PWM开关电源控制与保护电路的设计 毕业论文.doc

pwm开关电源控制与保护电路的设计摘 要 1前 言 11 绪论 21.1 开关电源的概念 21.2 开关电源的发展简况 21.3 开关电源的发展趋势 32 开关电源的分类 42.1 概论 42.2 dc/dc变换 42.3 ac/dc变换 43 开关电源pwm的控制方式 53.1 电压控制模式 53.2 电流控制模式 74 pwm开关电源控制的电路94.1 pwm开关电源的基本原理94.2 pwm开关电源的组成模块115 保护电路的设计 115.1 概论 115.2 过流保护电路 115.3 过压保护电路 125.3.1输入过电压保护电路 125.3.2输出过电压保护电路 135.4 欠压保护电路 145.5 过热保护电路 15结 束 语 16致 谢 17参考文献 17pwm开关电源控制与保护电路的设计 摘要：电力电子技术已发展成为一门完整的、自成体系的高科技技术，电力电子技术的发展带动了电源技术的发展，而电源技术的发展有效地促进了电源产业的发展。作为一个电源工作者，不仅要设计出国际或国内先进的电源，还要考虑到电源的适应性以及电源的成本。只有具有先进性能的电源，加上合理的制作成本，才能使我国的电源产业赶超发达国家。这里着重介绍了一种采用pwm开关电源，该电源控制电路元件数量少、实现简便。关键词：开关电源，脉冲宽度调制(pwm)，反激变换式。前言：开关电源的发展方向是高频、高可靠、低耗、低噪声、抗干扰和模块化。由于开关电源轻、小、薄的关键技术是高频化，因此国外各大开关电源制造商都致力于同步开发新型高智能化的元器件，特别是改善二次整流器件的损耗，并在功率铁氧体（mnzn)材料上加大科技创新，以提高在高频率和较大磁通密度（bs)下获得高的磁性能，而电容器的小型化也是一项关键技术。smt技术的应用使得开关电源取得了长足的进展，在电路板两面布置元器件，以确保开关电源的轻、小、薄。开关电源的高频化就必然对传统的pwm开关技术进行创新，实现zvs、zcs的软开关技术已成为开关电源的主流技术，并大幅提高了开关电源的工作效率。对于高可靠性指标，美国的开关电源生产商通过降低运行电流，降低结温等措施以减少器件的应力，使得产品的可靠性大大提高。 模块化是开关电源发展的总体趋势，可以采用模块化电源组成分布式电源系统，可以设计成n1冗余电源系统，并实现并联方式的容量扩展。针对开关电源运行噪声大这一缺点，若单独追求高频化其噪声也必将随着增大，而采用部分谐振转换电路技术，在理论上即可实现高频化又可降低噪声，但部分谐振转换技术的实际应用仍存在着技术问题，故仍需在这一领域开展大量的工作，以使得该项技术得以实用化。 电力电子技术的不断创新，使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度，就必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济的高速发展做出贡献。 1 绪论电源历来是各种电子设备中不可缺少的组成部分，其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标及能否安全可靠地工作。开关电源（switching power supply）自问世以来，就以其稳定、高效、节能等优良性能而成为稳压电源的主要产品。开关电源由于在体积、重量、效率和可靠性等多多方面的优势，目前在计算机、通信、家用电器、雷达、空间技术等众多领域中已完全取代了传统的线性稳压电源。开关电源的控制技术主要有三种：(1)脉冲宽度调制(pwm)；(2)脉冲频率调制(ppn)；(3)脉冲宽度频率调制(pwn-pfh)其中pwm是目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制方式，它的特点是噪音低、满负载时效率高且能工作在连续导电模式，现在市场上有多款性能好、价格低的pwm集成芯片，如ucl84228423842、tdal6846、tl494、sgl52525253525等；pfm具有静态功耗小的优点。目前具有pfm功能的集成芯片有max641、tl497等。1.1 开关电源的概念开关电源一般由脉冲宽度调制（pwm）控制ic和mosfet构成。它通过电路控制开关管进行高速的开通与截止，即控制开关管开通和关断的时间比率将直流电转化为高频率的交流电提供给变压器进行变压，从而产生所需要的一组或多组电压，来维持稳定输出电压的一种电源。1.2 开关电源的发展简况开关电源被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。近20多年来，集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个方向是对开关电源的核心单元控制电路实现集成化。1997年国外首先研制成脉宽调制（pwm）控制器集成电路，美国摩托罗拉公司、硅通用公司（silicon general）、尤尼特德公司（unitrode）等相继推出一批pwm芯片，典型产品有mc3520、sg3524、uc3842。90年代以来，国外又研制出开关频率达1mhz的高速pwm、pfm（脉冲频率调制）芯片，典型产品如uc1825、uc1864。第二个方向则是对中，小功率开关电源实现单片集成化。这大致分两个阶段：80年代初意法半导体有限公司（sgsthomson）率先推出l4960系列单片开关式稳压器。该公司于90年代又推出了l4970a系列。其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片中，使用时需配工频变压器与电网隔离，适于制作低压输出（5.140v）、大中功率（400w以下）、大电流（1.5a10a）、高效率（可超过90%）的开关电源。但从本质上讲，它仍属dc/dc电源变换器。1994年，美国pi公司在世界上首先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关电源，被人们誉为“顶级开关电源”。其第一代产品为topswitch系列，第二代产品则是1997年问世的topswitch-ii系列。该公司于1998年又推出了高效、小功率、低价格的四端单片开关电源tinyswitch系列。在这之后，motorola公司于1999年又推出mc33370系列五端单片开关电源，亦称高压功率开关调节器（high voltage power switching regulator）。目前，单片开关电源已形成四大系列、近70种型号的产品。1.3 开关电源的发展趋势1955年美国罗耶（ghroger)发明的自激振荡推挽晶体管单变压器直流变换器，是实现高频转换控制电路的开端，1957年美国查赛（jen sen)发明了自激式推挽双变压器，1964年美国科学家们提出取消工频变压器的串联开关电源的设想，这对电源向体积和重量的下降获得了一条根本的途径。到了1969年由于大功率硅晶体管的耐压提高，二极管反向恢复时间的缩短等元器件改善，终于做成了25千赫的开关电源。目前，开关电源以小型、轻量和高效率的特点被广泛应用于以电子计算机为主导的各种终端设备、通信设备等几乎所有的电子设备，是当今电子信息产业飞速发展不可缺少的一种电源方式。目前市场上出售的开关电源中采用双极性晶体管制成的100khz、用mosfet制成的500khz电源，虽已实用化，但其频率有待进一步提高。要提高开关频率，就要减少开关损耗，而要减少开关损耗，就需要有高速开关元器件。然而，开关速度提高后，会受电路中分布电感和电容或二极管中存储电荷的影响而产生浪涌或噪声。这样，不仅会影响周围电子设备，还会大大降低电源本身的可靠性。其中，为防止随开关启-闭所发生的电压浪涌，可采用r-c或l-c缓冲器，而对由二极管存储电荷所致的电流浪涌可采用非晶态等磁芯制成的磁缓冲器。不过，对1mhz以上的高频，要采用谐振电路，以使开关上的电压或通过开关的电流呈正弦波，这样既可减少开关损耗，同时也可控制浪涌的发生。这种开关方式称为谐振式开关。 目前对这种开关电源的研究很活跃，因为采用这种方式不需要大幅度提高开关速度就可以在理论上把开关损耗降到零，而且噪声也小，可望成为开关电源高频化的一种主要方式。当前，世界上许多国家都在致力于数兆hz的变换器的实用化研究。2 开关电源的分类2.1概论开关电源的技术领域是边开发相关电力电子器件，边开发开关变频技术，两者相互促进推动着开关电源每年以超过两位数字的增长率向着轻、小、薄、低噪声、高可靠、抗干扰的方向发展。开关电源可分为ac/dc和dc/dc两大类，dc/dc变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但ac/dc的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。2.2 dc/dc变换dc/dc变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式ts不变，改变ton（通用），二是频率调制方式，ton不变，改变ts（易产生干扰）。其具体的电路由以下几类：（1） buck电路降压斩波器，其输出平均电压uo小于输入电压ui，极性相同。（2） boost电路升压斩波器，其输出平均电压uo大于输入电压ui，极性相同。（3） buck-boost电路降压或升压斩波器，其输出平均电压uo大于或小于输入电压ui，极性相反，电感传输。（4） cuk电路降压或升压斩波器，其输出平均电压uo 大于或小于输入电压ui,极性相反，电容传输。当今软开关技术使得dc/dc发生了质的飞跃，美国vicor公司设计制造的多种eci软开关dc/dc变换器，其最大输出功率有300w、600w、800w等，相应的功率密度为（6、2、10、17）w/cm3，效率为（80-90）%。日本nemiclambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块rm系列，其开关频率为（200300）khz，功率密度已达到27 w/cm3，采用同步整流器（mos-fet代替肖特基二极管），是整个电路效率提高到90%。2.3 ac/dc变换ac/dc变换是将交流变换为直流，其功率流向可以是双向的，功率流由电源流向负载的称为“整流”，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。ac/dc变换器输入为50/60hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如ul、ccee等）及emc指令的限制（如iec、fcc、csa），交流输入侧必须加emc滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制ac/dc电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决emc电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求，由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了ac/dc变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。ac/dc变换按电路的接线方式可分为，半波电路、全波电路。按电源相数可分为，单项、三相、多相。按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、四象限。3 开关电源pwm的控制方式3.1电压模式控制pwm图1(a)为buck降压斩波器的电压模式控制pwm反馈系统原理图。电压模式控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法，即将电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号与恒定频率的三角波上斜坡相比较，通过脉冲宽度调制原理，得到当时的脉冲宽度，见图1(a)中波形所示。逐个脉冲的限流保护电路必须另外附加。当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时，因为主电路有较大的输出电容c及电感l相移延时作用，输出电压的变小也延时滞后，输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后，才能传至pwm比较器将脉宽展宽。这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。电压模式控制的优点：pwm三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量;占空比调节不受限制;对于多路输出电源，它们之间的交互调节效应较好 ;单一反馈电压闭环设计、调试比较容易;对输出负载的变化有较好的响应调节。缺点：对输入电压的变化动态响应较慢;补偿网络设计本来就较为复杂，闭环增益随输入电压而变化使其更为复杂;输出lc滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿;在传感及控制磁芯饱和故障状态方面较为麻烦复杂。改善加快电压模式控制瞬态响应速度的方法有二种：一是增加电压误差放大器的带宽，保证具有一定的高频增益。但是这样容易受高频开关噪声干扰影响，需要在主电路及反馈控制电路上采取措施进行抑制或同相位衰减平滑处理;另一方法是采用电压前馈模式控制pwm技术，原理如图1(b)所示。用输入电压对电阻电容(rff、cff)充电产生的具有可变化上斜坡的三角波取代传统电压模式控制pwm中振荡器产生的固定三角波。此时输入电压变化能立刻在脉冲宽度的变化上反映出来，因此该方法对输入电压的变化引起的瞬态响应速度明显提高。对输入电压的前馈控制是开环控制，而对输出电压的控制是闭环控制，目的是增加对输入电压变化的动态响应速度。这是一个有开环和闭环构成的双环控制系统。（a）buck降压斩波器的电压模式控制（b）电压前馈模式控制图1 电压模式控制pwm原理图3.2 峰值电流模式控制pwm峰值电流模式控制简称电流模式控制。如图2所示，误差电压信号 ue 送至pwm比较器后，并不是象电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜坡比较，而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖角状合成波形信号u比较，然后得到pwm脉冲关断时刻。因此(峰值)电流模式控制不是用电压误差信号直接控制pwm脉冲宽度，而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小，然后间接地控制pwm脉冲宽度。电流模式控制是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法。因为峰值电感电流容易传感，而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。但是，峰值电感电流的大小不能与平均电感电流大小一一对应，因为在占空比不同的情况下，相同的峰值电感电流的大小可以对应不同的平均电感电流大小。而平均电感电流大小才是唯一决定输出电压大小的因素。在数学上可以证明，将电感电流下斜坡斜率的至少一半以上斜率加在实际检测电流的上斜坡上，可以去除不同占空比对平均电感电流大小的扰动作用，使得所控制的峰值电感电流最后收敛于平均电感电流。因而合成波形信号u要有斜坡补偿信号与实际电感电流信号两部分合成构成。当外加补偿斜坡信号的斜率增加到一定程度，峰值电流模式控制就会转化为电压模式控制。因为若将斜坡补偿信号完全用振荡电路的三角波代替，就成为电压模式控制，只不过此时的电流信号可以认为是一种电流前馈信号，见图2所示。当输出电流减小，峰值电流模式控制就从原理上趋向于变为电压模式控制。当处于空载状态，输出电流为零并且斜坡补偿信号幅值比较大的话，峰值电流模式控制就实际上变为电压模式控制了。峰值电流模式控制pwm是双闭环控制系统，电压外环控制电流内环。电流内环是瞬时快速按照逐个脉冲工作的。功率级是由电流内环控制的电流源，而电压外环控制此功率级电流源。在该双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态变化，因而电压外环仅需控制输出电容，不必控制lc储能电路。由于这些，峰值电流模式控制pwm具有比起电压模式控制大得多的带宽。峰值电流模式控制pwm的优点:暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快;控制环易于设计;输入电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相妣美;简单自动的磁通平衡功能;瞬时峰值电流限流功能 ，即内在固有的逐个脉冲限流功能;自动均流并联功能。缺点：占空比大于50%的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差;闭环响应不如平均电流模式控制理想;容易发生次谐波振荡，即使占空比小于50%，也有发生高频次谐波振荡的可能性。因而需要斜坡补偿;对噪声敏感，抗噪声性差。因为电感处于连续储能电流状态，与控制电压编程决定的电流电平相比较，开关器件的电流信号的上斜坡通常较小，电流信号上的较小的噪声就很容易使得开关器件改变关断时刻，使系统进入次谐波振荡;电路拓扑受限制;对多路输出电源的交互调节性能不好。图2 峰值电流模式控制pwm原理图4 pwm开关电源控制电路4.1 pwm开关电源的基本原理开关电源的工作过程相当容易理解，在线性电源中，让功率晶体管工作在线性模式，与线性电源不同的是，pwm开关电源是让功率晶体管工作在导通和关断的状态，在这两种状态中，加在功率晶体管上的伏-安乘积是很小的（在导通时，电压低，电流大；关断时，电压高，电流小）/功率器件上的伏安乘积就是功率半导体器件上所产生的损耗。 与线性电源相比，pwm开关电源更为有效的工作过程是通过“斩波”，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲电压来实现的。脉冲的占空比由开关电源的控制器来调节。一旦输入电压被斩成交流方波，其幅值就可以通过变压器来升高或降低。通过增加变压器的二次绕组数就可以增加输出的电压组数。最后这些交流波形经过整流滤波后就得到直流输出电压。 控制器的主要目的是保持输出电压稳定，其工作过程与线性形式的控制器很类似。也就是说控制器的功能块、电压参考和误差放大器，可以设计成与线性调节器相同。他们的不同之处在于，误差放大器的输出（误差电压）在驱动功率管之前要经过一个电压/脉冲宽度转换单元。 开关电源有两种主要的工作方式：正激式变换和升压式变换。尽管它们各部分的布置差别很小，但是工作过程相差很大，在特定的应用场合下各有优点。正激式变换器的优点式：输出电压的纹波峰值比升压式变换器低，同时可以输出比较高的功率，正激式变换器可以提供数千瓦的功率。升压式变换器中峰值电流比较高，因此只适合功率不大于150w的应用场合，在所有拓展中，这类变换器所用的元器件最小，因而在中小功率的应用场合中很流行。开关电源的工作原理是：1交流电源输入经整流滤波成直流;2.通过高频pwm（脉冲宽度调制）信号控制开关管，将那个直流加到开关变压器初级上；3.开关变压器次级感应出高频电压，经整流滤波供给负载；4.输出部分t通过一定的电路反馈控制电路，控制pwm占空比，以达到稳定输出的目的。174.2 pwm开关电源的组成模块 5 开关电源保护电路的设计5.1概论保护电路的设计，无疑是电源设计中一个非常重要的环节，它对于提高电源工作的安全可靠性、延长电的使用寿命都起着十分重要的作用。在设计保护电路时，一方面要保证其功能完善，工作稳定可靠；另一方面应力求简单明了，避免繁复。故开关电源在设计中必须具有过流、过压、欠压、过热等保护功能，故在设计时应首选保护功能齐备的开关电源模块，并且其保护电路的技术参数应与用电设备的工作特性相匹配，以避免损坏用电设备或开关电源。5.2 过流保护电路 当出现负载，过载或控制电路失效等意外情况时，流过稳压器中开关三极管的电流过大，使管子功耗增大，发热。若没有过流保护装置，大功率开关三极管就有可能损坏，故而在开关稳压器中的过流保护是常用的，最经济，简单的方法是使用保险丝，由于晶体管的热容量小，普通保险丝一般不能起保护作用。常用的是快速熔断保险丝。这种方法具有保护容易的优点，但需要根据具体开关三极管的安全工作区要求来选择保险丝的规格。这种过流保护措施的缺点是带来经常更换保险丝的不便。在直流开关电源电路中，要保护调整管在电路短路，电流增大时不被烧毁，基本方法是：当输出电流超过某一值时，调整管处于反向偏置状态从而截止，自动切断电路电流。过电流保护电路由三极管bg2和分压电阻r4，r5组成，如图3所示，电路正常工作时，通过r4与r5的分压作用，使得bg2的基极电位比发射极电位高，发射结承受反向电压，于是bg2处于截止状态（相当于开路），对稳压电路没有影响。当电路短路时，输出电压为零，bg2的发射极相当于接地，bg2c处于饱和导通状态（相当于短路），从而使调整管bg1基极和发射极近于短路而处于截止状态，切断电路电流，从而达到保护的目的。但这种方法会影响电源的功率，因而多用于小功率开关稳压器的场合。在大功率的开关稳压电源中，考虑到功耗，应尽量避免取样电阻的接入。因此，通常将过电流保护转换为过，欠电压保护。图3 过电流保护电路5.3 过电压保护电路开关稳压器的过电压保护包括输入过电压保护和输出过电压保护。5.3.1输入过电压保护电路开关稳压器所使用的未稳压器电源诸如电池和整流器的电压，如果过高，开关稳压器就不能正常工作，甚至损坏内部器件，因此有必要使用输入过电压保护电路。用晶体管和继电器组成的保护电路如图4所示。在该电路中，当输入直流电源的电压高于稳压二极管的击穿电压值时，稳压管被击穿，有电流流过电阻r，使晶体管v导通，继电器动作，常闭接点断开，切断输入。图4 输入过电压保护电路5.3.2输出过电压保护电路输出过电压保护在开关稳压电源中是至关重要的。特别对输出5v的开关稳压器来说，它的负载是大量的高集成度的逻辑器件。如果在工作时，开关稳压器的开关三极管突然损坏，输出电位就可能立即升高到输入未稳压直流电源的电压值，瞬时造成很大损失。常用的方法是晶闸管短路保护，最简单的过电压保护电路如图5所示。，当输出电压过高时，稳压器被击穿，触发晶闸管导通，把输出端短路造成过电流，通过保险丝或电路保护器将输入切断，保护负载。这种电路的响应时间相当于晶闸管的开通时间，约为5-10us。它的缺点是动作电压是固定的，温度系数大，动作点不稳定，另外，稳压管存在着参数的离散性，型号相同但过电压起动值却各不相同，给调试带来了困难。图5 输出过电压保护电路图6是改进后电路。图6中，tl431是精密可调基准电源，改电路利用了tl431内部的临界电压vref.r1，r2对输出电压串连分压，得出取样电压加在tl431的参考端。当输出电压超过一定电压时，tl431触发，使双向晶闸管vs导通，产生瞬间大电流将保险丝熔断从而保护后级电路或负载，其中，保护点电压v=（1+r1/r2）vref.图6 输出过电压保护改进电路5.4 欠压保护电路输出电压低于规定值时，反映了输入直流电源，开关稳压器内部或输出负载发生了异常。输入直流电源电压下降到规定值之下时，会导致开关稳压器的输出电压跌落，输入电流增大，既危及开关三极管，也危及输入电源。因此，要设置欠电压保护，简单的欠电压保护电路如图7所示，当未稳压输入的电压值正常时，稳压管zd被击穿，晶体管v导通,继电器动作，触点吸合，开关稳压器加电。当输入低于所允许的最低电压值时，稳压管zd不通，v截止，触点跳开，开关稳压器不能工作。图7 欠电压保护电路开关稳压器内部由于控制电路失常或开关三极管失效，会使输出电压下降：负载发生短路也会使输出电压下降，特别是在升压型或反相升压型的直流开关稳压器中，欠电压的保护是跟过流保护紧密相关的，因而更加重要，实现方法是在开关稳压器的输出端接电压比较器，其电路原理图如图8所示。图8 输出欠电压保护电路5.5 过热保护电路开关稳压器的高集成化和轻量小体积使其单位体积内的功率密度大大提高，电源装置内部的元器件对其工作环境温度的要求也相应提高。否则，会使电路性能变坏，元器件过早失效，因此，在大功率开关稳压器中应该设过热保护。采用温度继电器来检测电源装置内部的温度，当电源装置内部过热时，温度继电器就动作，使整机报警电路处于报警状态，实现对电源的过热保护，亦可将温度继电器置于开关三极管附近，一般大功率管允许的最高管壳温度是75,调节温度整定值为60。当管壳温度超过允许值后，继电器就切断电器，对开关管进行保护。半导体热敏开关器件“热晶闸管”在超温保护方面有重要作用，可以用作温度指示电路，如图9所示的电路中，根据p型控制栅