（微电子学与固体电子学专业论文）工频交流基准电压源设计.pdf

上海大学硕士学位论文 摘要 随着电子技术的发展，集成电路的兴起，电子设备的种类越来越多，对电 源的要求更加灵活多样。电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小、 高效、低成本、低噪声方向发展。交流开关稳压电源的应用领域也越来越广泛。 交流基准电压源是交流开关稳压电源设计中一个关键基本模块，它应该是 个幅值稳定度和非线性失真度都满足要求的正弦波。用查表法从存储器芯片中 逐点读取正弦波是一个可行的方法，但还须增加外围电路使之与工频电网同步， 电路比较复杂。本文提出了一种生成工频基准电压的简捷方法，不但电路简单、 实施方便，而且生成的交流基准电压幅值稳定度高，失真度低，效果明显。 本文的主要研究目的是：采用标准c m o s 工艺设计出应用于“一种新型 交流开关稳压电源 中的高精度工频电压基准源。 本文首先对该种新型交流稳压电源作了总体介绍，其中包括了b u c k b o o s t 变换器原理分析、电源主电路的拓扑结构及参数设计、控制电路整体结构设计。 然后分析交流基准电压源的基本原理，重点讨论了带通滤波器在设计中的应用 及运算放大器的设计。最后，利用s p e c t r e 仿真工具在c h a r t e r e dc m o s0 3 5 u m 5 v 工艺下进行仿真，且达到了设计指标。 关键词：稳压电源、电压基准源、滤波器、仿真 v 上海大学硕士学位论文 a b s t r a c t w i t ht h ee m e r g i n ge l e c t r o n i ct e c h n o l o g i e sa n di n t e g r a t e dc i r c u i t s ，t h ev a r i o u s k i n d so fe l e c t r o n i cd e v i c e sd e m a n dm o r ef l e x i b l ep o w e rs u p p l i e s l o wc o s ta n d s m a l ls i z eo ft h ee l e c t r o n i cd e v i c e sh a v ed r i v e nt h ep o w e rs u p p l yt ob el i g h t ，1 沁 s m a l l ，c o s te f f e c t i v ea n dl o wn o i s e t h ea c a cs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yo f s t a b i l i z e d v o l t a g ew i l ls e eaw i d e ra p p l i c a t i o n s t h er e f e r e n c ev o l t a g eo fa cp o w e ri st h ek e ym o d u l eo ft h ed e s i g no fa c a c s w i t c h i n gp o w e rs u p p l yo fs t a b i l i z e d - v o l t a g e ，i ts h o u l db eas i n ew a v es a t i s f i e da l l r e q u i r e m e n t so fv o l t a g ev a l u e ss t a b i l i t ya n dn o n l i n e a rd i s t o r t i o n i ti sf e a s i b l et o r e t r i e v et h es i n ew a v ei n f o r m a t i o nf r o mt h em e m o r yc h i pb yt a b l el o o k - u p h o w e v e r , p e r i p h e r a lc i r c u i t sm u s tb eu s e dt os y n c h r o n i z ei t w i t hv o l t a g eo fr e g u l a t e d i n d u s t r i a lf r e q u e n c y , t h e r e b yi n c u r r i n gd e s i g nc o m p l e x i t y t h et h e s i sp r o p o s e sa n e l e g a n tm e t h o do fg e n e r a t i n gt h er e f e r e n c ev o l t a g eo fa cp o w e r , w h i c hh a st h e a d v a n t a g eo fs i m p l ec i r c u i td e s i g n ，h i g h l ys t a b l ev o l t a g ea n dl o wd i s t o r t i o n t h er e s e a r c hf o c u so ft h et h e s i si st od e s i g nt h er e f e r e n c ev o l t a g eo fr e g u l a t e d i n d u s t r i a lf r e q u e n c ya cp o w e rw i t hs t a n d a r dc m o st e c h n o l o g y ，w h i c hi su s e di na n e wa c a cs w i t c h i n gp o w e rs u p p l yo fs t a b i l i z e d v o l t a g e t h et h e s i sb e g i n sw i t ht h ei n t r o d u c t i o no ft h en e wa cp o w e rs u p p l yo f s t a b i l i z e d - v o l t a g e ，i n c l u d i n gt h ea n a l y s i so ft h ep r i n c i p l e so ft h eb u c k - b o o s t c o n v e r t e r , d e s i g no ft h ep o w e rs u p p l yc i r c u i tt o p o l o g ya n dp a r a m e t e r , a n dd e s i g no f t h ec o n t r o l l e r t h e nw ea n a l y z et h ef u n d a m e n t a l so ft h er e f e r e n c ev o l t a g eo fa c p o w e ra n dl a ye m p h a s i so nt h ea p p l i c a t i o no fb a n d p a s sf i l t e ri nd e s i g na n dt h e d e s i g no fo p e r a t i o n a la m p l i f i e r f i n a l l y , u s e i n gs p e c t r e s o f t w a r ea n do 3 5 一l a m c h a r t e r e dc m o st e c h n o l o g yt os i m u l a t ee a c hb l o c ka n dt h es y s t e m s i m u l a t i o n r e s u l t ss h o wt h ed e s i g nm e e t st h ee x p e c t e ds t a n d a r d k e y w o r d s ：s t a b i l i z e d v o l t a g ep o w e rs u p p l y , t h er e f e r e n c ev o l t a g eo fa cp o w e r , f i l t e r , s i m u l a t i o n 上海大学硕士学位论文 原创性声明 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。 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发 表或撰写过的研究成果。参与同一工作的其他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：牡日期一夕 本论文使用授权说明 本人完全了解上海大学有关保留、使用学位论文的规定，即： 学校有权保留论文及送交论文复印件，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。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 签名：导师签名： 上海大学硕士学位论文 第一章绪论 电压基准源( v o l t a g er e f e r e n c e ) 是指在模拟电路或混合信号电路中用作电 压基准的具有相对较高精度和稳定度的参考电压源。它的温度稳定性以及抗噪 性能影响着整个电路系统的精度和性能。 随着电路系统结构的进一步复杂化，对模拟电路基本模块，如a d 、d a 转 换器、滤波器以及锁相环等电路提出了更高的精度和速度要求，这样也就意味 着系统对其中的电压基准源模块提出了更高的要求。另外，电压基准源是电压 稳压器中的一个关键电路单元，它也是a c a c 、d c d c 转换器中不可缺少的 组成部分；在各种要求较高精确度的电压表、欧姆表、电流表等仪器中都需要 电压基准源。 微电子技术不断发展，常用的集成电路工艺大体上可分为双极型h b t 、 m e s f e t h e m t 、c m o s 和b i c m o s 四大类型“。其中，双极型工艺是集成 电路中最早成熟的工艺，c m o s 工艺技术是在p m o s 与n m o s 工艺基础上 发展起来的，已经逐渐发展成为当代v l s i ( 超大规模集成电路) 工艺的主流 工艺技术。双极型集成电路具有较快的器件速度，适合高速电路设计，但相对 来说，器件功耗较大；而c m o s 电路具有功耗低、器件面积小、集成密度大 的优点，但是器件速度较低。b i c m o s 技术增强了在c m o s 技术中提供的双 极型晶体管的性能，这使其在模拟电路设计中具有潜力。由于c m o st 艺中 “按比例缩小理论，1 2 j 的不断发展，器件尺寸按比例缩小使得c m o s 电路的工 作速度得到不断的提高，在模拟集成电路的设计中c m o s 技术逐渐可以与双 极型技术抗衡。近年来，模拟集成电路设计技术随着c m o s 工艺技术一起得 到了飞速的发展，片上系统( s y s t e m - o nc h i p ，s o c ) 已经受到学术界及工业界广 泛关注。由于s o c 要求很高的集成度，而c m o s 工艺的特点正好符合了这种 需求，因此，用c m o s 技术来设计电路越来越成为集成电路的发展趋势。为 了顺应集成电路技术的发展潮流，本文采用标准的c m o s 工艺技术来设计高性 能的电压基准源。 上海大学硕士学位论文 1 1 国内外发展现状与趋势 近年来，国内外对c m o s 工艺实现的电压基准源作了大量的研究，发表 了大量的学术论文，其中的技术发展主要表现在如下几个方面。 1 低电压工作的电压基准源 s o c 的主流工艺是c m o s 工艺，目前，5 v ( o 6 u r n ) 、5 v ( 0 3 5 u m ) 、1 8 v ( 0 1 8 u r n ) 、1 5 v ( o 1 5 u m ) 、1 2 v ( o 1 3 u r n ) 、0 9 v ( 0 0 9 u m ) 等的电源电压已 经得到广泛的使用。随着手提设备对低电源需求的不断增加，设计低压工作的 电压基准源成为当前基准源研究的热点。由于传统带隙电压基准源的带隙电压 为1 2 v 左右，所以，对于电源电压低于1 2 v 的基准设计必须采用特殊的电路 结构，许多文献 3 4 5 1 1 6 1 都提出了输出基准电压低于1 2 v 的电路结构。采用 这些电路结构后主要的工作电压限制通常来自于运放的工作电压，不同运放的 电路结构和m o s 管衬底效应造成的高阈值电压是限制工作电压的主要因素。 2 低温度系数的电压基准源 低温度系数的电压基准源对于要求精度高的应用场合比较关键，比如说对 于高精度的d a 、a d 结构，高精度的电流源、电压源等。对于普通的一阶温 度补偿的带隙结构的温度系数一般在2 0 - - 5 0 p p m * c ，因此，设计低温度系数的 电压基准源一般必须进行高阶温度补偿。目前出现的高阶补偿技术包括二阶曲 线补偿技术【8 】，指数曲线补偿技术【9 】，线形化v b e 的技术【1 0 1 ，基于电阻比值 的温度系数的曲线补偿方法【1 l 】等。 3 高电源抑制比的电压基准源 在数模混合集成电路中，电路中可能存在的高频噪声和数字电路产生的噪 声对模拟电路产生信号干扰。在混合电路中，电压基准源应该在较宽的范围内 具有良好的电源抑制比性能。国外文献中，使用运放结构的带隙基准技术 6 1 ， 在直流频率时的p s r r ( p o w e rs u p p l yr e j e c t i o nr a t i o ，电源抑制比) 可达11 0 d b ， 在1 m h z 的p s r r 达7 0 d b ；而使用无运放负反馈结构的带隙基准 1 3 】，在1 k h z 的p s r r 为9 5 d b ，在1 m h z 的p s r r 为4 0 d b 。文献 1 4 提出的电路结构在 2 m h z 时的p s r r 为5 9 d b 。 2 上海大学硕士学位论文 4 低功耗的电压基准源 低功耗设计对于p d a 、l a p t o p 以及依靠电池工作的便携设备等低电压 工作的手持设备具有非常重要的意义，可以延长电池的使用寿命。 1 2 研究的意义及内容 本课题来源于一个“a c a c 升降压s p a w m 电子功率变换器 项目。在这 个项目中电压的基准值为3 v 。电压基准源作为其中的一个子模块，基准的精度 直接影响了整个系统的精度，因此，设计一个好的电压基准源对于本项目是一 个关键。本电压基准电路的设计属于专门性电路设计。 交流电压基准源与常用的直流电压基准源的区别在于：除了需要满足对直 流电压基准源的所有要求外，还对频率、相位、非线性失真度、建立时间等有 所要求。因此交流电压基准源的设计难度也由此而增加。 本文的设计指标是：在正常工作温度2 5 ：t 2 5 0 c 范围内，输出电压有效值达 到3 v 1 、非线性失真率y v l = =c r 广千 k = 考量( 1 - q 曲) 2 乃 ( 2 3 1 ) 一输出电压，取8 5 4 2 v ： 弓一开关周期，取l o u s ： 日嘲一最小占空比，在这里不考虑升压或降压状态，取占空比为0 5 ； k 最小输出电流，由于我们选取负载为3 6 。q ，可得k = 如r o = 雩詈。2 3 8 彳； 1 2 上海大学硕士学位论文 把上列的几个参数代入式( 2 3 9 ) 有 k = 考量( 1 - q 血) 2 五= 沥8 5 4 2 x 0 5 2x 1 0 x 1 0 - 6 0 4 4 9 m h 选择要大于l c ，但因为电感值越大，则电感附加的电阻也越大，为了减 少电感附加电阻对电路的影响，我们在选择范围内尽量选择电感值比较小的电 感。根据计算值，最后选择l m h 的电感。 电容c 的值满足参考文献瞄1 中的公式( 2 1 6 ) c ：堡垒竖圣( 2 3 2 ) r a v o 其中，为输出电压，取8 5 4 2 v ； 乃为开关周期，取1 0 i t s ； 日一为最大占空比，在这里不考虑升压或降压状态，取占空比为o 5 ； 尺为负载电阻，取3 6 0 q ； 为输出电压的纹波电压，要求小于1 v ； 把上列的几个参数代入式2 3 1 0 ，有 c ：堡垒型墨：! ! ：丝兰q ：三兰! q 兰! q ：1 2 订 r a v o 3 6 0 x 1 根据公式计算后，可以确定元件大小的大致的取值范围，再使用o r c a d p s p i c e 软件【2 5 】中的参数分析功能对电路进行仿真，确定l 和c 的具体取值大小。 从输出的波形图，可以直观地显示出各个元件对输出电压的影响，如图2 1 1 所 示。其中图2 1 1 ( a ) 是输入电压的波形。 滤波电容c 是用来消除输出电压的波形脉动，同时可以维持负载电流的连 续。假如c 的值设置太小，则无法滤去输出电压中的脉动，如图2 1 l ( b ) 所 示。在波形图中，输出电压的纹波非常明显；假如c 的值设置太大，从波形图 中可以看出，虽然纹波变小了，但刚开始的输出波形出现了变形，如图2 1 l ( c ) 所示。 电感l 作为一个储能元件，是电源和负载之间的主要能量传递者，是保持 上海大学硕士学位论文 负载上的电流连续状态的作用。假如l 设置太小，就无法保证整个电路工作在 电流连续的情况下；假如l 的值设置太大的话，就会导致输出电压波形与输入 电压波形的相位有较大的滞后偏差，如图2 i i ( d ) 所示。 利用参数分析法可以同时扫描一个范围内的几个点的情况，我们可以根据 最后输出的情况，确定在最佳工作状态下各个元件的值。 。飞 一 ：7 - 善 0 矿? 弋一弧 ：7- x! ： ：缒： ，、k t ： - i 专；、 霹：强： 、1 。ot 篓墓 ：一j j o 一 j “j 一 ：- ；- ；- ￥j j 一￥0 0 j ：k j z n 一一 ”n 一 ? 。、，? 、一：一 ：z 鲶j 弋i ： 一；一 ： 。、，f 一 0 鎏 一 电 0 si o - 2 0 - 3 1 函t so , $ o m sg 1 0 _ t , 7 0 - 8 0 _ t t t9 0 m , si 0 0 t 嵋 ( a ) 输入电压波形 i ：忒 双顿明显 | i 筋 -l 一：j l ：一 ： 懋j 一：_ - - 乃 -，_f 、 -_- 一 一一。、 一州- x7| a ：强：弋 ：参 o j 0t 、 z l 0 j ， o “一 、 z 、o k j h k x 0 一：。- ：一：v ：1 - r ：一；- r - - - i 1 盯。：。 0 s1 0 m s2 0 3 0 o - 5 0 - 6 0 u7 0 1 s8 0 a f9 0 b s1 0 0 - ( b ) c 较小时的输出电压波形 电匝变形 ： ”寸弋 蒸 - x| 二： 蒸 - x ： 卢弋 ：冷：二： ：1+ ：再式 _ 弋 ：弋 ：z ：兰x ： 一“一 弋 - 序- 一手、 ，r r ： 、挣 i - 一 雪量：一 o j 一0 塞翟： ：一j x r j 7 。 ：z ； ：x ：夏： 蕊一j ：z ： ：蕊：0 、一x o st o uz 0 l 30-，40m$o_ts 6 0 _ t s7 嘶，8 0 t i s9 0 n sl o 吣 ( c ) c 较大时的输出电压波形 囊戮嚣瓣枣垂覃爹爨墓囊孽篝惑孽墓壬嚣篱蠹噩覃嚣套 吼。簌鸶囊阉冀嚣l ；颡蠢委聋翱篓萋葺颡篝冀； o sj o t uz 0 1 s3 0 u40tis$oss6 0 - o-l$om，o t 1 0 0 i ， ( d ) l 较大时的输出电压波形 图2 1 l 各个元件大小设置对输出电压的影响 图2 1 0 的输出电压波形平滑稳定，大小和输入电压相等( 占空比为0 5 ) ， 如图2 1 2 所示。 1 4 一工o 口 一张! 譬x ：= z 舅：x ： 一 卜 十一 p k j 婶纛 善 仃一；一? ? 、再：爵： ， z 。x 压：并：戈 l o o 一 o * 一 弋 -z 0 一；j ，k j j 0 z 弋一- 一￥j 一： ： 弋一- ：舞：1 - 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- ! - - i - j ： 参恁撼：辟* l “j j j oj。| ?书；式辟一 z ： 睁* _ 一；：， l 、 li i - - ? o - - j | - i - 7。； - z 卜呻。“i ! ， l j 、一j t l ；，乒 ：l ：z 一沁； ： - v 叫t | - f ：m ， ；、_ 正 j z：t ! ：- o z ：z ；一 - 1 i ；一k 弘 弋 l ”t 卜 z ：蛙： - ：- ￥。? 一y 一矗 i lji ：j 一： 是j 蔓一 - + + 一 i i i 【一7 ， 一 - - - + 一 薯、 ， - - + 一 一 一一心一重一： 弋j “ - + ：忒 - - - - ；v ：- 一。? v 。一一犄出电压：v 一t v l o - u 2 0 - 3 0 i i ，o - -s o n s 6 0 l 7 0 - - e o - ，0 - ，工0 0 i - - ( b ) 占空比大于0 5 时主电路的输入和输出电压波形( 升压式) 图2 1 3 占空比改变时的工作状态 从仿真结果中可以得出，在理想状态下，占空比在( 0 1 0 9 ) 范围内变化， 1 5 上海大学硕士学位论文 这个电路都能够正常工作，验证了b u c k b o o s t 电路在交流变换中的应用。 电网干扰影响可以小到被忽略的程度。因为在期间，由导通的晶体管开 关将引入干扰转化为电感储能，与负载没有物理连接；在期间，干扰与负 载隔离。 总之，这种变换器开关电源使用元件少，成本低，体积小，重量轻，效率 高，纹波小，有利于单片集成，有着显著的优越性及市场发展前景。 2 4 控制电路 控制电路是采用控制策略对控制信号( 含主令信号和反馈信号) 进行生成、 处理以形成合乎要求的功率器件控制极信号，实现对电能的变换和控制【2 3 】。显 然，控制电路是变换电路的重要组成部分，控制电路的优劣直接影响到变换电 路的性能。开关电源的控制方式有多种，比较常用的有脉冲宽度调制( p w m ) 模式，即开关频率恒定，通过改变脉冲宽度来调节占空比的控制方式；脉冲频 率调制( p f m ) 模式，即导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来调节占 空比的控制方式；第三种是p w m 和p f m 混合调制模式，即开关频率和导通脉 冲宽度均不固定，两者都能调节占空比的控制方式。最近又出现了一种新的调 制模式：跨周期调制( p s m ) 模式 2 6 - 2 7 】，是采用“恒频恒宽”( c f c w ) 脉冲控 制信号控制开关电源中功率管的导通与截止工作状态的一种新型调制模式【3 7 】， 此种控制模式有效地降低了开关损耗。p w m 控制技术由于其结构简单，控制 方式容易实现等优点得到了广泛的应用。本a c a c 变换采用目前常用的p w m 控制方式。 2 4 1p w m 控制的基本原理 所谓的p w m ( p u l s ew i d t hm o d u l a t i o n ) 控制就是对脉冲的宽度进行调制的 技术。 在采样控制理论中有一个重要的结论【2 8 】：冲量相等而形状不同的窄脉冲加 在具有惯性的环节上，其效果基本相同。冲量指窄脉冲的面积。这罩说的效果 1 6 上海大学硕士学位论文 基本相同，是指惯性环节的输出响应波形基本相同。如果把各输出波形用傅立 叶变换分析，其低频段非常接近，仅在高频段略有差异，上述原理可以称之为 面积等效原理，它是p w m 控制技术的重要理论基础。 如图2 1 4 所示，把一个正弦半波分成n 等份，就可以把正弦半波看成是由 n 个彼此相连的脉冲序列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，但幅值不等，且 脉冲顶部不是水平直线，而是曲线，各脉冲的幅值按正弦规律变化。如果把上 述脉冲序列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点 和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波面积( 冲量) 相等， 就得到脉冲序列，这就是p w m 波形。各脉冲的幅值相等，而宽度是按正弦规 律变化的。根据面积等效原理，p w m 波形和正弦半波是等效的。对于正弦波 的负半周，也可以用同样的方法得到p w m 波形。像这种脉冲的宽度按正弦规 律变化而和正弦波等效的p w m 波形，也称s p w m 波形。 u 0 u 0 图2 1 4p w m 控制的基本原理示意图 我们所采用的调制方法【2 9 - 3 0 1 ，就是把所希望的波形作为调制信号，把接受 调制的信号作为载波，通过对载波的调制得到所期望的p w m 波形。通常采用 等腰三角波为载波，因为等腰三角波上下宽度与高度成线性关系且左右对称， 当它与任何一个平缓变化的调制信号波相交时，如在交点时刻控制电路中开关 1 7 上海大学硕士学位论文 器件的通断，就可以得到宽度正比于信号波幅值的脉冲，这正好符合p w m 控 制的要求。 p w m 波形可分为等宽p w m 波和不等宽p w m 波。不管是等宽p w m 波和 不等宽p w m 波，都是基于面积等效原理来控制的，因此其本质是相同的。直 流斩波电路得到的p w m 波是等效直流波形，s p w m 波得到的是等效正弦波形。 除此之外，p w m 波形还可以等效成其他所需要的波形，如等效成所需的非正 弦交流波形等，其基本原理和s p w m 控制相同，也是基于等效面积原理。 图2 1 5 为电力晶体管作为开关器件的电压型单相桥式逆变电路【2 8 】，设负载 为电感性，对各晶体管的控制按下面的规律进行：在正半周期，让晶体管v l 一直保持导通，而让晶体管v 4 交替通断。当v 。和v 4 导通时，负载上所加的电 压为直流电压源u d 。当v l 导通而使v 4 关断后，由于电感性负载中的电流不能 突变，负载电流将通过二极管v d 3 续流，负载上所加的电压为零。如负载电流 较大，那么直到使v 4 再一次导通之前，v d 3 一直保持导通。如负载电流较快地 衰减到零，在v 4 再一次导通之前，负载电压也一直为零。这样，负载上的输出 电压1 1 0 就可得到零和u d 交替的两种电平。同样，在负半周期，让晶体管v 2 保 持导通。当v 3 导通时，负载被加上负电压u d ；当v 3 关断时，v d 4 续流，负载 电压为零，负载电压u o 可得到u d 和零两种电平。这样，在一个周期内，逆变 器输出的p w m 波形就由u d 和0 三种电平组成。 0 裁 图2 - 1 5 单相桥式p w m 逆变电路 控制v 4 或v 3 通断的方法如图2 1 6 所示。载波u c 在信号波u r 的正半周为正 上海大学硕士学位论文 极性的三角波，在负半周为负极性的三角波。调制信号珥为正弦波。在1 1 f 和1 1 c 的交点时刻控制晶体管v 4 或v 3 的通断。在1 】f 的正半周，v l 保持导通，当p u c 时使v 4 导通，负载电压u o = u d ，当u r u c 时使v 4 关断，u o = o ：在u r 的负半周， v l 关断，v 2 保持导通，当u r u 它时使v 3 导通，u o m - u d ，当u p l l c 时使v 3 关断， u o = o 。这样，就得到了s p w m 波形u 0 。图中的虚线u o f 表示u o 中的基波分量。 像这种在u r 的半个周期内三角波载波只在一个方向变化，所得到的p w m 波形 也只在一个方向变化的控制方式称为单极性p w m 控制方式。 声 t w 妒贸影和州 o i 、 一 二 4 u o f 。 ， 图2 - 1 6 单极性p w m 控制方式原理 和单极性p w m 控制方式不同的是双极性p w m 控制方式。图2 1 5 的单相 桥式逆变电路在采用双极性控制方式时的波形如图2 一1 7 所示。在双极性方式中 u r 的半个周期内，三角波载波是在正负两个方向变化的，所得到的p w m 波形 也是在两个方向变化的。在u r 的一周期内，输出的p w m 波形只有u d 两种电 平。仍然在调制信号u r 和载波信号u c 的交点时刻控制各开关器件的通断。在u f 的正负半周，对各开关器件的控制规律相同。当l l f = 强时，给晶体管v l 和v 4 以导通信号，给v 2 和v 3 以关端信号，输出电压u o = u d 。当u r u c 时，给v 2 和 1 9 上海大学硕士学位论文 v 3 以导通信号，给v l 和v 4 以关断信号，输出电压u o u d 。可以看出，同一半 桥上下两个桥臂晶体管的驱动信号极性相反，处于互补工作方式。在电感性负 载的情况下，若v l 和v 4 处于导通状态时，给v l 和v 4 以关断信号，而给v 2 和 v 3 以导通信号后，则v l 和v 4 立即关断，因感性负载电流不能突变，v 2 和v 3 并不能立即导通，二极管v d 2 和v d 3 导通续流。当感性负载电流较大时，直到 下一次v l 和v 4 重新导通前，负载电流方向始终未变，v d 2 和v d 3 持续导通， 而v 2 和v 3 始终未导通。当负载电流较小时，在负载电流下降到零之前，v d 2 和v d 3 续流，之后v 2 和v 3 导通，负载电流反向。不论v d 2 和v d 3 导通，还是 v 2 和v 3 导通，负载电压都是u d 。从v 2 和v 3 导通向v l 和v 4 导通切换时，v d l 和v d 4 的续流情况和上述情况类似。 、。 u r 丽卜k气掣 ， 代 l 出 1 m u _ i il i 。 yflfll 。 lfl _ _ _ 7 ，r 由 一 - 1 1 0 2 0 上海大学硕士学位论文 形的幅度由脉冲列的占空比决定。占空比越大即越接近1 ，输出电压幅度越大； 占空比越小，输出电压的幅度越小。 控制电路从电路输出端取样，并把这个取样电压与基准电压进行比较，从 而得到一个误差电压，这是控制电路对主电路进行调整的依据。根据p w m 信 号产生原理，把误差信号与三角波叠加，产生一系列方波脉冲，以控制主电路 中的功率开关管。这个方波信号的占空比随误差电压变化，而误差的变化则反 映了输入电压与输出电压之间的关系，通过负反馈，可以稳定输出电压的幅值。 因此，本a c a c 变换器控制方式原理可概括称为正弦波脉幅脉宽调制，即 s p a w m 。 2 4 2p w m 控制信号产生电路 p w m 集成控制通常可以分为电压型控制和电流型控制两种【3 8 1 。电压型控 制是采用电压反馈闭环，将误差放大信号与固定频率的锯齿波相比较，通过脉 冲宽度调制原理，得到当时的脉冲宽度调制信号。电压型控制的优点：( 1 ) p w m 锯齿波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量；( 2 ) 占空比调节不 受限制；( 3 ) 单一反馈电压闭环设计，调试比较容易；( 4 ) 对输出负载的变化 有较好的响应调节。峰值电流型控制是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控 制方法。由于电流模式控制的电路拓扑受限制，主要用于单端及推挽电路，容 易发生次谐波振荡，对噪声敏感、抗噪声性差等缺点。本设计采用电压型控制。 图2 1 8 和图2 1 9 分别是p w m 信号产生的电路图以及其所对应的波形。 图2 - 1 8p w m 信号产生电路 2 l 上海大学硕士学位论文 脉冲h j l 图2 1 9 相应的波形 对被控制的输出电压u o 进行检测所得的反馈电压u 严k u ，加到误差放大 器的同相输入端。反相端输入u ，为基准比较电压。放大器输出一个误差电压 u e 。比较器输出为一个方波信号，此方波信号的占空比随着误差电压u 。变化。 对于单管变换器，比较器输出的方波信号与振荡器产生的窄脉冲信号相或作为 功率开关管的栅控信号，其相应波形如图2 1 9 所示。对于推挽或者桥式等电路， 则需要把p w m 信号分相。 2 4 3 控制电路整体结构设计 控制电路的作用是用来产生脉宽调制信号，控制开关电源中功率开关管的 导通与截止，实现调压的目的。设计的a c a c 开关电源控制电路内部功能框图 如图2 2 0 所示，将所有模块集成在一起。该集成电路的主要组成部分有误差放 大器、p w m 比较器、振荡器、偏置电压产生电路、上电复位电路及一些保护 电路等。 误差放大器是将采样电压与交流基准电压的差值进行放大。由于误差放大 器工作在闭环状态，必须对误差放大器进行相位补偿，使其工作在闭环稳定状 态。误差放大器的放大倍数不宜过大，否则对差值信号太敏感，引起功率开关 管频繁开关，这样虽然增大了输出精度，但同时消耗了更多的功耗。 振荡器负责产生固定频率的锯齿波信号及时钟信号。振荡器的频率决定着 功率开关管的开关频率。为了降低电磁干扰和提高电源效率，振荡器的频率设 计为1 0 0 k h z t 3 1 7 1 。 上海大学硕士学位论文 p w m 比较器是将误差放大信号与锯齿波信号进行比较，产生脉宽调制逻 辑信号。为了提高系统的响应速度，要求p w m 比较器的转换时间要小。同时 要保证1 0 0 k h z 的信号能通过。 偏置电压产生电路产生集成电路内部所需要的偏置电压。为保证模块电路 稳定工作，偏置电压应对温度、电源电压的变化不敏感，即基本上不随温度、 电源电压的变化而变化。 图2 - 2 0 控制集成电路功能框图 该集成电路的功能描述如下：v m 为工作电压输入端，提供芯片内部各电 路的工作电压；v s a m p l e 为采样电压输入端，将采样电压经电压绝对值电路的 交流正半波信号送到误差放大器的正端：v r e f 为交流基准电压输入端，将交流 基准电压信号送到误差放大器的负端；v s u r v e y 为过流检测端，将功率开关管 上的导通压降信号送到过流保护电路；o u t 为输出端，将脉宽调制信号送到功率 开关管的栅极。 电路随时将采集的a c a c 开关电源输出端电压与交流基准电压相比较，并 经误差放大器将差值信号进行放大后产生控制信号，该控制信号与内部振荡器 产生的锯齿波信号经过一个比较器，输出p w m 脉宽调制信号，该脉宽调制信 号结合保护电路产生的信号经过逻辑电路，产生最终的功率开关管的栅极控制 信号，控制功率开关管的开通与关断。 上海大学硕士学位论文 2 5 本章小结 本章主要介绍了“a c a c 升降压s p a w m 电子功率变换器 的主电路与控 制回路，及p w m 控制的基本原理，电压型控制和电流型控制的优缺点，通过 比较，确定本文的控制方式为电压型负反馈控制s p a w m 。还描述了控制电路 的整体结构及内部主要模块的功能。 上海大学硕士学位论文 第三章工频电压基准源的研究与设计 3 1 交流电压基准源的基本原理 交流基准电压源主要由双向等幅限幅器与带通滤波器构成，其结构框图如 图3 1 所示。 - r 取向肆幅砸幄矗 图3 - 1 交流基准电压源设计的基本原理 图3 1 中的r 为限流电阻，d l 和d 2 是两个参数相同的稳压管。双向等幅 限幅器将输入幅值为2 2 0 v 的工频电网电压正负两个半周波形肖i 波截取成正负 两个半周对称的方波。带通滤波器的中心角频率o 与电网的工频角频率一致， 只要使方波中的高次谐波衰减，则输出交流基准电压的波形趋近理想正弦波。 双向限幅器的削波保证了交流基准电压与工频电网电压的绝对同步。基准 稳压管和带通滤波器的稳定性决定了交流基准电压的幅值稳定度。带通滤波器 的品质因数q 值决定了交流基准电压的非线性失真度。基准稳压管选用高稳定 性低温度系数的优质品后，带通滤波器的合理设计，将是交流基准电压幅值稳 定度及波形非线性失真度的关键。 带通滤波器是一种频率选择装置，它允许规定一段频率信号通过，此频段 称为通带，而将比此频段下限频率低和上限频率高的信号加以抑制和衰减，称 为阻带。带通滤波器通带的宽度叫做频宽，以符号b 表示，频宽中点所在的角 频率叫中心角频率，用0 3 0 表示。带通滤波器的品质因数为q ，且q = , v 。o 。不 d 难看出，当c o o 一定时，频宽b 愈窄，品质因数q 愈高，表示带通滤波器的选 择性愈好【2 3 1 。 上海大学硕士学位论文 方波输入带通滤波器时，q 值越高，输出的交流基准电压内高次谐波分量 越少，越接近理想正弦波。在实际情况中q 值主要受限于两个因素：其一是工 频电网的频率在5 0 h z 上下有随机的变动；其二是滤波器电路内电阻电容元件 参数的温度系数，导致中心角频率o 随温度而漂移。这两个因素产生的频漂使 中心角频率o 与工频电网的角频率“错位”，使输出的交流基准电压幅值变动。 图3 2 为二阶带通滤波器幅频特性，可以从q 值对带通滤波器的频响曲线形状 影响上看出，对于一定量的频漂，q 值越高，频漂产生的增益变化越大，交流 基准电压幅值的变化也越大。 d b 2 0i g 缸= 0 一lo 2 0 3 0 4 0 图3 - 2 二阶带通滤波器幅频特性 因此，在实际情况中不可以盲目追求带通滤波器的高q 值，应兼顾交流基 准电压的两个主要技术指标：波形非线性失真度和幅值稳定度。可根据交流基 准电压允许的非线性失真度丫，从q 与丫关系中定出q 值，然后验算频漂产生 的交流基准电压幅值变化量6 是否超过允许误差。 3 2 有源带通滤波器原理与设计 3 2 1 滤波器的分类与功能 滤波器可以按不同方式进行分类 妁1 。模拟滤波器用于处理模拟信号，数字滤 波器用于处理数字信号。采用有源器件的模拟滤波器统称为有源滤