电源逆变器DCDC电压变换电路的设计.docx

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电源逆变器DCDC电压变换电路的设计

推挽式直流开关电源的设计

摘要

随着现代通讯技术的飞速发展，对通讯电源的重量、体积、可靠性、效率等提出了更高的要求。

而应用于中大功率场合的移相全桥DC/DC变换器具有结构简单、输出功率大、效率高、易实现软开关、功率开关管所承受的电压电流应力小等一系列优点，因此，对它进行研究具有十分重要的意义。

本文首先对DC/DC升压变换器的电流触发主电路、输入电路、反馈电路控制芯片、推挽变压器进行了详细的讲解，其中重点对MOS场效应管的损耗问题进行了研究和分析。

其次本文也对本实验用到的器件进行了简单的介绍并给出了所需器件的参数，建立了模型并用ProtelAltiumDesigner6.9仿真软件对系统的稳定性进行了分析。

最后根据自己的仿真结果做出了实际电路并进调试一切正常，达到了所需要的效果。

关键词：

DC/DC电压变换器；推挽变压器；反馈电路控制芯片

Abstract

Withtherapiddevelopmentofmoderncommunicationtechnology,communicationpoweroftheweight,volume,reliability,efficiency,andputforwardhigherrequirements.Thepowerappliedtothephase-shiftedfull-bridgewheretheDC/DCconverterhasasimplestructure,highoutputpower,highefficiency,easytorealizesoft-switching,thepowerswitchisexposedtoaseriesofvoltageandcurrentstressoftheadvantages,therefore,itsstudyisofgreatsignificance.ThisarticlefirstDC/DCboostconvertercurrenttriggeringthemaincircuit,inputcircuit,feedbackcircuitcontrolchip,push-pulltransformerswereindetail.ThefocusoftheMOSFETlossproblemswerestudiedandanalyzed.Secondly,thepaperalsousedinthisstudyabriefintroductiondevicesandgivesthenecessaryparametersofthedevice,theestablishmentofamodelandsimulationusingProtelAltiumDesigner6.9softwaretoanalyzethestabilityofthesystem.Finally,thesimulationresultsaccordingtotheiractualcircuitandthusmadeallthenormaldebugging,achievestherequiredeffect.

Keywords:

DC/DCboostconverter;push-pulltransformer;feedbackcircuitcontrolchip

1绪论

1.1开关电源的发展历程

随着电子技术的发展,DC/DC电源已经形成一个庞大的工业,材料、工艺、外封装的不断改进,使DC/DC产品普遍被工业界采用,并在军界、医疗、宇航等领域迅速推广。

现已有数家产值达数千万美元的公司生产DC/DC电源,产品从0.5瓦至上千瓦.从单输出到多输出。

也有的公司把自己的DC/DC模块产品组合设计成用户需要的电源系统。

激烈的竞争局面,导致各厂家积极采用先进技术,使模块以最小的体积达到最高的功率输出,某些新产品的功率密度已可达每立方英寸10瓦。

提高效率和输出功率是大家追求的目标,场效应开关管、肖特基整流管以及磁性材料的改进,都是关键因素。

计算机工业的发展给DC/DC电源提出了新的目标。

以往的TTL电路逻辑电压为5V,超大规模集成电路的驱动电流较大,一个需5A电流的设计至少要25瓦输出的电源模块。

为节省能源,新的CMOSIC设计使电压降为3.3V,同样需5A电流则可仅用16.5瓦的模块。

目前一些超大规模集成电路生产厂家有意把电压降至2.9V、2.1V,以节省电力,因对DC/DC电源产品带来了新的挑战。

目前DC/DC模块的设计人员采用同步整流技术在一定程度上使效率有所提高,但最终的改进尚依赖于半导体元件性能的改善。

为解决DC/DC模块的控制电路。

使用一定规模的集成电路将使DC/DC模块性能得到革命性的进步[1]。

DC/DC模块的外封装的散热也是个关键间题。

由于体积的限制,模块外壳需有良好的导热能力,否则将烧毁内部半导体元件。

近几年已有把电路印刷在铝制或陶瓷荃板上的DC/DC产品间世。

铝板和陶瓷板导热较好,给DC/DC模块的发展提供的新的方向。

1.2开关电源的分类

1.2.1按驱动方式分类

1）自激式开关电源开关管起着振荡器器件和功率开关的作用。

2）他激式开关电源备有专门独立的振荡电路，使用专用的脉冲调宽控制器PWM芯片就是中一例。

1.2.2按能量转换过程的类型分类

1）直流—直流（DC-DC）变换器它是将一种直流电转换成另一种或几种直流电。

DC-DC变换器是直流开关电源的核心部件，也是非隔离式或隔离式变换器直流电源的重要组成部分。

2）逆变器（DC-AC）它是将直流电转换交流电的开关变换器，是交流输出开关电源和不间断电源（UPS）的主要部件。

3）开关整流器（AC-DC）它是将交流电转换成直流电能的一种电源装置，这种变换器其变换过程应该理解为交流－直流－交流－直流（AC-DC-AC-DC）。

4）交流－交流变换器（AC-AC）它是将一种频率的交流电直接转换成另一种恒频或可变频率的交流电，或是将交流电直接转换成恒频交流电的变换装置。

1.2.3按输入与输出是否隔离分类

1）隔离式开关变换器它是高频变压器将变换器的一次侧（输入）与二次侧（输出）隔离。

这种变换器结构主要有单端正激式变换器，单端反激式变换器，中心抽头式（推挽）变换器，半桥式变换器，全桥式变换器。

2）非隔离式开关变换器它是在电气上输入与输出不隔离的。

输入与输出公用一个公共端。

这种变换器结构主要有降压型（Buck）变换器，升压型（Boost）变换器，降压－升压（Buck-Boost）变换器以及它们的组合变形电路，如Cuk器，Zeta变换器，Sepic变换器等。

1.2.4按功率开关管关断和开通工作条件分类

1）硬开关变换器功率开关器件是在承受电压或电流应力的情况下接通或关断的。

这样不但产生开关损耗，而且形成开关尖峰干扰噪声，需要附加屏蔽，滤波等抗噪声技术，才能满足高精度，高性能用电设备的要求。

2）软开关变换器功率开关器件是在不承受电压或电流应力的情况下接通或关断的；或是加在开关管上的电压为零，称零电压开关（ZVS）；或是流过开关管的电流为零，称零电流开关（ZCS）。

因开关过程中无电压，电流重叠（理想情况），开关损耗大大降低，而且开关噪声电压小，有利于开关变换器的高频化，小型化。

1.3开关电源的特点

DC/DC电源在70年代即得到应用,已形成模块化产品。

由于DC/DC电路设计相对较简单、费用低,可以快速的良好设计解决大量复杂问题,而且已经形成一整套DC/DC电源的设计、测试、生产标准。

这就大大简化了电子、电器设备系统设计过程。

在较大型设备中（如程控交换机）,电源往往占据系统费用的20%左右,电源设计考虑不周常因电源故障而使整个系统不能正常工作。

采用DC/DC供电方式是目前最简单而最易行的办法。

在系统的设计初期，即可根据系统内部各级部件电路对不同的电压电流要求,根据DC/DC模块生产厂家的产品目录找到合适的DC江兀模块产品。

如系统对DC/DC模块有特殊要求,也可请DC/DC二模块生产厂家进行特殊设计和生产。

从而可使设计师以较少的精力考虑电源而把主要精力投入到系统核心部分的设计。

采用DC/DC模块化电源即可使这一切成为现实。

采用小型化的电源模块可大大减化设备结构,减小体积重量,同时,电源模块所特有的高可靠性使系统的整体可靠性大幅度提高,更有利于降低设计费用和设备成本。

1.4本文主要工作

本文的主要工作是分析设计了一种PWM升压型DC/DC变换器的控制芯片。

本文共分六个章节详细介绍。

第一章介绍了开关电源的发展历程、开关电源的分类和开关电源的特点。

第二章阐述了开关电源的基础知识，其中包括了软开关技术、全桥控制技术、电源开关常用的拓扑结构、电源开关的调制方式以及开关电源的控制方式，在此对每一项都进行了详细的介绍的分析。

第三章是对主电路进行原理分析，本设计所用器件的选取、重要的变压器制作和硬件抗干扰进行了一系列措施的研究。

第四章分析了参与主电路的开关电源控制芯片TL494的设计，本文也对此进行了详细的描述。

第五章介绍了开关电源反馈电路的设计。

第六章是本文的结论，写出了本人对这次设计的感想和一些看法。

2开关电源的基础知识

2.1开关电源DC/DC变换器的软开关技术分类

现代电力电子装置的发展趋势是小型化、轻量化，同时对装置的效率和电磁兼容性也提出了更高的要求。

通常，滤波电感、电容和变压器在装置的体积和重量中占很大比例。

因此必须设法降低他们的体积和重量，才能达到装置的小型化和轻量化。

从电路的有关知识可以知道，提高工作频率可以减小变压器各绕组的匝数，并减小铁心的尺寸，从而使变压器小型化。

因此装置的小型化、轻量化最直接的途径是电路的高频化。

但在开关频率提高的同时，开关损耗也会随之增加，电路效率严重下降，电磁干扰也增大，输入所以简单的提高开关频率是行的。

针对这些问题出现了软开关技术，它利用了谐振为主的辅助换流手段，解决了电路中的开关损耗和开关噪声的问题，使开关频率大幅度提高，从而大大减小了开关电源的体积和重量。

变换器的软开关技术实质上是利用电感和电容的谐振来完成开关器件的换流，最早是采用有损缓冲电路来实现，从能量的角度来看，它是将开关损耗转移到缓冲电路中消耗掉，从而改善开关管的开关条件，因此这种方法对变换器的变换效率没有提高，甚至会使效率有所降低。

目前所研究的软开关技术不再采用有损缓冲电路、不是开关损耗的转移，而是真正减小开关损耗。

直流开关电源的软开关技术一般可分为以下三类[2]：

1）准谐振电路，准谐振电路中电压或电流的波形为正弦半波，因此称之为准谐振。

是最早出现的软开关电路。

可分为零电压开关准谐振电路、零电流开关准谐振电路、零电压开关多谐振电路以及用于逆变器的谐振直流环节电路。

缺点：

准谐振的引入使得电路开关损耗和开关噪声大大下降，但也带来一些负面问题：

谐振电压峰值很高，要求器件耐压必须提高；谐振电流的有效值很大，电路中存在大量的无功功率的交换，造成电路的导通损耗加大；谐振周期随输入电压、负载变化而改变，因此只能采用PFM方式来控制，变频的开关频率给电路设计带来困难。

2）零开关PWM变换器，它可分为零电压开关PWM变换器和零电流开关PWM变换器。

该类变换器是在准谐振变换器的基础上，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PWM控制。

这与准谐振变换器不同的是，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。

优点：

同准谐振电路相比，电压和电流基本上是方波，只是上升沿和下降沿较缓，开关承受的电压明显降低，电路可以采用开关频率固定的PWM控制方式。

3）零转换PWM变换器，它可分为零电压转换PWM电路和零电流转换PWM变换器，这类变换器还是采用辅助开关控制谐振的开关时刻，所不同的是，谐振电路是与主开关并联的，因此输入电压和负载电流对电路的谐振影响很小，电路在很宽的输入电压范围内并从零负载到满载都能工作在软开关状态，而且电路中无功功率的交换被消减到最小，这使得电路的效率有了进一步的提高。

尽管软开关技术的引入提高了变换器的工作频率，降低了开关损耗，减小了功率器件的电压和电流力但其中仍有许多问题有待解决，如进一步扩大功率使用范围，完善控制技术，提高工作可靠性等。

软开关技术的应用已经给功率变换器的发展带来了深刻的变革，随着软开关的技术的进一步完善，必将为实现更高品质的功率开关变换器提供有力的技术保障。

2.2开关电源移相全桥DC/DC变换器控制技术

控制技术包括控制的策略（软件技术）以及实现控制策略的电路方式（硬件技术）。

在传统电力电子技术中，控制部分是以模拟电路方式来设计和工作的。

伴随着高速、高性能、低成本数字处理器（DSP）芯片的面世并逐步走向市场，电力电子电路控制系统的数字化正成为研究的方向。

数字控制技术可使系统控制电路大为简化，并能提高系统的控制灵活性和抗干扰能力（减少杂散信号的干扰），避免模拟信号的传递畸变失真，便于自诊断、容错等技术的植入，利于提高系统的智能化水平。

移相全桥DC/DC变换器是使用较多而且技术已经比较成熟的一种直流变换器，从控制方式看，主要有以下三种[3]:

1）ID控制，比例积分（PI）控制实现容易，是工程实际中应用最广泛的一种控制器。

在DC/DC直流变换器中，PI控制可以实现无静差跟踪。

为了满足动态性能要求，在实际系统中，经常需要引入分环节（D），移相全桥DC/DC变换器空载时相当于二阶欠阻尼系统，带负载时系统的零极点会发生变化，所以要使整个系统在整个带负载范围保持好的动态性能和静态性能，就必须对PID的各参数进行综合考虑。

2）电压和电流双闭环控制，在单环控制系统中，只选取了一个有用反馈量（电流量或电压量）参与控制，因此只有当负载扰动的影响最终在输出表现出来以后，控制器才开始反应，因而控制速度不够快。

为了克服这些缺点，在DC/DC直流变换器的电压单环基础上增加电流内环，利用电流内环快速、及时的抗干扰性来有效地抑制负载扰动的影响。

在双闭环控制中，由电压外环控制电流内环（即内环电流在每一开关周期内变化，直至达到电压外环设定的误差阀值），电流内环瞬时快速的监测输出电流的动态变化，电压外环只负责控制输出电压，双闭环电压电流型控制模式具有比单环电压型控制模式大得多的带宽。

3）模糊控制，与传统控制方式相比，模糊PID控制的好处是不依赖控制对象的数学模型，它是根据人工控制规则组织控制决策表，然后由该表决定控制量的大小。

就移相全桥变换器而言，模糊控制器的设计仅需要知道电感电流、输出电压和模糊控制规则

2.3开关电源常用拓扑结构

开关电源（直流变换器）的类型很多，从输入输出有无隔离角度，开关电源主回路可以分为隔离式与非隔离式两大类型。

这两种类型中又各自包含有不同的电路拓扑种类。

每种结构都有各自的特点，适用于不同的应用场合，下边将对各种开关电源拓扑结构简要叙述和比较[4]。

2.3.1非隔离式开关电源拓扑结构

非隔离式电路是指输入端与输出端电气相通，没有隔离。

非隔离式又可分串联式结构、并联式结构和极性反转式结构三种电路拓扑结构，这三种电路拓扑结构有各自的特点，工作过程不一样，应用场合也不一样。

1）联式结构特点和工作原理，图2.1所示为串联式结构，这种结构的特点是:

在主回路中开关器件T与输入端、输出端、电感器L、负载RL四者成串联连接的关系。

开关管T交替工作于导通/关断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T及电感器L对负载供电，并同时对电感器L充电，当开关管T关断时，电感器L中的反向电动势使续流二极管D自动导通，电感器L中储存的能量通过续流二极管D形成的回路，对负载RL继续供电，从而保证了负载端获得。

图2.1串联式开关稳压电路主回路

串联式结构中，输出电压与输入电压成线性关系，其表达式为Vo≈Vi×D，D为开关器件T的占空比，D越大输出越大，其最大值为1，因此串联式结构只能获得低于输入电压的输出电压，只适合于降压式变换。

2）联式结构特点和工作原理，图2.2所示为并联式结构，并联式结构与串联式结构有相同的组成部分，只是他们的位置被重新布置了一下。

这种结构的特点是:

在主回路中开关器件T与输出端负载成并联连接的关系。

开关管T交替工作于导通/关断两种状态，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载RL靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，输入端电源电压与电感器L中的自感电动势正向叠加后，通过续流二极管D对负载RL供电，并同时对电容器C充电。

图2.2并联式开关稳压电路主回路

由此可见，并联式结构中，可以获得高于输入电压的输出电压，因此为升压式变换，适合于输出电压高于输入电压的场合，并且为了获得连续的负载电流，并联结构比串联结果对输出滤波电容C的容量有更高的要求。

3）性反转型变换器结构，图2.3所示为极性反转变换器结构，输出电压与输入电压的极性相反。

电路的基本结构特征是：

在主回路中，相对于输入端而言，电感器L与负

载成并联。

图2.3极性反转开关电源主回路

开关管T交替工作于导通/关断两种状态，工作过程与并联式结构相似，当开关管T导通时，输入端电源通过开关管T对电感器L充电，同时续流二极管D关断，负载RL靠电容器存储的电能供电；当开关管T关断时，续流二极管D导通，电感器L中的自感电动势通过续流二极管D对负载RL供电，并同时对电容器C充电；由于续流二极管D的反向极性，使输出端获得相反极性的电压输出。

2.3.2隔离式开关电源拓扑结构

隔离式是指输入端与输出端电气不相通，通过脉冲变压器的磁耦合方式传递能量，输入输出完全电气隔离。

隔离式又可分为以下几种拓扑结构：

1）单端反激式，图2.4开关电源电路中所谓的单端是指变换器的磁芯仅工作在磁滞回线的一侧。

所谓的反激是指当功率调整管T导通时，变压器N在初级绕组中储存能量；当功率调整管T截止时，变压器N通过次级绕组向负载传递能量。

即原/副边交错通断。

这样可以避免变压器磁能被积累的问题，但是由于变压器存在漏感，将在原边形

成电压尖峰，可能击穿调整管T，因此需要设置RCD缓冲电路如下图2.4：

图2.4单端反激式开关电源主回路

2）单端正激式，从电路原理图2.5上看，正激式与反激式很相似，表面上只是变压器同名端的区别，但工作过程不同。

当T导通时，变压器N的初级和次级绕组同时导通，向负载传送能量，滤波电感L储存能量；当T截止时，电感L通过二极管D1继续向负载释放能量。

图2.5单端正激式开关电源主回路

该电路的最大问题是：

功率管T交替工作于通/断两种状态，当功率管关断时，脉冲变压器处于“空载”状态，其中储存的磁能将被积累到下一个周期，直至电感器饱和，可能会使功率调整管烧毁。

3）推挽式，图2.6这种电路结构的特点是：

变压器原边是两个对称线圈，两只功率调整管接成对称关系，轮流通断，工作过程类似于线性放大电路中的乙类推挽功率放大器。

图2.6推挽式开关电源主回路

该电路的主要缺点是：

电路结构相对复杂，成本较高，变压器绕组利用率低，对功率管的耐压要求比较高。

4）半桥式，图2.7电路的结构类似于全桥式，只是把其中的两只调整管换成了两只等值的大电容C1、C2。

工作过程：

T1和T2交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2

的交流电压，改变PWM的占空比就可以改变输出电压。

图2.7半桥式开关电源主回路

5）全桥式，图2.8这种电路结构的特点是：

由四只相同的调整管接成电桥结构驱动变压器的原边。

工作过程：

互为对角的两个功率管同时导通，同一侧上的两功率管交替导通，使变压器一次侧形成幅值为Ui/2的交流电压，改变PWM占空比就可以改变输出电压。

图2.8全桥式开关电源主回路

该电路使用的功率管数量多，且要求参数一致性好，驱动电路复杂，实现同步比较困难，这种电路结构通常使用在1KW以上超大功率开关电源电路中。

2.3.3开关电源各种拓扑结构的比较 

表2.1开关电源各种拓扑结构的比较

拓扑

功率范围（W）

Vin（dc）范围（V）

输入输出隔离

典型效率（%）

相对成本

Buck

0-1000

5-40

无

70

1.0

Boost

0-150

5-40

无

80

1.0

Buck-Boost

0-150

5-40

无

80

1.0

正激式

0-150

5-500

有

78

1.4

反激式

0-150

5-500

有

80

1.2

推挽式

100-1000

50-1000

有

75

2.0

半桥式

100-500

50-1000

有

75

2.2

全桥式

400-2000+

50-1000

有

75

2.5

2.4开关电源的调制方式

2.4.1脉冲宽度调制

（PulseWidthModulation,缩写为PWM）开关周期恒定，通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。

PWM：

脉宽调制PWM是开关型稳压电源中的术语。

这是按稳压的控制方式分类的，除了PWM型，还有PFM型和PWM、PFM混合型。

脉宽宽度调制式（PWM）开关型稳压电路是在控制电路输出频率不变的情况下，通过电压反馈调整其占空比，从而达到稳定输出电压的目的。

2.4.2脉冲频率调制

（PulseFrequencyModulation,缩写为PFM）导通脉冲宽度恒定，通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。

PFM：

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；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。

2.4.3混合调制

导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定，彼此都能改变的方式，它是以上二种方式的混合，WM-PFM兼有PWM和PFM的优点。

DC/DC变换器是通过与内部频率同步开关进行升压或降压，通过变化开关次数进行控制，从而得到与设定电压相同的输出电压。

PFM控制时，当输出电压达到在设定电压以上时即会停止开关，在下降到设定电压前，DC/DC变换器不会进行任何操作。

但如果输出电压下降到设定电压以下，DC/DC变换器会再次开始开关，使输出电压达到设定电压。

PWM控制也是与频率同步进行开关，但是它会在达到升压设定值时，尽量减少流入线圈的电流，调整升压使其与设定电压保持一致。

与PWM相比，PFM的输出电流小，但是因PFM控制的DC/DC变换器在达到设定电压以上时就会停止动作，所以消耗的电流就会变得很小。

因此，消耗电流的减少可改进低负荷时的效率。

PWM在低负荷时虽然效率较逊色，但是因其纹波电压小，且开关频率固定，所以噪声滤波器设计比较容易，消除噪声也较简单。

若需同时具备PFM与PWM的优点的话，可选择PWM/PFM切换控制式DC/DC变换器。

此功能是在重负荷时由PWM控制，低负荷时自动切换到PFM控制，即在一款产品中同时具备PWM的优点与PFM的优点。

在备有待机模式的系统中，采用PFM/PWM切换控制的产品能得到较高效率。

PFM相比较PWM主要优点在