开机预偏置电压问题研究设计

aaa开机预偏置电压问题研究摘要随着社会的发展以及人们生活水平的提高，市场对电子产品的需求越来越大，由于所有的电子产品都需要有电源对其供电，电源的性能和安全可靠性就显得至关重要。电源的高效率、低功耗、小体积、高可靠性已经成为大势所趋，在这种情况下，对电子产品电源安全性能的考虑是必要的。当电路由于各种原因出现反向电流时，若反向电流过大，不仅可能烧坏元器件，也可能对负载正常运行造成影响和安全隐患，甚至威胁人们的财产和生命安全。由此可见，对变换器反向电流的研究从各个角度来说都是很有价值的。本文主要阐述的是DC-DC变换器开机过程中的反向电流问题，对于DC-DC变换器来说，当主电路开关管占空比很小，且输出有一定预偏置电压时，可能导致输出电流反向累积，逐渐增大。在基本理论知识的基础上，为了防止过大的反向电流对负载正常运行造成的影响和安全隐患，本文在电路中增加了脉冲阻止电路，使电路在检测到电流反向时阻止续流开关管的导通脉冲传递至续流开关管，以阻止续流开关管导通，从而使反向电流无法通过续流开关管形成通路，即无法持续增大，从而达到有效遏制反向电流的目的。关键词：直流-直流变换器反向电流脉冲阻止预偏置aaaAbstractAsthesocietydevelopsandpeople’sstandardoflivingimproves,moreandmoreelectronicproductsareneededinthemarkets.Duetothedemandofsourcestopowerelectronicproducts,it’scrucialtopossessahighfunctionandreliabilityforapowersupply.Torealizethedemandofthepublic,sourcesofhighefficiency,lowpowerloss,smallvolumeaswellashighreliabilityhaverepresentedthegeneraltrend,soit’snecessarytolucubrateitssafetyperformance.Ifbyanychance,therebeareversecurrentandthecurrentbelarge,thismayruindevicesortriggersafetrouble,andeventhrowathreattopeople’ssafetyoflife.Fromallofthese,wecansee,it’sofgreatvaluetoresearchthereversecurrent.AsfortheDC-DCconverter,withadinkydutyratioandpre-biasvoltage,thecircuitcanownanincreasingreverseoutputcurrent.Elaboratedonthebasictheoreticalknowledge,topreventthereversecurrentincreasingproblem,whenreversecurrentdetected,apulseblockingcircuitisintroducedtopreventthefreewheeltriodefromconducting,soastostoptheloopofthereversecurrent,sothecurrentwillbeunabletobecomebigger,thatisthepurposetocurbthereversecurrentproblem.Keywords:DC-DCconverterreversecurrentpulseblockpre-biasaaa目录摘要 ⅡAbstract 3第一章绪论 51.1直流变换器国内外发展状况 51.2开关电源发展趋势 6第二章PSPICE仿真平台 72.1PSPICE发展与优势 72.2模拟功能 8第三章DC-DC变换器基本原理 103.1DC-DC转换器系统 103.1.1boost型DC-DC转换器 103.1.2buck型DC-DC转换器 113.1.3buck/boost型DC-DC转换器 123.1.4电源控制技术 133.2软开关技术 143.2.1准谐振电路 183.2.2零开关PWM 203.3变换器开关管驱动电路 233.3.1驱动电路要求 23aaa3.3.2几种MOSFET驱动电路介绍及分析 23第四章变换器开机问题解决方法研究 304.1预偏置时DC变换器出现的反向电流问题 304.2预偏置时输出电流理论分析 314.3预偏置开机问题的PSpice软件模拟 324.4预偏置时开机问题解决方案 334.4.1添加简单脉冲阻止电路 344.4.2添加改进的脉冲阻止电路 35第五章结论 38致谢 39参考文献 40第一章绪论1.1直流变换器国内外发展状况直流-直流变换器是直流电源二次侧核心部分，我国的直流电源技术研究，从理论到实验、仿真，与世界水平比较是不低的，在一些方面还常有突破，但是在产品方面，结构和工艺的差距就明显了。现在看来，我国电源企业据统计有几千家。有条件的企业能实现整机系统集成、全自动化的生产，产品体积小，具有明显优势，若价格便宜又能大量供货，自然就会占领市场。而那些中小企业或者被兼并或者自然淘汰。aaa现在我国一些大公司生产的直流开关电源，性能完全可以和进口产品竞争，因而已有一定数量的出口。在国内的研究领域已出现了一些可喜的动向，如对0.8V/50A电源模块的开发研究，合理选择优化的电路拓扑是重要的，工艺结构可能更重要。因为如此低的电压和大电流输出，如果用器件间的导线联接将很难达到技术要求，因此迫使原来作电路拓扑研究的人不得不考虑器件的更合理布局，同时采用集成的工艺结构，以尽量减小内部导线的压降损耗。这也说明作电路拓扑研究的人员，要了解和研究系统集成的知识。某些境外公司在国内设置的电源技术研究开发机构，近年来也投入技术力量与资金，成立了系统集成的有关内容，作为应用基础研究的重点，并加大资助强度，这将对我国电力电子系统集成的研究起到非常好地导向作用[1]。自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。随着集成电路的发展，直流-直流开关电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化。近20年来，集成开关电源沿两个方向发展。第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成脉宽调制(PWM)控制器集成电路，美国Motorola公司、SiliconGeneral公司、Unitrode公司等相继推出一系列PWM芯片。近些年来，国外研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片。第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。1994年，美国电源集成公司(PowerIntegrations)在世界上率先研制成功三端隔离式PWM型单片开关电源，其属于AC/DC电源变换器。之后相继推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列产品。意-法半导体公司最近也开发出VIPer100、VIPer100A、VIPer100B等中、小功率单片电源系列产品，并得到广泛应用。目前，单片直流开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。单片开关电源自问世以来便显示出强大的生命力，其作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。1.2开关电源发展趋势目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫，为提高开关频率，须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。直流开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面。aaa一、小型化、薄型化、轻量化、高频化———开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积；在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。二、高可靠性———开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。三、低噪声———开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。四、采用计算机辅助设计和控制———采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。开关电源被誉为高效能电源，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。采用了高频变压器和控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳定、可靠性高等特性，是今后电源的发展趋势。开关电源产品的主要特点是体积小、重量轻、效率高，正在向着模块化、扩大输出电压范围、提高输入端功率因数、抗电磁干扰性强以及附加备用电池的方向发展。在开关电源领域，正展开一系列的技术更新，例如功率因数的校正、相位调制、高频电源、零电压和零电流转换以及单片式调节器等。这些改进，使开关电源的性能和效率大为提高，使其应用范围大大拓宽，尤其是在新兴的通信领域大有用武之地[1]。aaa第二章PSPICE仿真平台2.1PSPICE发展与优势（1）起源与发展用于模拟电路仿真的SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。SPICE的正式版SPICE2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写，并由MICROSIM公司推出。1988年SPICE被定为美国国家工业标准。与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。PSPICE采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图形界面。1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSPICE产品正式并入ORCAD公司的商业EDA系统中。不久之后，ORCAD公司已正式推出了ORCADPSPICERelease10.5，与传统的SPICE软件相比，PSPICE10.5在三大方面实现了重大变革：首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行，而且能够对数字电路、数/模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。PSPICE软件的使用已经非常流行。在大学里，它是工科类学生必会的分析与设计电路工具；在公司里，它是产品从设计、实验到定型过程中不可缺少的设计工具。（2）组成PSPICE是计算机辅助分析设计中的电路模拟软件。它主要用于所设计的电路硬件实现之前，先对电路进行模拟分析。用户根据要求来设置不同的参数，分析电路的频率响应，测试电路的瞬态响应，还可以对电路进行交直流分析、噪声分析、最坏情况分析等，使用户的设计达到最优效果。一个新产品的研制过程需要经过工程估算、试验板搭试、调整，印刷板排版与制作，装配与调试，性能测试，测试指标不合格，再从调整开始循环，直至指标合格为止。而仿真技术可将aaa“实验”与“修改”合二为一。（3）优越性PSPICE软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。这些特点使得PSPICE受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎，国内许多高校已将其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程。在电路系统仿真方面，PSPICE可以说独具特色，是其他软件无法比拟的，它是一个多功能的电路模拟试验平台，PSPICE软件由于收敛性好，适于做系统及电路级仿真，具有快速、准确的仿真能力。a)图形界面友好，易学易用，操作简单由Dos版本的PSPICE到Windows版本的PSPICE，使得该软件由原来单一的文本输入方式而更新升级为输入原理图方式，使电路设计更加直观形象。只要熟悉Windows操作系统就很容易学，利用鼠标和热键一起操作，既提高了工作效率，又缩短了设计周期。在PSPICE中，对元件参数的修改很容易，它只需存一次盘、创建一次连接表，就可以实现一个复杂电路的仿真。b)功能强大，集成度高在PSPICE内集成了许多仿真功能，如：直流分析、交流分析、噪声分析、温度分析等，用户只需在所要观察的节点放置电压（电流）探针，就可以在仿真结果图中观察到其“电压（或电流）-时间图”。而且该软件还集成了诸多数学运算，不仅提供基本的数学运算，还提供了正弦、余弦、绝对值、对数、指数等基本的函数运算。另外，用户还可以对仿真结果窗口进行编辑，如添加窗口、叠加图形等，还具有保存和打印图形的功能，这些功能都给用户提供了制作所需图形的一种快捷、简便的方法。2.2模拟功能PSPICE程序的主要功能有非线性直流分析、非线性暂态分析、线性小信号交流分析、灵敏度分析和统计分析。aaa（1）直流分析非线性直流分析功能简称直流分析。它是计算直流电压源或直流电流源作用于电路时电路的工作状态。对电路进行的直流分析主要包括直流工作点分析、直流扫描分析和转移函数分析。直流工作点是电路正常工作的基础。通过对电路进行直流工作点的分析，可以知道电路中各元件的电压和电流，从而知道电路是否正常工作以及工作的状态。一般在对电路进行仿真的过程中，首先要对电路的静态工作点进行分析和计算。直流扫描分析主要是将电路中的直流电源、工作温度、元件参数作为扫描变量，让这些参量以特定的规律进行扫描，从而获取这些参量变化对电路各种性能参数的影响。直流扫描分析主要是为了获得直流大信号暂态特性。与直流扫描分析相类似的还有温度分析。在这种分析过程中，将电路的温度作为扫描变量进行分析。因为电路的主要器件的特性都是与温度有关的，所以这就为分析电路在环境变化是的工作情况提供了一种非常有用的工具。通过这种分析，我们可以预测电路某些特殊环境如极端温度条件或极端电源电压条件下电路的工作情况，从而在进行电路设计时采取必要的预防措施。（2）暂态分析非线性暂态分析简称为暂态分析。暂态分析计算电路中电压和电流随时间的变化，即电路的时域分析。时域分析是指在某一函数激励下电路的时域响应特性。通过时域分析，设计者可以清楚地了解到电路中各点的电压和电流波形以及它们的相位关系，从而知道电路在交流信号作用下的工作状况，检查它们是否满足电路设计的要求。（3）交流分析线性小信号交流分析简称为交流分析。它是在交流小信号的条件下，对非线性元件选择合适的线性模型将电路在直流工作点附近线性化，范围内对电路输入计算出电路的幅频特性、相频特性、输入电阻、输出电阻等。这种分析等效于电路的稳态分析即频域分析。频域分析用于分析电路的频域响应即频率响应特性。小信号转移特性分析主要分析在小信号输入的情况下，电路的各种转移函数，通常分析的是电路的电压放大倍数。在模拟电路中，无源器件和有源器件均会产生噪声，主要包括电阻上产生的热噪声，半导体器件产生的散粒噪声和闪烁噪声。通过噪声分析可以计算出各器件在某一输出节点产生的总噪声以及某一输入节点的等效输入噪声。从而可以分析一个电路产生噪声的主要来源，采取一定的电路设计措施来减小噪声的影响。（4）灵敏度分析灵敏度分析包括直流灵敏度分析和蒙特卡罗分析两种。aaa直流灵敏度分析业称为灵敏度分析。它是在工作点附近将所有的元件线性化后，计算各元器件参数值变化时对电路性能影响的敏感程度。通过对电路进行灵敏度分析，可以预先知道电路中的各个元件对电路的性能影响的重要程度。对于那些对电路性能有重要影响的元件，要在电路的生产或元件的选择时给予特别的关注。（5）仿真步骤1)放置所需元件（包括电源）；2)连接导线；3)设定要执行的模拟内容；4）设定Probe；5）执行模拟。6）利用Probe观察模拟结果。第三章DC-DC变换器基本原理3.1DC-DC转换器系统3.1.1boost型DC-DC转换器boost型DC-DC转换器是一种升压型DC-DC变换电路，输出电压大于输入电压。VT的占空比Dy必须小于1。输入电流连续[2]。图1boost型DC-DC转换器boost变换器的参数计算与器件选择：流过电感L的电流最大值(1)其中为输入电流，为负载电流，为占空比，为开关频率。开关管VT和续流二极管D承受的最大电压为。开关管VT和续流二极管D的电压定额为aaa(2)开关管VT和续流二极管D的电流定额为(3)滤波电感的计算，由(4)得滤波电感量为(5)滤波电容的计算，如果输出电压脉动很小，则输出脉动电压由下式决定：(6)滤波电容量为(7)3.1.2buck型DC-DC转换器buck型DC-DC转换器是一种降压型DC-DC变换电路，输出电压小于或等于输入电压。输入电流断续。图2buck型DC-DC转换器buck变换器的参数计算与器件选择：流过电感L的电流最大值(8)其中为负载电阻，为负载电流，为占空比，为开关周期。开关管VT和续流二极管D承受的最大电压为。开关管VT和续流二极管D的电压定额为(9)开关管VT和续流二极管VD的电流定额为aaa(10)滤波电感的计算，由(11)得滤波电感量为(12)当=0.5时，L最大。滤波电容的计算，电容C在一个开关周期内的充电电荷为(13)输出脉动电压为(14)滤波电容量为(15)3.1.3buck/boost型DC-DC转换器Buck/Boost型是一种升降压型DC-DC变换电路，输出电压大于或小于输入电压。输出电压极性和输入电压极性相反。输入电流断续[3]。图3buck/boost型转换器功率开关管Vt导通时，隔离二极管D因承受反向偏压而关断。输入电源电压Uin加在贮能电感L两端，电感电流为(16)功率开关管导通结束（t=ton）时，流过电感中的电流达到最大值，即aaa(17)功率开关管关断时，电感两端产生反向电压，即下端为正，上端为负。隔离二极管D因承受正向电压而导通，忽略D的正向电压降，电感两端的电压即为输出电压Uo，即(18)功率开关管关断期间，电感L中的贮能通过负载电阻RL和滤波电容C释放，iL由最大值开始下降：(19)当VT关断结束（t=ton+toff）时，电感电流下降到最小值，即(20)将电感电流的最小值代入表达式中，可得(21)由上式可见，当占空比大于0.5时，输出电压高于输入电压；当占空比小于0.5时，输出电压低于输入电压，因此，该电路称为升压/降压型DC-DC转换器[4]。3.1.4电源控制技术（1）PWM控制PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。在采样控制理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理。以正弦PWM控制为例。把正弦半波分成N等分，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于

N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲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部分面积(冲量)相等，就得到PWM波形。各PWM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，PWM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PWM波形。可见，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。aaa（2）PFM控制PFM是一种脉冲调制技术，调制信号的频率随输入信号幅值而变化，其占空比不变。由于调制信号通常为频率变化的方波信号，因此，PFM也叫做方波FM，PWM是频率的宽和窄的变化,PFM是频率的有和无的变化,PWM是利用波脉冲宽度控制输出,PFM是利用脉冲的有无控制输出.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UCl842／2842／3842、TDAl6846、TL494、SGl525／2525／3525等；PFM具有静态功耗小的优点，但它没有限流的功能也不能工作于连续导电方式，具有PFM功能的集成芯片有MAX641、TL497等；其基本工作原理就是当输出电压Vo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，Vo降低。最近几年PFM控制方式在开关电源中使用日益增多，具有以下优点：在轻负载下效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高。存在以下缺点：负载调整范围窄，滤波成本高[5]。（3）PWM/PFM控制对于额定功率时工作在PWM模式的开关电源，也可以通过切换至PFM模式提高待机效率，即固定开通时间，调节关断时间，负载越低，关断时间越长，工作频率也越低。将待机信号加在其PW/引脚上，在额定负载条件下，该引脚为高电平，电路工作在PWM模式，当负载低于某个阈值时，该引脚被拉为低电平，电路工作在PFM模式。实现PWM和PFM的切换，也就提高了轻载和待机状态时的电源效率。通过降低时钟频率和切换工作模式实现降低待机工作频率，提高待机效率，可保持控制器一直在运作，在整个负载范围中，输出都能被妥善的调节。即使负载从零激增至满负载的情况下，能够快速反应，反之亦然。输出电压降和过冲值都保持在允许范围内[7]。aaa（4）PSM控制PSM调制方式是开关电源中一种新的控制方式，称为脉冲跨周调制。将负载端反馈信号转换为数字电平，在时钟上升沿检测该反馈信号电平决定是否在该时钟周期内工作，调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。其工作波为图4PSM工作波形目前PSM控制方式已经用于开关电源，具有以下优点：在负载较轻时率很高，工作频率高，频率特性好，功率管开关次数少，适用于小功率电源管理IC。存在如下缺点：输出纹波大，输入电压调整能力弱[6]。3.2软开关技术开关分为软开关和硬开关，其中硬开关的特点为：开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的开关损耗。电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了开关噪声。如图开关损耗与开关频率之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著。硬开关电路及其导通与关断过程波形图如图5至图8所示[7]。aaa图5硬开关降压型电路图图6硬开关降压型理想化波形totouipouituuiiPo图7硬开关关断过程aaa图8硬开关开通过程对应的软开关电路图如图9所示。图9软开关降压型电路图其特点：软开关电路中增加了谐振电感Lr和谐振电容Cr，与滤波电感L、电容C相比，Lr和Cr的值小得多，同时开关S增加了反并联二极管，而硬开关电路中不需要这个二极管。降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限制了开关过程中电压和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小。其电压、电流波形图如图10至图12所示[8]。aaa图10理想化波形uiouioittou图11软开关关断过程图12软开关开通过程aaa3.2.1准谐振电路（1）零电压准谐振在基本Buck变换器电路中加入Lr、Cr，变成并联电容型零电压开关，构成零电压型准谐振Buck变换器，如下图所示。图13零电压型准谐振Buck变换电路零电压型准谐振Buck变换器也可分为六个工作阶段，如图14所示。图14零电压准谐振工作波形图选择开关VT1的关断时刻为起始点。t0之前，开关管Q1处于导通状态，二极管D处于截止状态，Cr上的电压UCr=0，流过Lr的电流为输出电流Io。t0-t1阶段，开关管VT1在t0时刻关断，输出电流Io流过电容Cr，对Cr充电，Craaa两端的电压VCr线性上升，二极管D还是处于截止状态，D两端的电压UD下降。当VCr上升到输入电压Uin时，二极管D两端的电压UD下降到零，D导通，这个阶段结束。t1-t2阶段，t1时刻VCr=Uin，UD=0，二极管D导通，电感Lr和电容Cr开始谐振，开关管VT1上的电压UCr为正弦波，UCr上升，iLr下降。当UCr谐振到峰值，iLr下降到零，这个阶段结束。t2-t3阶段，t2时刻，iLr=0，LrCr继续谐振，iLr改变方向，UCr下降，当UCr=Vin时，iLr达到反向谐振峰值，这个阶段结束。t3-t4阶段，t3时刻以后，UCr继续下降，iLr反向减小，直到UCr=0，这个阶段结束。t4-t5阶段，UCr箝位在零，Q1的反并联二极管VD导通，iLr反向线性减小，直到iLr=0，这个阶段结束。这个阶段Q1在零电压导通。t5-t6阶段，Q1已导通，iLr线性上升，直到t6时刻，iLr=Io，D关断。一个周期结束。调节这个时间段长度可调节输出电压，这种调节方式也是调节开关周期实现调压，不过是Q1的关断时间固定，不能小于t0-t4时间段[9]。（2）零电流准谐振在基本Buck变换器电路中加入Lr、Cr，变成串联电感型零电流开关，构成零电流型准谐振Buck变换器，如图15所示。在分析过程中，假定电感Lf很大，输出电流为恒电流Io。其工作波形如图16所示。图15零电流型准谐振Buck变换电路aaa图16零电流型准谐振工作波形图t0-t1阶段，开关管Q1在t0时刻导通，由于电感Lr的作用，Q1在零电流下导通。由于iLr<Io，iLr在Vin的作用下线性上升。t1时刻，iLr上升到输出电流Io，这个阶段结束。t1-t2阶段，t1时刻，iLr上升到输出电流Io，二极管D截止，电感Lr和电容Cr开始谐振，通过开关管Q1上的电流iLr近似为正弦波，加在二极管VD上的电压和谐振电容上的电压一样，也是正弦波，其峰值达到两倍的输入电压。iLr上升后下降，ta时刻，iLr下降到零后，iLr通过Q1的反并联二极管VD继续向反方向谐振，并将能量反馈给输入电源。tb时刻当iLr再次谐振回到零，这个阶段结束。在ta到tb时间段内，VT1是以零电流关断。t2-t3阶段，在这一个时间段，开关管Q1已断开，二极管D还处于截止状态，输出电流Io通过Cr流通，电容Cf处于线性放电状态。t3-t4阶段，t3时刻Cr上的电压为零，二极管D导通，输出电流Io通过二极管D续流，电容电压被箝位在零，这时有：iLr=0。VCr=0。这个时间段长度取决于开关周期。调节这个时间段长度可调节输出电压，这种调节方式是调节开关周期实现调压，也就是调频调压。Q1的导通时间固定，不能小于t0-ta时间段。3.2.2零开关PWM零开关PWM转换器可分为零电压开关PWM转换器和零电流开关PWM转换器[10]。该类转换器是在准谐振转换器的基础上，加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程，实现恒定频率控制，即实现PWM控制。与准谐振转换器不同的是，谐振元件的谐振工作时间与开关周期相比很短，一般为开关周期的1/10~1/5。aaa零电压开关PWM：下图为零电压开关PWM电路图图17零电压开关PWM其中，VT1为主开关管，VT2为辅助开关管，Lr与Cr分别为谐振电感与谐振电容。下图为该转换器在一个PWM周期内的工作波形：图18零电压PWM一个周期工作波形图ZVSPWM转换器可以实现恒频控制的ZVS，而且电流应力小，但电压应力较大。由于电感串联在主回路中，实现ZVS的条件与电源电压及负载的变化有关。零电流开关PWM：下图为零电流PWM转换器电路图aaa图19零电流PWM转换器其中，VT1为主开关管，VT2为辅助开关管，VDT1和VDT2分别为与主开关管与辅助开关管反并联的场效应管的体内二极管，Lr与Cr分别为谐振电感与谐振电容。下图为该转换器在一个PWM周期内的工作波形：图20零电流PWM一个周期工作波形图Buck型ZCS-PWM电路的最大优点是实现了恒频控制的ZCS工作方式，且主开关管与辅助开关管的电压应力小，在一个周期内承受的最大电压为电源电压，但续流二极管承受的电压应力较大，最大时为两倍的电源电压，而且由于谐振电感在主电路中，使得实现ZCS的条件与电源电压和负载变化有关[11]。aaa3.3变换器开关管驱动电路3.3.1驱动电路要求直流开关电源由于体积小、重量轻、效率高等优点,应用已越来越普及。MOSFET由于开关速度快、易并联、所需驱动功率低等优点已成为开关电源最常用的功率开关器件之一。而驱动电路的好坏直接影响开关电源工作的可靠性及性能指标。一个好的MOSFET驱动电路的要求是：

（1）开关管开通瞬时,驱动电路应能提供足够大的充电电流使MOSFET栅源极间电压迅速上升到所需值,保证开关管能快速开通且不存在上升沿的高频振荡;

（2）开关管导通期间驱动电路能保证MOSFET栅源极间电压保持稳定使可靠导通;

（3）关断瞬间驱动电路能提供一个尽可能低阻抗的通路供MOSFET栅源极间电容电压的快速泄放,保证开关管能快速关断;

（4）关断期间驱动电路最好能提供一定的负电压避免受到干扰产生误导通;（5）另外要求驱动电路结构简单可靠,损耗小,最好有隔离[12]。3.3.2几种MOSFET驱动电路介绍及分析

(1)不隔离的互补驱动电路(a)(a)aaa(b)(b)(a)简单的小功率驱动电路（b）开关速度要求较高的驱动电路图21常用的不隔离的互补驱动电路

图21（a）为常用的小功率驱动电路,简单可靠成本低。适用于不要求隔离的小功率开关设备。图21(b)所示驱动电路开关速度很快,驱动能力强,为防止俩个MOSFET管直通,通常串接一个0.5～1Ω小电阻用于限流,该电路适用于不要求隔离的中功率开关设备。这两种电路结构特简单[13]。

功率MOSFET属于电压型控制器件,只要栅极和源极之间施加的电压超过其阈值电压就会导通。由于MOSFET存在结电容,关断时其漏源两端电压的突然上升将会通过结电容在栅源两端产生干扰电压。常用的互补驱动电路的关断回路阻抗小,关断速度较快,但它不能提供负压,故其抗干扰性较差。为了提高电路的抗干扰性,可在此种驱动电路的基础上增加一级由V1、V2、R组成的电路,产生一个负压,电路原理图如图22(a)所示。(a)(a)aaa(b)(b)(a)双电源互补驱动（b）单电源互补驱动图22提供负压的互补驱动当V1导通时,V2关断,两个MOSFET中的上管的栅、源极放电,下管的栅、源极充电,即上管关断、下管导通,则被驱动的功率管关断;反之V1关断时,V2导通,上管导通,下管关断,使驱动的管子导通。因为上下两个管子的栅、源极通过不同的回路弃、放电,包含有V2的回路由于V2会不断退出饱和直至关断,对于S1而言导通比关断要慢,对于S2而言导通比关断要快,而两管发热程度也不完全一样,S1比S2要严重。

该驱动电路的缺点是需要双电源,且由于R的取值不能过大,否则会使V1深度饱和,影响关断速度,所以R上会有一定的损耗。

还有一种与其相类似的电路如图22(b)所示,改进之处在于它只需要单电源。其产生的负压由5.2V的稳压管提供。同时PNP管换成NPN管。在该电路中的两个MOSFET中,上管的发热情况要比下管较轻,其工作原理同上面分析的驱动电路(2)隔离的驱动电路(a)(a)aaa(b)(b)（a）正激式驱动电路（b）等值电路

图23正激式驱动电路（a）（a）（b）（b）（a）去磁绕组导通（b）去磁绕组不导通图24正激式驱动电路工作波形正激式驱动电路

电路原理图如图23(a)所示,N3为去磁绕组,S2为所驱动的功率管。R2为防止功率管栅极、源极端电压振荡的一个阻尼电阻。因变压器漏感较小,且从速度方面考虑,一般R2较小,故在分析中忽略不计。

其工作波形分为两种情况,一种为去磁绕组导通的情况,见图24（a）;一种为去磁绕组不导通的情况,见图24(b)。

等值电路图如图23(b)所示,脉冲变压器的副边并联aaa—电阻R1,它做为正激式变换器的假负载,用于消除关断期间输出电压发生振荡而误导通,见图25[14]。图25正激式驱动不加负载时的实验波形同时它还可作为功率MOSFET关断时的能量泄放回路。该驱动电路的导通速度主要与被驱动的S2栅源极等效输入电容的大小、S1的驱动信号的速度以及S1所能提供的电流大小有关。由仿真及分析可知,占空比D越小、R1越大、L越大,磁化电流越小,U1值越小,关断速度越慢。

该电路具有以下优点：①电路结构简单可靠,实现了隔离驱动。②只需单电源即可提供导通时正、关断时负压。③占空比固定时,通过合理的参数设计,此驱动电路也具有较快的开关速度。该电路存在的缺点：一是由于隔离变压器副边需要一个假负载防震荡,故该电路损耗较大;二是当占空比变化时关断速度变化加大。脉宽较窄时,由于是贮存的能量减少导致MOSFET栅极的关断速度变慢。表1为不同占空比时关断时间toff（驱动电压从10伏下降到0伏的时间）内变化情况。

表1不同占空比时toff的变化情况占空比0.30.370.45toff(微秒）aaa（a）（a）(b)(b)（a）D<0.5（b）D>0.5图26有隔离变压器的互补驱动b.有隔离变压器的互补驱动电路

如图26(a)所示,V1、V2为互补工作,电容C起隔离直流的作用,T1为高频、高磁率的磁环或磁罐。占空比D<0.5,导通时隔离变压器上的电压为(1－D)Ui、关断时为DUi,若主功率管S可靠导通电压为12V,则隔离变压器原副边匝比N1/N2为12/(1－D)/Ui。为保证导通期间GS电压稳定C值可稍取大些。实验波形见图27(a)。该电路具有以下优点：

①电路结构较简单可靠,具有电气隔离作用。当脉宽变化时,驱动的关断能力不会随着变化。

②该电路只需一个电源,即为单电源工作。隔直电容C的作用可以在关断所驱动的管子时提供一个负压,从而加速了功率管的关断,且有较高的抗干扰能力。aaa（a）（a）(b)(b)（a）D<0.5(b)D>0.5

图27有隔离变压器的互补驱动的实验波形但该电路所存在的一个较大缺点是输出电压的幅值会随着占空比的变化而变化。当D较小时,负向电压小,该电路的抗干扰性变差,且正向电压较高,应该注意使其幅值不超过MOSFET栅极的允许电压。当D大于0.5时驱动电压正向电压小于其负向电压,此时应该注意使其负电压值不超过MOSFET栅极的允许电压。所以该电路比较适用于占空比固定或占空比变化范围不大以及占空比小于0.5的场合。

图26(b)为占空比大于0.5时适用的驱动电路,其中Z2为稳压二极管,此时副边绕组负电压值较大,Z2的稳压值为所需的负向电压值,超过部分电压降在电容C2上,其实验波形见图27(b)[15]。

aaa变换器开机问题解决方法研究4.1预偏置时DC变换器出现的反向电流问题随着电子技术、计算机技术和信息技术的飞速发展，低压、大电流的DSP、微处理器等大规模集成芯片越来越多的应用到各个系统的设计中，导致：1、能大大提高DC/DC开关电源的效率和热性能的同步整流器已经广泛的应用到各种DC/DC开关电源中。2.系统必须有不同的电压同时供电，使电路在有预偏置时由于同步整流的存在，产生输出启动波形不单调、重新启动或甚至损坏模块的现象。在直流-直流变换器领域，普遍采用同步整流技术，但是采用同步整流技术的直流-直流变换器中的能量能够双向流动，比如buck变换器，当输出电压大于输入电压与占空比的乘积时，电流将会由输出端流向输入端，如果把buck变换器的输入端看做输出端，而把输出端看做输入端，此时，buck变换器实际上是一个boost变换器。电流反向流动的现象普遍存在，在实际应用中可能造成问题，尤其是变换器在预偏置的情况下开机时，即在变换器输出端已经存在一定电压的情况下开机时，反向电流可能会非常大，因为在大部分变换器中，为了获得平滑的启动效果，会设置软启动电路，使变换器开机后变换器内驱动电压的占空比逐渐增大，所以在变换器刚开机时驱动电压的占空比很小，此时就会产生反向电流，在驱动电压的占空比增大到足以使输入电压和输出电压达到平衡之前，反向电流会不断增大，反向电流太大可能会造成变换器的器件应力过大而导致失效，缩短直流-直流变换器的使用寿命。此外，也会造成输出电压跌落过大而导致负载电路不能保持正常运行。aaa4.2预偏置时输出电流理论分析图28经典BUCK变换器如图28所示，大部分变换器为了获得平滑启动的效果，会设置软启动电路，使开机后变换器开关管的驱动电压占空比从一个很小值逐渐增大[14]。由于Q1和Q2驱动电压信号相反，启动阶段，在如图的开关管Q1导通时，输出电压约等于输入电压，输入电压大于预偏置电压，此时，输出电流为正向，即图中IL所示方向。开关管Q1关断时，偏置电压可以看做电压源，此时由于开关管Q2导通，电源通过电感L和开关管Q2放电，电流IL从Q1关断时刻的电流值开始减小。因为启动时驱动电压占空比很小，一个周期内，低电平持续的时间比高电平持续的时间多的多，导致一个周期结束，即下一次Q1导通，Q2关断时，电流IL为负值，然后在Q1导通、Q2关断整个阶段，输入电压经过Q1和电感L放电，电流有恢复正向流动的趋势，IL反向电流减小。但是因为驱动电压占空比很小，直到Q1导通结束时，电流IL还没有恢复到正向，此后Q1又关断，Q2又导通，电流在还没有恢复到正向的情况下，又开始反向增大。以此类推，输出电流IL在Q1与Q2的交替导通与关断中，不断反向增大，导致启动结束时，输出的反向电流很大，理论分析输出电流IL波形如图29所示。aaa图29输出电流理论波形从图中可以看出，刚开机阶段，电路输出电流为正，由于占空比较小，正向电流只维持非常短的时间，此后电流会反向流动，并逐渐反向增大，这种情况下，如果不能及时采取措施限制反向电流，极有可能对电路造成很大影响。4.3预偏置开机问题的PSpice软件模拟buck变换器的PSPICE环境下的仿真电路如图30所示。开关管Q1、Q2驱动电压波形如图31、图32所示。图30PSpice中buck变换器原理图图30所示电路中，Q1为变换器主开关管，Q2为续流开关管，Q1和Q2的驱动脉冲占空比之和为1，L1为输出电感，流过电感的电流为输出电流IL。tutu图31Q1驱动电压波形aaa如图31所示，开机时，主开关管驱动脉冲占空比非常小，每个周期内导通时间较短，大部分时间处于关断状态。如图32所示，续流开关管Q2的驱动脉冲占空比较大，每个周期内大部分处于导通状态。由于预偏置电压的存在，续流开关管导通时间很长，导致预偏置电压通过续流开关管放电，出现反向电流。tutu图32Q2驱动电压波形图33是PSPICE软件下BUCK变换器有预偏置电压时的输出电流波形，其中IL为流过变换器输出电感的输出电流。tILtIL图33预偏置时buck变换器输出电流波形由图中可以看到，初始阶段，电流从零逐渐正向增加，很快又减小，直至减至负值-4A左右，此后电流有所上升，但仍反向，之后继续反向增大，在350us时，已达到-8A左右。曲线总体趋势为下降，与图29所示理论曲线相吻合。4.4预偏置时开机问题解决方案过大的反向电流可能会引起电路中元器件剧烈发热，大大缩短直流-直流变换器的使用寿命，烧毁器件和负载设备，造成很大的经济损失，甚至引起元器件绝缘等功能丧失，造成安全隐患，对工业、科研生产都会产生不利影响[15]。鉴于以上种种弊端，应设法阻止输出电流的层层累积效应，以保护电路和设备。在电路中增设脉冲阻止电路，通过脉冲阻止电路检测到输出存在反向电流时，阻止直流-直流变换器中的导通驱动脉冲信号传递至功能开关管，从而阻止功能开关管的导通，功能开关管为直流-直流变换器中的续流开关管，阻止了开关管中反向电流不断增大，将反向电流限制在较小的程度，避免了直流-直流变换器中的器件因应力过大而失效的现象，保护了元器件和设备，延长了直流-直流变换器的使用寿命。其示意图如图34所示：aaa直流-直流变换器脉冲阻止电路图34脉冲阻止电路示意图4.4.1添加简单脉冲阻止电路图35所示电路为添加了简单脉冲阻止电路的BUCK变换器电路图。图35添加脉冲阻止电路后的buck电路其中Q3为阻断开关管，TX1为电流互感器，一端与阻断开关管Q3的栅极相连，一端和Q3的源极以及Q2的栅极相连，阻断开关管Q3的漏极和续流开关管的驱动导通信号相连，TX1用于检测Q1中是否存在反向电流，当电流传感器检测到电感L中有反向电流时，Q3栅源极反向偏置，Q3关断，阻止续流开关管Q2导通的驱动脉冲传至续流开关管Q2。由于脉冲阻止电路防止了反向的电感电流IL的逐渐积累，因此buck变换器预偏置条件下开机后的最大反向电流也就被限制在较小的范围内，如图36所示。aaaILtILt图36添加脉冲阻止电路后buck电路的输出电流波形图从图36中可以看到，电路中增加了脉冲阻止电路以后，输出最大反向电流幅值不超过3A，基本在0A到2.25A左右震荡，输出电流逐渐积累变大的趋势被很好的遏制。4.4.2添加改进的脉冲阻止电路虽然添加简单脉冲阻止电路可以有效遏制反向电流循环增大，然而被遏制的输出电流仍然处在安培级，对于很多负载来说，电流仍然太大，所以在脉冲阻止电路的基础上，要使输出电流幅值变小到负载的安全电流。对图35进行分析可知，阻断开关管Q3关断的快慢会直接影响到输出电流的最大幅值，因此，若使阻断开关管Q3在TX1检测到反向电流时能迅速关断，则输出反向电流幅值就会很小，以此思路为准，将TX1输出端均设置电压放大电路，目的是使TX1检测到有很小的反向电流时，即有很大的关断电压将阻断开关管Q3迅速关断，达到减小输出反向电流的作用，电路原理图如图37所示。其中，TX1为电流互感器，用以检测输出电流IL，当检测到输出电流反向时予以动作处理。在