直流稳压电源的分类及控制原理

直流稳压电源的分类及控制原理

电源是各种电子设备的重要组成部分。它的性能直接影响到电子商务的技术水平，以及是否能够可靠性地工作。目前常用的直流稳压电源分为线性电源和开关电源两大类。线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源,其稳压性能好,输出纹波电压很小,但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离,并且调整管的功率损耗较大,致使电源的体积和重量大、效率低。开关电源被誉为高效节能电源,它是利用现代电力电子技术,通过控制开关通断的时间比率来维持输出电压稳定的一种电源,具有体积小、重量轻、功率小、效率高、纹波小、噪声低、易扩容、智能化程度高等优良特性,广泛应用在诸如计算机、电视机、摄像机等电子设备上。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。1基本组成和开关的基本组成1.1pfm式开关开关电源按控制原理来分类,大致有以下3种工作方式:(1)脉冲宽度调制式,简称脉宽调制(PulseWidthModulation,缩写为PWM)式。其主要特点是固定开关频率,通过改变脉冲宽度来调节占空比,实现稳压目的。其核心是脉宽调制器。开关周期的固定为设计滤波电路提供了方便。但是,它的缺点是受功率开关最小导通时间的限制,对输出电压不能作宽范围调节;此外,输出端一般要接假负载(亦称预负载),以防止空载时输出电压升高。目前,大多数的集成开关电源采用PWM方式。(2)脉冲频率调制方式,简称脉频调制(PulseFrequencyModulation,缩写为PFM)式。其特点是将脉冲宽度固定,通过改变开关频率来调节占空比,实现稳压的目的。其核心是脉频调制器。在电路设计上要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器中的锯齿波发生器,并利用电压∕频率转换器(例如压控振荡器VCO)改变频率。它的稳压原理是:当输出电压Uo升高时,控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长,使占空比减小,Uo降低。PFM式开关电源的输出电压调节范围很宽,输出端可不接假负载。PWM方式和PFM方式的调制波形分别如图1(a)、(b)所示,tp表示脉冲宽度(即功率开关管的导通时间tON),T代表周期。从中可以比较容易的看出两者的区别。但它们也有共同之处:①均采用时间比率控制(TRC)的稳压原理,无论是改变tp还是T,最终调节的都是脉冲占空比。尽管采用的方式不同,但控制目标一致,可谓殊途同归。②当负载由轻变重,或者输入电压从高变低时,分别通过增加脉宽、升高频率的方法使输出电压保持稳定。(3)混合调制方式,是指脉冲宽度与开关频率均不固定,彼此都能改变的方式,它属于PWM和PFM的混合方式。它包含了脉宽调制器和脉频调制器。由于tp和T均可单独调节,因此占空比调节范围最宽,适合制作供实验室使用的输出电压可以宽范围调节的开关电源。以上3种工作方式统称为“时间比率控制”(TimeRatioControl,简称TRC)方式。需要指出的是,脉宽调制器既可作为一片独立的集成电路使用(例如UC3842型脉宽调制器),亦可被集成在DC/DC变换器中(例如LM2576型开关稳压器集成电路),还能集成在AC/DC变换器中(例如TOP250型单片开关电源集成电路)。其中,开关稳压器属于DC/DC电源变换器,开关电源一般为AC/DC电源变换器。1.2变压器输出控制电路开关电源的典型结构如图2所示,其工作原理是:市电进入电源首先经整流和滤波转为高压直流电,然后通过开关电路和高频开关变压器转为高频率低压脉冲,再经过整流和滤波电路,最终输出低电压的直流电源。同时在输出部分有一个电路反馈给控制电路,通过控制PWM占空比以达到输出电压稳定。开关电源由以下4部分构成:(1)主电路:从交流电网输入,到直流输出的主要电路。主要包括输入电磁干扰滤波器、输入整流滤波器、高频变压器、功率开关管和输出整流滤波器。(2)控制电路:包括输出端取样电路、反馈电路和脉宽调制器(或通∕断控制电路)。(3)检测及保护电路:检测电路有过电流检测、过电压检测、欠电压检测、过热检测等;保护电路可分为过电流保护、过电压保护、欠电压保护、箝位保护、过热保护、自动重启动、软启动、缓启动等多种类型。(4)其他电路:如锯齿波发生器、偏置电路、光耦合器等。2终端设备的组成目前,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、通信设备中。而随着近些年来科学技术的不断发展,开关电源技术在实际需要的推动下快速的发展,具体的发展趋势可以总结为以下几个方面:(1)开关频率的影响开关频率的提高有利于开关电源的体积减小,重量减轻,动态响应得到改善。早期开关电源的频率仅为几千赫兹,随着电力电子器件及磁性材料性能的不断改进,开关频率渐渐地提高。在这个过程中,IGBT的出现,使得开关电源的容量不断增大,在许多中等容量范围内,迅速取代了晶闸管相控电源。并且,IGBT的开关速度很高,通态压降低。但是,随着开关频率的提高,电源的电磁干扰问题也变得突出起来。如何在提高开关频率的情况下,最大限度的减少电磁干扰对电源的影响,是一个摆在科研工作者面前的急需解决的问题。(2)降压式变压机近年来,非隔离DC/DC技术发展迅速。它们基本上可以分成两大类。一类在内部含有功率开关元件,称DC/DC转换器。另一类不含功率开关,需要外接功率MOSFET,称DC/DC控制器。按照电路功能划分,有降压的STEP-DOWN、升压的BOOST,还有能升降压的BUCK-BOOST或SEPIC等,以及正压转成负压的INVERTOR等。其中品种最多,发展最快的还是降压的STEP-DOWN。根据输出电流的大小,分为单相、两相及多相。控制方式上以PWM为主,少部分为PFM。目前一套电子设备或电子系统由于负载不同,会要求电源系统提供多个电压挡级。如台式PC机就要求有+12V、+5V、+3.3V、-12V四种电压以及待机的+5V电压,主机板上则需要2.5V、1.8V、1.5V甚至1V等。一套AC/DC中不可能给出这样多的电压输出,而大多数低压供电电流都很大,因此开发了很多非隔离的DC/DC。(3)dsp技术集成高频开关电源的另一发展趋势是数字化。过去在传统功率电子技术中,控制部分是按模拟信号来设计和工作的。随着数字处理技术的发展成熟,其优点明显便于计算机处理控制、避免模拟信号的畸变失真、减小杂散信号的干扰,提高抗干扰能力、便于软件包的调试和遥感遥测遥调,也便于自诊断、容错等技术的植入等。这类电源大体上包括两个部分,即硬件和软件。其中,硬件部分包括PWM的逻辑部分、时钟、放大器环路的模数转换、数模转换以及数字处理、驱动、同步整流的检测和处理等。而在软件方面可以通过DSP实现对PWM和PFC的数字式控制。因此,数字化是开关电源发展的必然方向。(4)与其他新兴技术的结合除了上述的三个方面的发展趋势之外,开关电源同一些新兴技术结合方面的内容也成为大家研究的方向,比如软开关技术、