課程設計不僅是對前面所學知識的一種檢驗，而且也是對自己能力的一種提高。通過這次課程設計我深深的認識到自己的知識十分的貧乏，自己要學習的東西還太多。學習是一個長期積累的過程，在以后的工作、生活中都應該不斷的學習，努力提高自己各方面的能力。知識必須通過應用才能實現(xiàn)其價值！有些東西以為學會了，但真正到用的時候才發(fā)現(xiàn)是兩回事，所以我認為只有到真正會用的時候才是真的學會了。 通過這次設計，我對論文的格式要求有了初步的了解，提高了自己的課程設計報告撰寫水平。同時，文獻檢索能力也有顯著提高

26、，為以后步入社會可以很好的表達好自己的思想打了很好的基礎。同時也非常感謝老師與同學們對我的幫助。 參考文獻 [1]王兆安，黃俊，電力電子技術[M].4版.北京：機械工業(yè)出版社，2000 [2]尹克寧.電力工程[M].北京：中國電力出版社，2008 [3]趙良炳.現(xiàn)代電力電子技術基礎[M].北京：清華大學出版社，1995 [4]蔣斌，顏鋼鋒，趙光宙．一種單相電流檢測法的研究．電工技術學報，2000 [5]李達義，陳喬夫，賈正春．基于磁通可控的可調電抗器的新原理．中國電機工程學報，2003 [6] 孫建軍，張振環(huán)，劉會金．基于級聯(lián)型逆變器的中壓有源電力濾波器滯環(huán)電流矢量控制．中國電機工程學報，2005 [7]陳喬夫，李達義，熊婭俐．一種大容量的串聯(lián)型有源電力濾波器．電力系統(tǒng)自動化，2005 16