毕业论文-开关电源设计.doc
- 文档编号:137637
- 上传时间:2022-10-04
- 格式:DOC
- 页数:55
- 大小:1.57MB
毕业论文-开关电源设计.doc
《毕业论文-开关电源设计.doc》由会员分享,可在线阅读,更多相关《毕业论文-开关电源设计.doc(55页珍藏版)》请在冰豆网上搜索。
兰州交通大学毕业设计(论文)
摘要
开关电源因其具有稳压输入范围宽、效率高、功耗低、体积小、重量轻等显著特点而得到了越来越广泛的应用,从家用电器设备到通信设施、数据处理设备、交通设施、仪器仪表以及工业设备等都有较多应用,尤其是作为便携式产品的电池提供高性能电源输出,比其他结构具有不可超越的优势。
开关电源的稳定性直接影响着电子产品的工作性能,误差放大器是直流开关电源系统中电压控制环路的核心部分,其性能优劣直接影响着整个直流开关电源系统的稳定性,因而对高性能误差放大器的分析是本论文的主要研究目标。
本文误差放大器的分析基于Buck型DC-DC转换器,从系统稳定性、负载调整率及响应速度要求的角度出发,首先对该款Buck型DC-DC转换器的系统电压控制环路进行小信号分析,并对控制环路进行了零极点分布分析,确定环路补偿策略。
最后基于系统级来分析误差放大器。
关键词:
开关电源;Buck型DC-DC转换器;误差放大器。
Abstract
Duetotheirmeritsofwideinputrange,highefficiency,smallinsizeandlightinweightect,switchingpowersuppliesaregainingmoreandmoreapplicationareasintoday’smodernworld,rangingfromdomesticequipmentstosophisticatedcommunicationanddatahandlingsystems,especiallyinportabledevices,theyhaveunsurpassableadvantages.
Therapiddevelopmentofproductsincorrespondingapplicationareasrequiresthepowersuppliestohavebetterperformances.Therobustnessofswitch—modepowersuppliesdirectlyaffecttheperformanceofelectronicdevices.AsoneofthemostimportantpartsofswitchedmodeDCtoDCconverters,erroramplifierhassignificantinfluencesonthevoltagecontrolloop’sstability.ThusthispaperfocusesonthedesignofhighperformanceerroramplifierforDC-DCconvertersbasedonsystemrequirementsanalysis.AbuckDC-DCconverterwasconcerned,anerroramplifierforthebuckconverterwasdesignedfromthepointsofviewofsystemstability,loadregulationandresponsespeedrequirements.Atthefirstplace,theBuckDC-DCconverter’svoltagecontrolloopstabilityandpole-zeroanalysiswasdonebasedonasmallsignalmodelofthevoltagecontrolloop,thecompensationschemewasproposed.Atlast,accordingtothesystemleveltoanalysistheerroramplifier.
Keywords:
Switchingpower;BuckDC-DCConverter;ErrorAmplifier.
51
目录
摘要 I
Abstract II
1.诸论 1
1.1引言 1
1.2本文研究的目的与意义 1
1.3本论文主要研究内容 1
2.开关电源基础及其类型 2
2.1开关电源基础理论 2
2.1.1开关电源基本工作原理 2
2.1.2开关电源的组成 2
2.1.3开关电源的各种分类 3
2.2开关电源典型结构[6] 4
2.3DC-DC变换器 7
2.3.1Buck变换器 8
3.3.2Boost变换器 10
3.Buck型DC-DC转换器及其控制方式分析 12
3.1Buck型DC-DC转换器 12
3.2Buck型DC-DC转换器及其控制方式 13
3.2.1Buck型DC-DC转换器工作原理 13
3.2.2Buck型DC-DC转换器的控制方式 14
3.2.3Buck型DC-DC转换器工作模式 18
3.3环路控制中误差放大器的重要作用 18
4.开关电源管理电路系统分析 19
4.1Buck型DC-DC转换器 19
4.2开关电源控制环路的分析研究 20
4.2.1Buck型DC-DC转换器稳定性分析 20
4.2.2Buck型转换器电压环路控制模型 21
5.误差放大频率特性及其补偿策略 27
5.1控制电路的频率响应分析 27
5.1.1频率响应 27
5.1.2开关电源输出滤波电路分析 28
5.2开关电源中负反馈及自激振荡分析 30
5.2.1负反馈自激振荡 30
5.2.2误差放大电路稳定分析 30
5.3补偿误差放大器及频率校正策略 32
5.3.1I类补偿误差放大器 32
5.3.2Ⅱ类补偿误差放大器 32
5.3.3Ⅲ型补偿误差放大器 34
6.闭环设计中误差放大器的分析与研究 36
6.1闭环控制系统中的误差放大分析 36
6.2环路增益 38
6.2.1带有LC滤波电路的环路增益 38
6.2.2PWM增益 39
6.2.3取样增益-反馈系数 40
6.2.4输出LC滤波器的总增益 40
6.3误差放大器的特性分析 40
6.3.1误差放大器的幅频特性整形 40
6.3.2误差放大器的传递函数、极点和零点 42
6.3.3零点、极点和频率增益斜率变化 43
6.4误差放大器零点、极点的分析与计算 43
6.4.1Ⅱ型误差放大器零点和极点分析 43
6.4.2采用Ⅲ型误差放大器及其传递函数 45
6.4.3Ⅲ型误差放大器的相位滞后分析 45
6.4.4Ⅲ型误差放大器零点和极点计算 46
6.5反馈环路条件稳定探讨 47
结论 49
致谢 50
参考文献 51
1.诸论
1.1引言
随着电力电子及电子技术的迅猛发展,开关电源在计算机、通信、工业自动化、电子和电工仪器等领域的应用更加广泛。
不同的电子设备对电源参数诸如效率、电压、电流能力、噪声、纹波等的要求以及对电源体积、可靠性等的要求各不相同,这就对开关电源的管理电路提出了很高的要求。
本论文主要针对目前常用于便携式设备、分布式电源系统的Buck型DC-DC开关转换器,其输出电压的精度、电源抑制比等都直接取决于误差放大器的相关参数,因而,在对其系统工作原理分析的基础上,主要从系统控制环路稳定性、负载调整率及响应速度方面来分析研究误差放大电路。
1.2本文研究的目的与意义
误差放大电路作为电源管理电路中的关键模块,其性能优劣与整个电源系统的稳定性能密切相关。
误差放大器主要用于对输出端的反馈电压与基准电压的差值进行放大,并产生与电流比较器正向输入端信号进行比较的误差放大信号,误差放大器的核心结构一般采用跨导运算放大器结构,它的差模直流小信号增益、跨导、补偿方式等都将作为误差放大器研究的重要方面。
开关电源控制模式分为两种:
电压控制模式和电流控制模式。
这两种模式,虽然采样的方式各不相同,但是都需要误差放大器将输出采样电压与预设基准电压进行差分运算并放大生成误差放大信号反馈给系统控制电路,所以误差放大器对开关变换电路系统的稳定性、负载调整率以及响应速度有着决定性作用,它的性能好坏直接影响到开关变换器系统的性能,因而对开关电源管理电路中误差放大器的分析与研究具有重要的意义。
本文从最基本的开关电源工作原理及其控制方式入手,从Buck型DC-DC转换器系统稳定性、负载调整率及响应速度要求的角度出发来分析,研究管理电路中误差放大模块对电源系统的影响。
1.3本论文主要研究内容
本论文主要工作是开关电源控制电路误差放大的分析与研究,首先对开关电源的基本原理进行了介绍,接着在峰值电流模式下对控制模块Buck型DC-DC转换器进行了小信号分析,最后,在前几章分析的基础上,对闭环控制电路进行了误差放大分析,还着重研究了误差放大器在闭环设计中的应用。
2.开关电源基础及其类型
2.1开关电源基础理论
开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关晶体管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,它使用电感,变压器,电容等贮能元件从输入端向输出端传送能量。
开关晶体管的控制电路调节着能量传输过程,使输出信号保持恒定。
开关电源内部功率管工作在高频开关状态,其等效电阻很小,当流过大的电流时,消耗在功率管上的能量很小,所以电源效率可以达到70%~90%,比普通线性稳压电源提高近一倍。
2.1.1开关电源基本工作原理
开关电源的工作原理可以用图2.1进行说明。
图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输出端,S为受控开关,是一个受开关脉冲控制的开关调整管,若使开关S按要求改变导通或断开时间,就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。
这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压U0[1]。
图2.1开关电源的工作原理
为方便分析开关电源电路,定义脉冲占空比如下:
式(2-1)
开关电源直流输出电压U0与输入电压Ui,之间有如下关系:
式(2-2)
由式(2-1)和式2-2)可以看出,若开关周期了T一定,改变开关S的导通时间TON。
即可改变脉冲占空比D,从而达到调节输出电压的目的。
2.1.2开关电源的组成
开关电源的基本组成如图2.2所示。
其中DC-DC变换器用以进行功率变换,它是开关电源的核心部分;驱动器是开关信号的放大部分,对来自信号源的开关信号进行放大和整形,以适应开关管的驱动要求;信号源产生控制信号,该信号由它激或自激电路产生,可以是PWM信号、PFM信号或其他信号;比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算,控制开关信号的幅值、频率、波形等,通过驱动器控制开关器件的占空比,以达到稳定输出电压值的目的。
除此之外,开关电源还有辅助电路,包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路[3]。
图2.2开关电源的基本组成
开关电源系统一般包括两大模块,第一个模块是功率主回路部分,完成能量的变换和传输,主回路使用的元件只有电子开关、电感和电容,但这三种元件的不同组合和连接形成不同类型的开关电源变换器。
第二个模块是控制回路,控制回路比较复杂,早期由分立器件组成,随着大规模集成电路的发展,现在集成电路芯片逐步代
- 配套讲稿:
如PPT文件的首页显示word图标,表示该PPT已包含配套word讲稿。双击word图标可打开word文档。
- 特殊限制:
部分文档作品中含有的国旗、国徽等图片,仅作为作品整体效果示例展示,禁止商用。设计者仅对作品中独创性部分享有著作权。
- 关 键 词:
- 毕业论文 开关电源 设计
![提示](https://static.bdocx.com/images/bang_tan.gif)