《PWM電源開關(guān)設(shè)計(jì)與分析》由會員分享，可在線閱讀，更多相關(guān)《PWM電源開關(guān)設(shè)計(jì)與分析（36頁珍藏版）》請?jiān)谘b配圖網(wǎng)上搜索。

1、畢業(yè)論文 (設(shè)計(jì))PWM電源開關(guān)設(shè)計(jì)與分析院 系 ：專業(yè)（班級）：姓 名：學(xué) 號:指導(dǎo)教師：職 稱：完成日期：摘 要PWM是模擬控制模式，其通過調(diào)制偏壓MOS晶體管組的柵極或根據(jù)負(fù)載的變化對應(yīng)于實(shí)現(xiàn)或改變MOS晶體管的導(dǎo)通時(shí)間，以達(dá)到在開關(guān)電源輸出的變化。這種方法允許電源的輸出電壓是在操作條件的變化保持恒定，使用數(shù)字信號處理器，用于控制模擬電路是非常有效的技術(shù)。在電子技術(shù)的發(fā)展史上，PWM技術(shù)的應(yīng)用占有非常重要的地位，因?yàn)樗闺娮釉O(shè)備的性能具有非常大的提高。本文詳細(xì)介紹了PWM開關(guān)技術(shù)的背景、意義及技術(shù)特點(diǎn)并解釋其的重要性，其次是對PWM開關(guān)基本結(jié)構(gòu)和主要芯片的簡要概述，分析了測試芯片的接口，

2、對PWM電源的芯片原理特的理解，然后研究了PWM開關(guān)電源芯片功率造成限制的三個(gè)因素并進(jìn)行對比。最后，用一個(gè)快速的方法來實(shí)現(xiàn)主電源電路設(shè)計(jì)并用軟件工具為protel對電源電路進(jìn)行仿真。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；PWM；功率限制；protel仿真AbstractAnalog PWM control mode , the gate of MOS transistor group of the modulation bias or load change corresponding to the change or changes to achieve the conduction time of the M

3、OS transistor to achieve a switching power supply according to the output through . This method allows the power supply output voltage is varied to maintain constant operating conditions , using a digital signal processor for controlling an analog circuit is very effective technology. In the history

4、 of the development of electronic technology , the application of PWM technology plays a very important role , because it makes the performance of electronic devices with a very large increase .This paper describes the background, significance and technical features PWM switching technology and expl

5、ain its importance , followed by the basic structure of the PWM switch and a brief overview of the main chip , analyzes test chip interface chip principle of the PWM power characteristics of understand , and then studied three factors caused PWM switching power supply chip power restrictions and con

6、trast. Finally, a quick way to achieve the main power circuit design and simulation of power supply circuits using software tools to protel.Keywords : switching power supply ; PWM; power limitation ; protel simulation目 錄1 引 言61.1 PWM技術(shù)的研究背景及意義61.2 PWM的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展61.3 PWM基本原理及結(jié)構(gòu)72 線性電源芯片及PWM功率芯片的功能82.1

7、電源芯片的測試流程82.2 APL431L線性電源芯片特征92.2 LD7575芯片特征理解133. 三種PWM芯片功率局限的比較分析193.1功率限制原理193.2優(yōu)化的脈沖寬度調(diào)制電源芯片輸出功率的三種方法213.2.1縮短延遲時(shí)間Td213.2.2調(diào)整閥值電壓Vlimit223.2.3改變延遲時(shí)間Td及閥值電壓Vlimit兩個(gè)參數(shù)243.3比較后兩者方法對功率局限的影響254 .快捷設(shè)計(jì)PWM開關(guān)電源的主要電路274.1設(shè)計(jì)主要參數(shù)274.2變壓器的設(shè)計(jì)284.3粗估初次級線圈匝數(shù)比294.4粗略估算初級電感在最大額定輸入條件下的值304.5確定初次級匝數(shù)并代入加以確定304.6精確驗(yàn)證

8、最小輸入條件下的匝數(shù)315. 基于protel工具的仿真結(jié)果315.1基于protel的仿真電路圖315.2基于protel仿真的分析326 結(jié) 論34謝 辭35參 考 文 獻(xiàn)35PWM電源開關(guān)設(shè)計(jì)與分析1 引 言由于人們對能源問題越加重視，電子產(chǎn)品的耗能問題變成大家在意的重點(diǎn)。如何使得電子產(chǎn)品其功耗下降并且提高供電效率變成了一個(gè)急需解決的關(guān)鍵要點(diǎn)。傳統(tǒng)的線性穩(wěn)壓電源雖然電路結(jié)構(gòu)體系單一、工作穩(wěn)定可靠，然而它有著只有40%至50%的低效率、變壓器體積大、銅鐵消耗量大、工作溫度高及調(diào)整范圍偏小等缺點(diǎn)。自從了開發(fā)出了PWM電源，其大大提高了電源的效率，它的效率達(dá)到了85%以上，且穩(wěn)壓范圍寬，同時(shí)它

9、還具有穩(wěn)壓精度高、不使用電源變壓器等特點(diǎn)，PWM開關(guān)電源是一種較理想的穩(wěn)壓電源。所以，PWM電源已廣泛應(yīng)用于各種電子設(shè)備中，并參與到人們的日常生活的各個(gè)角落了。1.1 PWM技術(shù)的研究背景及意義PWM技術(shù)的應(yīng)用在電子技術(shù)的發(fā)展史上占著非常重要的地位 ，因?yàn)樗沟秒娏﹄娮友b置的性能有了非常大的提高。1.2 PWM的國內(nèi)外現(xiàn)狀及發(fā)展由于體積小，重量輕的追求力量在20世紀(jì)，配備了火箭NASA研究提出的第一個(gè)電源，經(jīng)過半個(gè)世紀(jì)的發(fā)展，脈沖寬度調(diào)制開關(guān)電源慢慢取代了原來的技術(shù)生產(chǎn)的相控電源，同時(shí)廣泛應(yīng)用于電子設(shè)備系統(tǒng)。由集成電路的進(jìn)步的陪同下，開關(guān)電源的集成緩慢漸進(jìn)方向變得更緊湊和模塊化。在這20年中，

10、集成開關(guān)已經(jīng)被改變?yōu)橄旅鎯蓚€(gè)方向向電子設(shè)備供電了。由脈沖寬度調(diào)制開關(guān)電源控制的集成電路，首先開發(fā)于1977年，國外的PWM控制器IC ，摩托羅拉，通用硅公司的德州儀器公司已經(jīng)推出了一系列的脈沖寬度調(diào)制芯片。近年來，國外開發(fā)出了高速開關(guān)頻率高達(dá)1兆赫脈寬調(diào)制的烤瓷的芯片。并且使得中小功率脈沖寬度調(diào)制開關(guān)電源的單片集成得以實(shí)現(xiàn)。 20世紀(jì)，美國的Power Integrations公司首先開發(fā)出一種三端單片隔離PWM開關(guān)電源，它是AC / DC電源轉(zhuǎn)換器。隨后陸續(xù)推出的TOPSwitch ，的TOPSwitch -II的TOPSwitch -FX ， TOPSwitch-GX的，使用PeakSwi

11、tch ，使用LinkSwitch等產(chǎn)品。意大利 - 法國半導(dǎo)體公司最近還開發(fā)了VIPER100 ， VIPER100A ， VIPer100B和其他較小的單片開關(guān)電源，并通過廣泛的關(guān)注。到目前為止，已經(jīng)有很多的單片開關(guān)電源系列，上百種產(chǎn)品誕生了。開關(guān)電源的研究，到目前為止已經(jīng)有很多的追捧，它為新技術(shù)產(chǎn)品，轟動(dòng)權(quán)力圈的國內(nèi)外更有前途和影響力?，F(xiàn)在具有高集成度，高性價(jià)比，最簡單的外圍電路，最佳性能，單片開關(guān)電源已成為中小功率開關(guān)電源，精密開關(guān)電源及開關(guān)電源模塊的發(fā)展的最佳選擇18。直到1977年國內(nèi)才進(jìn)入發(fā)展的早期階段，技術(shù)相對起步較晚，開關(guān)電源相對于國外，和國外比將是微弱的。所以如今DC /

12、DC電源模塊市場已經(jīng)在很大程度上幾乎被國外品牌占有，且覆蓋包含了所有被廣泛應(yīng)用的電源模塊，同時(shí)也占領(lǐng)了整個(gè)市場的中小功率模塊電源產(chǎn)品的一半以上19。然而，伴隨著國內(nèi)技術(shù)不斷上升，增加生產(chǎn)規(guī)模，進(jìn)口的小型電源模塊正在迅速國內(nèi)的DC / DC產(chǎn)品所取代了20。1.3 PWM基本原理及結(jié)構(gòu)開關(guān)電源電路主要由整流濾波電路、DC-DC控制器（內(nèi)含適配器)、開關(guān)占空比控制器以及取樣比較電路等模塊組成5。如圖1-3所示：圖1-3開關(guān)電源的體系框圖因?yàn)殚_關(guān)電源中的變壓器可制作到極小故相對于線性電源它的體積和重量都可以達(dá)到最小，且其功率一般維持在70%到90%之間，同時(shí)由于其是用調(diào)寬和調(diào)頻來進(jìn)行反饋的，故在電網(wǎng)

13、中波動(dòng)性較大，所以輸出電壓很穩(wěn)定。2 線性電源芯片及PWM功率芯片的功能2.1 電源芯片的測試流程 沿著信號的流入方向，輸入向量向信息提供了模塊，接著將其送達(dá)被測芯片或系統(tǒng)，接著再送到比較與輸出報(bào)告的單元。圖2-1為測試系統(tǒng)總線。圖2-1測試體系框圖體系中的各個(gè)模塊的數(shù)據(jù)交換是經(jīng)由總線舉行。其中，被測設(shè)備和測試接口板是研究的重點(diǎn)。在施加直流參數(shù)測試的前提下，經(jīng)由測量DUT的正確的單位實(shí)現(xiàn)直流參數(shù)的精確測量。測試過程的有效性：計(jì)算機(jī)將一開始生成測試向量傳遞到單片機(jī)系統(tǒng)，單片機(jī)節(jié)制通道模塊，不僅將測試信號電平轉(zhuǎn)成所需的水平，而且可以將施加在DUT輸入引腳上向量波形，然后將檢測到的DUT輸出，最后經(jīng)

14、由總線判定手處置。該接口電路被設(shè)計(jì)為處理為在兩個(gè)模塊之間的控制流和數(shù)據(jù)流，普通情況下關(guān)于電壓、電流和時(shí)間參數(shù)，主要束縛是阻抗匹配，其普通情況下，原則上是從DUT得到的的功率低的也是最小的干擾。基上述解釋的原則，它必須是不竭的改進(jìn)的測試電路系統(tǒng)的性能（比方，加大測試時(shí)鐘頻率等），以獲得最佳測試結(jié)果。2.2 APL431L線性電源芯片特征以線性穩(wěn)壓器APL431L直流的參數(shù)測試為研究。 APL431L芯片內(nèi)有陽極（稱為A），陰極（C）和穩(wěn)定的輸出端（R）三個(gè)引腳，它的穩(wěn)壓輸出電壓通常是1.250V21。其內(nèi)部電路和等效圖如圖2-2所示。圖2-2 APL431L內(nèi)部電路及等效圖APL431L芯片的量

15、測主要有：開路及短路量測、輸出（參考）電壓Vref、輸出電壓紋波抑制Vref/Vca、輸出電流Iref、關(guān)斷電流Ik（off）和輸出阻抗Zka5。針對測試中的如下兩個(gè)問題：試驗(yàn)機(jī)體系每個(gè)接口的阻抗相匹配;對直接不好量測或誤差較大的情形下相關(guān)問題，重點(diǎn)討論測試項(xiàng)目Vref和Iref。其中，Vref（V）是芯片APL431L內(nèi)R端到接地電壓的電壓輸出值; Iref（A）是R端上拉電阻器的端部R的當(dāng)前電流值。 (1)Vref的測量圖2-3是測試Vref的原理電路。測試要領(lǐng)是施加精測單位PMU2于C端，使C和A極之間得電，在R端用探頭PMUl量測5。圖2-3 Vref的測試電路圖 圖2-4 Iref的

16、測試電路圖為了更準(zhǔn)確地測量Vref的，更高的消除滋擾，以下列出了改進(jìn)的三個(gè)方面的工作。STEP 1：要消弭負(fù)載的影響可以在被測量端子添電壓緩沖器（運(yùn)放跟隨），然后測定。 STEP2 ：因?yàn)殚L導(dǎo)線，探測點(diǎn)在測量時(shí)，測量值比實(shí)際大的為3mV 到4mV的誤差。用同軸電纜的話，會有效的降低誤差。STEP3 ：要再消弭對在同軸電纜滋擾而產(chǎn)生的誤差，可以采取經(jīng)典的三運(yùn)放單元的優(yōu)勢（見圖2-6虛框）來實(shí)現(xiàn)的間接測試， R端和差分放大外部基準(zhǔn)電壓源，該P(yáng)MU計(jì)算值的輸出值Vref ，并嘗試確認(rèn)該方法的準(zhǔn)確度是令人滿意的（詳細(xì)的壓力/流量的數(shù)據(jù)闡發(fā)表見表2-1 ） 。圖2-6Vref測試改良電路(2)Iref的

17、量測測試電路如圖2-4所示。Iref的測試方法：在被選用來做樣品的電阻的兩側(cè)，用PMU2和PMUl分別測量兩側(cè)的電壓，在憑借歐姆定律，電阻Rl,被壓差除就可得出Iref的具體數(shù)值了。由于參數(shù)的局限是0.02A到0.48A之間,故此項(xiàng)推測度量屬于小電流測試問題。由于測試機(jī)精準(zhǔn)度的局限，所以比較難直接可以知道或者用測試的方法來了解小電流的數(shù)值，正常情況下我們將它轉(zhuǎn)化為較高電壓來間接測量。測試過程中應(yīng)該特別注意下面的兩個(gè)問題。第一，小電流測試時(shí)，軟件用于監(jiān)視的定制的時(shí)間延遲要較長（IO毫秒幅度） ，然后直到恒定電流之后再進(jìn)行測量，這是在該電路的電容小的作用，因此電流不能立即變得穩(wěn)定，并且有時(shí)會出現(xiàn)啟

18、動(dòng)電流負(fù)值（虛值，不考慮） 。第二，較低的電流的量測興許會發(fā)生顛簸。使用三運(yùn)放差動(dòng)的布局：各插入一個(gè)電壓跟隨器在電阻上的兩個(gè)頭，然后憑借運(yùn)算放大器將其轉(zhuǎn)換成更高的電壓。但要被轉(zhuǎn)換成電壓一定要小于運(yùn)算放大器的飽和輸出電壓，否則，輸出電壓將被鉗位（即堵塞輸出），重點(diǎn)是要選擇Rl的電阻。其在圖2-7所示的改進(jìn)電路。圖2-7Iref的測試改良電路以下總結(jié)了APL431L測試功耗的芯片調(diào)試過程兩個(gè)指標(biāo)，該芯片為九項(xiàng)指標(biāo)的10組測試數(shù)據(jù)的測試數(shù)據(jù)分析列于表2-1。Max和Min是測量值的幅度極限。因?yàn)樾枰獙C Vref值分級（等級，G），所以在測試過程結(jié)束的步伐測試，應(yīng)該重新檢驗(yàn)和測試Vref的，并且要

19、求比以前要求嚴(yán)格的要求定義在測試A級; 而超越要求的則為B級。10組測試值經(jīng)四個(gè)重復(fù)測試Vref最大和最之間，并在上下平均波幅為3mV。同樣測試值Iref也維持在最大和最之間，誤差不超過0.1f。表2-1 APL431L的10組測試數(shù)據(jù)NameBin#ItemlItem2ltem3Item4Itcm5Item6Item7Item8Item9O/S!0/S2VreflVreflVreflZkaIrefIk(Off)VrefUnitNVVV(G)VVOhmAAVMax16-0.34-0.34N1.2511.2510.290.480.481.245Min1-0.7-0.7N1.2291,2290.0

20、30.02N1.23515-0.5296-0.56711.24131.23841.24940.10750.1390.02261.241425-0.5304-0.56821.23811.23591.24740.12220.14790.06641.238135-0,5311-0.56871.24211.2391.25090.11950.16690.07171.242145-0.5319-0.5691.23841.2351.24730.11680.12730.0911.2384NameBin#ItemlItem2ltem3Item4Itcm5Item6Item7Item8Item9O/S!0/S2V

21、reflVreflVreflZkaIrefIk(Off)Vref55-0.5309-0.56851.23961.23761.2480.13680.13920.09691.239765-0.5291-0.5661.2381.235612,4740.14210.14620.07471.238875-0.5311-0.56891.23821.2351.25080.17130.15990.0841.238285-0.5309-0.56891.23881.2351.24770.12350.17140.05841.238795-0.5283-0.56621.24061.23821.24940.11680.

22、15060.07971.2406105-0.528-0.56581.23821.23571.24760.12080.14660.11361.2382Ave.-0.5301-0.56781.23931.23651.24860.12770.14950.07591.2394綜上所述，對于布局簡單的線性功率測量和調(diào)試逐步掌握了芯片的鉆研范式，這是進(jìn)一步闡明、鉆研測試和優(yōu)化程序PWM芯片/系統(tǒng)的堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)的工作。2.2 LD7575芯片特征理解LD7575 PWM控制器芯片是近兩年通過凱瑞科技一直在推動(dòng)的第一個(gè)產(chǎn)品。抓住芯片的特點(diǎn)，開展以下幾點(diǎn)：第一，內(nèi)部框圖及引腳功能表，隨后進(jìn)行了簡短芯片的功能，專注于

23、高電壓啟動(dòng)，并做了前沿消隱真相的說明，并專注于過壓保護(hù)和過載的事情進(jìn)展的闡明。 (1)內(nèi)部框圖和管腳機(jī)能表圖2-8為LD7575的內(nèi)部框圖。該芯片內(nèi)部模塊重要包羅：基準(zhǔn)電壓源，振蕩電路， PWM控制器，一個(gè)誤差放大器，電壓檢測器，輸出驅(qū)動(dòng)和保護(hù)電路等方面的需求。圖2-8LD7575的內(nèi)部框圖表2-2顯示了DIP-8封裝LD7575引腳說明。LD7575通過RT腳來外設(shè)工作頻率；為了使信號舉行閉環(huán)調(diào)節(jié)并保持輸出不變，要經(jīng)由COMP引腳和CS引腳采集和辨析。圖2-2 為LD7575管腳描述。圖2-2 為LD7575管腳描述(2)芯片特征LD7575是一款電流型模式pwm控制器的芯片，這款脈沖寬度調(diào)

24、制芯片的主要特征是：高壓500V啟動(dòng)電路；從外部傳統(tǒng)的PWM控制電路的電阻，啟動(dòng)電路和啟動(dòng)電流被提供時(shí)，此方法更磨損較大。從理論上講，為了啟動(dòng)電流下降，啟動(dòng)電阻可取的耐高，但這樣做將開始長時(shí)增加。圖2-9是一個(gè)高壓啟動(dòng)電路LD7575 （包羅等效電路）及其重要的波形的圖。高電壓啟動(dòng)電路在LD7575內(nèi)部集成的目的是使最大功耗水平下降。啟動(dòng)時(shí)，高壓電流源連接從電容Cb被 HV引腳提取電流，并在電源引腳VCC引腳外接電容C1充電給力。開始的初始時(shí)間周期 ，高壓電流源接通和1 mA的電源電流，則電壓VCC電壓（ UVLO ）說明了幵啟的價(jià)值比在低壓鎖定和VCC引腳漏電流略低只有100 A，高壓電流源

25、的電流首要用于VCC電容充電;當(dāng)VCC電壓低于UVLO更高（on）時(shí)， LD7575開始，并通過所述柵極驅(qū)動(dòng)信號時(shí)，高壓電流源被關(guān)閉，而輔助繞組開始供電5。因此，采取了高壓啟動(dòng)電路的電流消耗僅為時(shí)間內(nèi)產(chǎn)生的T，當(dāng)IC的正常運(yùn)行，因?yàn)楦邏弘娏髟幢魂P(guān)閉小事做起，見上面幾乎不消耗。內(nèi)部UVLO比較器用于檢測電壓VCC引腳，以確保其足夠的供應(yīng)， LD7575和驅(qū)動(dòng)MOS管。UVLO(on)和UVLO(off)電壓分別設(shè)定為16V和10V。(a) 脈沖寬度調(diào)制芯片LD7575高電壓啟動(dòng)電路（包括部分等效電路）(b) LD7575主要波形圖圖2- 9脈沖寬度調(diào)制芯片LD7575高電壓的啟動(dòng)電路（包羅局部等

26、效電路）及其主要波形可控開關(guān)頻率；可以經(jīng)由連接一個(gè)外部電阻RT引腳和地中的電阻RRT進(jìn)行設(shè)置LD7575頻率fs: (2-1)LD7575的頻率范圍建議設(shè)定在（50kHz，130kHz)。CS腳的前沿消隱;連系圖2-10來論述。前沿消隱MOS管被突然打開時(shí)，因?yàn)檩敵稣鞫O管的反向恢復(fù)特征已獲得的電力的流向的耐電壓的峰值，為避免調(diào)整管錯(cuò)誤作用，所以它在導(dǎo)通開始定要掩蓋脈寬調(diào)制信號。經(jīng)由CS引腳來檢測LD7575芯片內(nèi)流過初級MOS管的電流，設(shè)置集成電路內(nèi)腳閾值電壓0.85V。所以MOS開關(guān)管的峰值電流（Ipeak）可表示如下： (2-2) 根據(jù)350ns在CS引腳存在的前沿消隱單位內(nèi)，以此來消

27、除因誤觸發(fā)電流的尖峰引起的。在低功率的利用下，假使CS引腳的導(dǎo)通尖峰總寬度小于350ns的和負(fù)尖峰不大于-0.3V ，這樣之后連接到CS引腳RC濾波器可以斷；但使用高輸出功率，則必須使用RC濾波器來防止導(dǎo)通的時(shí)候產(chǎn)生負(fù)的尖峰將CS腳傷害。（a）LD7575芯片在較低功率下的電路圖(b) LD7575芯片在較高功率的下的電路圖圖2-10關(guān)于 LD7575在高/低功率下的電路圖中過壓保護(hù);在VCC側(cè)電壓太大的情況下，IC內(nèi)部發(fā)給調(diào)整管信息使其關(guān)斷，促使瀉流回路對VCC瀉流。 這就是過壓保護(hù)（OVP）。如今大量的片外芯片MOS晶體管的柵極源電壓Vgs的頂峰受壓是30V。所以要做到避免的Vgs大于30

28、V。輸出柵MOS晶體管的驅(qū)動(dòng)電路將被關(guān)閉，直到下一個(gè)UVLO （on）低壓閉鎖開啟電壓）到達(dá)，在OVP閾值低于VCC情況下。 VCC過壓保護(hù)就是LD7575是一種自愈保護(hù)。在UVLO （ OFF）高于 VCC電壓，芯片立即重啟，進(jìn)入起伏模式（見圖2-11 ，其中Vout是IC引腳OUT的輸出波形） 。圖2-11在LD7575芯片 VCC引腳過壓保護(hù)波形過載保護(hù);圖2-12所示是波形過載。在這樣的喪失規(guī)定功能的情況下，反饋系統(tǒng)（見圖4-1）就會強(qiáng)力壓制電壓回路飽和趨勢， COMP引腳電壓增加。在COMP電壓抵達(dá)OLP 5伏的閾值電壓并保持30毫秒， OLP輸出信號使得MOS晶體管截止， 30毫秒

29、的推遲時(shí)間，以避免假觸發(fā)信號動(dòng)作。圖2-12 在LD7575芯片過載保護(hù)情況下VCC/ COMP / OUT引腳三個(gè)波形3. 三種PWM芯片功率局限的比較分析3.1功率限制原理由于人們對開關(guān)電源需求量的提高，以及開關(guān)電源制作成本的大幅度下降，電源主控IC必須擴(kuò)大其功能同時(shí)使得其性能得以優(yōu)化擴(kuò)展其功能。一個(gè)電源體系的主要衡量方法是輸出功率高且低耗能。功率管會延時(shí)一段時(shí)間（ Td）被斷開，在電阻端電壓達(dá)到功率極限閾值（ Vlimit0 ）時(shí)。對于某些應(yīng)用，如筆記本電腦適配器，它的全范圍電壓輸入下（ 90 伏每60赫茲到264 伏特50赫茲）時(shí)，受到限制，輸出功率與一致性，所以必須有一個(gè)一致的PWM

30、 IC的OCP值（稱為輸出控制點(diǎn)）。圖3-1是一個(gè)使用PWM IC反激式轉(zhuǎn)換器的電源的部分電路圖。圖3-1系統(tǒng)配置初級側(cè)PWM原理示意圖經(jīng)由導(dǎo)通mos開關(guān)管的M的電源開關(guān)IC反激式轉(zhuǎn)換器的初級電感電流Ip，工作電壓VCS然后通過選取的樣本的電阻RS的脈沖寬度調(diào)制的 IC芯片的CS引腳，在Vcs達(dá)到固定閾值電壓Vlimit0時(shí)，經(jīng)過延遲時(shí)間Td后，內(nèi)部控制信號由IC傳輸使開關(guān)管M由導(dǎo)通變?yōu)榻刂?。功率局限原則的數(shù)學(xué)模型概述例如以下：理想條件下，忽略延遲時(shí)間Td，假定初級電感中的能量完全傳遞到次級輸出端（經(jīng)由濾波）。一個(gè)固定的周期T的脈沖寬度調(diào)制系統(tǒng)內(nèi)初級電感儲能的是： (3-1) （3-2）上式中

31、，P是由電感器消耗的功率， fs為固定頻率脈沖寬度調(diào)制IC的。實(shí)際狀態(tài)，考慮Td的影響。由關(guān)系式 (3-3)及 (3-4)則有： (3-5)其中，輸入電壓峰值為Vin， 檢測電阻內(nèi)的電壓至0到達(dá)Vlimit0在單周期的時(shí)間即為ton。由等式(5)我們可知：當(dāng)考慮到實(shí)際情況的Td存在，電感電流在這個(gè)時(shí)候有一個(gè)以下的理想狀態(tài)（Vm*Td/Lp)的值; Vlimit0和Td可以同時(shí)調(diào)節(jié)當(dāng)Vin，LP，fs為常數(shù)并保持為定制，以使得限制脈沖寬度調(diào)制電源開關(guān)系統(tǒng)輸出功率為固定值。3.2優(yōu)化的脈沖寬度調(diào)制電源芯片輸出功率的三種方法優(yōu)化的脈沖寬度調(diào)制芯片輸出功率的三種方法涵蓋如下：（1）縮短了集成電路的延遲

32、時(shí)間Td；（(2)對OCP的電壓閾值Vlimit進(jìn)行調(diào)整;（3）同時(shí)對延遲時(shí)間和電壓閾值的進(jìn)行調(diào)整。見下圖統(tǒng)計(jì)表3-1。它列出了三家主流公司（Onsemi，F(xiàn)airchild, Infineon) 的固定頻率PWMIC的OCP補(bǔ)償方式。表3-1的有著一定頻率PWM主要流行的芯片的OCP的補(bǔ)償方法PWMIC型號OCP補(bǔ)償方法有否補(bǔ)償Td(ns)NCPl 271Td否50SG6741Vlimit是100ICE3BS02Td + Vlimit是501503.2.1縮短延遲時(shí)間Td圖3-2是工作電壓Vcs（正比于輸入電壓Vin ）、在延遲Td和功率限制點(diǎn)滑動(dòng)（從理想的實(shí)際值）之間的時(shí)間關(guān)系。在芯片的C

33、S引腳點(diǎn)內(nèi)的實(shí)際功率局限可以被建模例如以下： （3-6）其中： （3-7）圖3-2Td、Vcs和Vlimit的關(guān)系因?yàn)閗與Vin成正比，為了減小芯片造成的系統(tǒng)誤差V，大幅度地縮短Td，就成為穩(wěn)定功率限制點(diǎn)Vlimit的最佳選擇。大多數(shù)歐洲地區(qū)的國家和美國公司的OCP補(bǔ)償實(shí)現(xiàn)擁有自己的專利，所以考慮整體IC設(shè)計(jì)時(shí)的風(fēng)險(xiǎn)時(shí)，為了降低風(fēng)險(xiǎn)縮短TD是最單一和有效的方法之一。3.2.2調(diào)整閥值電壓Vlimit圖3-3是重新調(diào)整閥值電壓Vlimit的示意芯片CS腳內(nèi)的實(shí)際功率限制點(diǎn)可重新建模以斜坡線段AB構(gòu)造Vlimit0靠近Vlimit趨勢的詳細(xì)的解決方法例如以下：用本機(jī)IC振蕩器的集成電路和疊加到直流

34、電平VL的一個(gè)信號的斜率k的同步，實(shí)際可用的Vlimit0限制VH，它是直線AB在圖3-3的斜率，然后重點(diǎn)計(jì)算K的斜率。圖3-3新的Vlimit0，Vcs和Vlimit的關(guān)系設(shè)t=ton+Td ，則： (3-8)當(dāng)Vin=Vin-L時(shí)，有： (3-9)又當(dāng)Vin=Vin-H時(shí)，有： (3-10)可大概的看作電感所消耗的功率是等同的，在PWM芯片LD7575輸出功率保持不變的情況下，所以有關(guān)系得： (3-11)所以： (3-12)由上式可知，對于一些比較特殊的的脈沖寬度調(diào)制電源芯片，ton和Td的值是由K所決定，不過該條件要成立在Vin-H、Vin-L、Lp和Rs均為定值的情況下，目前很多脈沖寬

35、度調(diào)制電源芯片就是經(jīng)由調(diào)節(jié)電壓閥值以此來控制所述的OCP的，就比如上面提到的Fairchild的SG6741。當(dāng)要運(yùn)行操作此類IC芯片時(shí)，要做到輸出過功率的相等，同時(shí)還必須適當(dāng)調(diào)節(jié)初級電感LP和檢流電阻Rs11，但是在設(shè)計(jì)時(shí)還是得考慮Lp、Rs這兩因素對系統(tǒng)效率和EMI測試的負(fù)面影響。但仍具有在Lp、Rs及EMI測試的負(fù)面影響的設(shè)計(jì)必須考慮到。3.2.3改變延遲時(shí)間Td及閥值電壓Vlimit兩個(gè)參數(shù)由等式(3-12)可得：調(diào)整閾值電壓就一定會同步涉及到傳輸延遲時(shí)間5。利用已下函數(shù)Vlimit=Vlimit0+kTd，由式子得可通過改變k實(shí)現(xiàn) Vlimil0的平坦化。圖3-4是ICE3BS02憑

36、借該法調(diào)節(jié)的結(jié)果獲得的。坐標(biāo)以dVlimit/dt為X軸，以Vlimit0為Y軸。圖 3-4 ICE3BS02：dVlimit/dt與Vlimit0的關(guān)系圖設(shè)脈沖寬度調(diào)制IC芯片在工作頻率為67千赫茲和占空比0.45的條件下，計(jì)算當(dāng)Vin= 90V, Vin=264V時(shí)相對應(yīng)的橫坐標(biāo)dVlimit/dt，縱坐標(biāo)Vlimit0趨于穩(wěn)定的算法有以下三步：由k的定義式，可得：= （3-13）又由與電流和電感關(guān)系： （3-14）所以，在高壓交流264V輸入OCP時(shí)，有：= (3-15)目前很多脈沖寬度調(diào)制電源芯片就是經(jīng)由調(diào)節(jié)電壓閥值及延時(shí)時(shí)間以此來控制所述的OCP的，就比如上面提到的Fairchild

37、的SG6741。因?yàn)樗窃贐ipolar 工藝的基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)的，和同樣憑借CMOS工藝的NCP1271及SG6741兩款芯片在CS比較器的設(shè)計(jì)上有一定差別，所以其OCP可經(jīng)由最大閾值電壓和電路傳輸延遲時(shí)間來進(jìn)行聯(lián)合調(diào)節(jié)的。3.3比較后兩者方法對功率局限的影響圖3-5是基于線性交流的輸入電壓的Vin，SG6741及ICE3BS02峰值輸出功率Po的折線圖的示意。圖可供選擇：當(dāng)電壓Vin為低，閾值用來調(diào)節(jié)只有峰值的輸出功率的SG6741系統(tǒng)，受上下左右的波動(dòng)發(fā)生的VH（VLIMIT上的閾值電壓）的高達(dá)7W的浮動(dòng)，ICE3BS02用于同時(shí)調(diào)節(jié)閾值電壓和Td是沒有問題;在高輸入電壓，相對于平坦，可以更清

38、楚地看到，在大約1W的峰值輸出功率的變動(dòng)約為3W的浮動(dòng)。圖3-5 SG6741與ICE3BS02的峰值輸出功率4 .快捷設(shè)計(jì)PWM開關(guān)電源的主要電路本章的目的是用用臨界法快捷的設(shè)計(jì)出50W反激式開關(guān)電源主電路的關(guān)鍵方法。4.1設(shè)計(jì)主要參數(shù)體系設(shè)計(jì)主要參數(shù)見下表，表中包括輸入特性參數(shù)、輸出特性參數(shù)、性能規(guī)格參數(shù)與保護(hù)特性參數(shù)這四個(gè)部分5。下圖4-1為體系設(shè)計(jì)的參數(shù)規(guī)格。圖4-1體系設(shè)計(jì)的規(guī)格圖4-2是開關(guān)電源的主電路原理圖。由下圖開關(guān)電路的主電路原理圖，主要包括變壓器、RCD箝位電路和MOS管與控制環(huán)路，及主控芯片5。接下來要主要論述這些器件的主要設(shè)計(jì)。（主控芯片LD7575的內(nèi)部電路及特性已經(jīng)

39、在第二章中詳細(xì)講解)。圖4-2 PWM開關(guān)電源主電路的原理圖54.2變壓器的設(shè)計(jì)以節(jié)制輸出整流二極管入手，用輸出整流二極管的最大反向壓降最大額定輸入的情況下來確定變壓器的初、次級電感與初、次級匝數(shù)，在輸出整流二極管最小輸入的情況下驗(yàn)證估算的數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，并再次進(jìn)行調(diào)節(jié)，這種臨界條件方法可將變壓器的設(shè)計(jì)流程縮減以下五個(gè)步驟：STEP1:假定參數(shù)，大概粗略估算初次級線圈的匝數(shù)比；STEP2：粗略估算初級電感在最大額定輸入條件下的值；STEP3：將第一步中的粗估初次級匝數(shù)代入算式中檢驗(yàn)以此確定精確的數(shù)值；STEP4：驗(yàn)證最小輸入條件下的參數(shù)；STEP5：最終確定初次級線徑的大小和繞法。4.3粗估初次

40、級線圈匝數(shù)比因?yàn)樽儔浩黧w系的輸出電流I=3.4A，所以受最大輸出電流為10A的肖特基二極管，其耐壓100V，如圖4-2所示在不同溫度下對正向電流影響（其中IF是正向電流、VF是導(dǎo)通電壓）。圖4-2肖特基二極管在不同溫度下對正向電流、導(dǎo)通電壓的影響假設(shè)最小直流輸入電壓Vdc(min)為120V，最大占空比Dmax為0.46 (在連續(xù)模式下，Dmax應(yīng)該小于0.5，這樣可以有效防止產(chǎn)生諧波振蕩)，由公式: （4-1）得Vr=98.2V又因?yàn)椋?(4-2)計(jì)算可得n=4.98(14) PO=為輸出整代入公式（Vr反射電壓，Np是初級線圈匝數(shù)、Ns次級線圈匝數(shù)，V0為輸出電壓，VF為輸出整流二極管的正

41、向?qū)▔航?0.7V)將n帶入式子： （4-3）計(jì)算最大反向電壓，確認(rèn)n能否達(dá)到要求。所以VDmax=93.5V。因?yàn)檫@鐘二極管在斷開時(shí)會有次級漏感和振蕩誘導(dǎo)尖峰的產(chǎn)生，所以必須留有保持在大概16V的電壓裕量，這必須重新設(shè)Dmax的值以便增大Vr。實(shí)取Dmax=0.48，再由上面的公式得VDmax=85.37V，85.37V小于100V，Dmax假設(shè)成立，此時(shí)有：匝比n=5.62 ，反射電壓Vr=110.6。4.4粗略估算初級電感在最大額定輸入條件下的值當(dāng)最大額定交流電壓Vin為230V的輸入情況下，由公式： （4-4）可得：Dmin=0.254。再由公式： (4-5)其中：Pin為反激系統(tǒng)的

42、輸入功率，KRF為紋波因數(shù)，KRF在不同的模式下有著不同的取值，對于不連續(xù)模式有(KRF=1)，而對連續(xù)模式般設(shè)定在0.3到0.5之間，Ton是MOS開關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間。當(dāng)高壓輸入時(shí)不連續(xù)模式(KRF=1)，所以Lm=686.4H。又因?yàn)?（4-6） 可得到Ipk=1.86A 4.5確定初次級匝數(shù)并代入加以確定要避免磁芯飽和，所以變壓器初級線圈應(yīng)具有最小匝數(shù)目是： (4-7)此中，Ae是屬于變壓器磁芯的截面積，Bmax是屬于變壓器飽和磁通量密度。體系憑借鐵芯POT-3019，材質(zhì)為TDK的PC44，使得系統(tǒng)的輸出功率和工作頻率確定，截面積為Ae=119mm。設(shè)飽和磁通量密度Bmax為0.32T(

43、在沒有參考數(shù)據(jù)的情況下，一般選取0.32T到0.4T之間),計(jì)算可得，Np(min)=33.37。Np和NS的須符合以下條件：Np最小值為3.37及n= Np/Ns， NP、Ns必須是整數(shù)。所以為了滿足要求，首先設(shè)Ns=6，又因?yàn)閚=Np/Ns，所以Np=33.72，但是NP不屬于整數(shù)，不符合上示要求。所以取Np=34，計(jì)算得n=5.6667，由(14)式，得Vr=111.63V;由(13)式得Dmax=0.482；由(16)式得 Lm=694.7H。4.6精確驗(yàn)證最小輸入條件下的匝數(shù)當(dāng)最小交流輸入電壓Vin為90V情況下。系統(tǒng)是處于連續(xù)模式的，因?yàn)閂in為90V，證明Np（min）Np能否成

44、立。由下公式： (4-8) (4-9)可得：IP=1.963A，Irms=0.953A再由公式： (4-10)得到： Npmin=35.56因?yàn)镹pmin大于Np故不成立，這個(gè)時(shí)候，就可以適度的增加變壓器飽和磁通量密度Bmax令Bmax=0.34，再由上面公式可得Npmin=33.47,小于Np，故成立。所以初級電感為694.7赫茲，初級匝數(shù)為34,次級匝數(shù)為6。 5. 基于protel工具的仿真結(jié)果5.1基于protel的仿真電路圖5.2基于protel仿真的分析初次級電流、MOS管兩端的電壓、輸出整流管兩端的電壓及IC主要功能腳(COMP和CS腳)的輸出波形正確。同時(shí)，電源系統(tǒng)的輸出電壓最

45、大為19.35mV，輸出電壓精度誤差為0.1。6 結(jié) 論經(jīng)過幾個(gè)月的努力，終于完成了該題目的設(shè)計(jì)，綜合敘述了現(xiàn)階段PWM電源開關(guān)及產(chǎn)品的國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r，并且針對設(shè)計(jì)的任務(wù)和要求，確定了分析設(shè)計(jì)電源開關(guān)的思路。完成了樣機(jī)的制作與調(diào)試。 本文一開始對線性電源與脈沖寬度調(diào)制電源進(jìn)行比較并分析，接著對于兩者的主要芯片進(jìn)行分析，介紹了它們的特性及測試原理，更全面的了解了脈沖寬度調(diào)制電源的系統(tǒng)，又因?yàn)殡娫吹闹饕暮饬繕?biāo)準(zhǔn)就是高功率低功耗，所以對脈沖寬度調(diào)制芯片，影響其功率的問題做了進(jìn)一步的分析，并以目前的現(xiàn)有的PWM電源的主要參數(shù)進(jìn)行了驗(yàn)證。而后又提出了快捷設(shè)計(jì)脈沖寬度調(diào)制電源（以LD7575為其IC芯片

46、），最后進(jìn)行了仿真驗(yàn)證。該畢業(yè)設(shè)計(jì)的不足之處，未考慮脈沖寬度調(diào)制電源的散熱問題，以及電壓電流的的大幅度改變，所以在電磁干擾抑制也是要進(jìn)行多方面的研究的，日后還需要努力學(xué)習(xí)這幾個(gè)方面的知識，爭取將系統(tǒng)得以實(shí)現(xiàn)完美的。謝 辭時(shí)間飛逝，借著論文完成之際，我要衷心的感謝我身邊的所有人，感謝在本設(shè)計(jì)及其寫論文工程中給我指導(dǎo)和幫助的人，在這里我由衷的感謝我的導(dǎo)師張淏老師，是他給了我很大的鼓勵(lì)與信心使有動(dòng)力完成這次畢業(yè)設(shè)計(jì)，老師也給我很多參考資料，同時(shí)教我如何向他人學(xué)習(xí)怎么寫好論文，非常感謝。他嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，腳踏實(shí)地的教學(xué)態(tài)度，認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，追求完美的工作態(tài)度，深刻的感染和激勵(lì)著我。在開始選題做畢業(yè)設(shè)計(jì)

47、時(shí)，我還是茫然不知自己能做什么，而當(dāng)你選擇一個(gè)自己不熟悉的東西進(jìn)行制作時(shí)，你只能不斷地逼自己去弄懂它，并且克服困難完成它。然后，著手去尋找實(shí)現(xiàn)它的不同方案，再進(jìn)行對比，判斷哪個(gè)方案自己能去完成它，多謝老師都能夠耐心并且細(xì)心的給我講解，并為我指點(diǎn)迷津，開拓我的思維，拓展我的知識，讓我的知識更加的完善，使我在設(shè)計(jì)過程中能夠一一克服困難，最后終于把論文給寫好了。在武夷學(xué)院機(jī)電工程系這個(gè)大家庭中我學(xué)到了很多，也不斷地成長著。在大學(xué)里，我們就是一個(gè)成年人，什么事情只能靠你自己，想要學(xué)習(xí)就要自覺，懂得自學(xué)。感謝著四年給我?guī)淼慕?jīng)歷與知識，也感謝老師們的教導(dǎo)。讓我逐漸的走向成熟和穩(wěn)重，同時(shí)使我知識和眼界更高

48、一層，還有在做論文和設(shè)計(jì)的時(shí)候查找的資料，最后真心的感謝參加論文真誠審核的老師及其給我們答辯的老師，謝謝你們對我們的成果的肯定，我們一定再接再厲，努力的做得更好，絕對不會讓你們失望，我們要做一個(gè)對社會有用的人才。參 考 文 獻(xiàn)1 張明輝,戴遠(yuǎn)征,羅昕,喻俊志,胡斌.棉花打頂機(jī)無線遙控電源開關(guān)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)研究J.中國農(nóng)機(jī)化學(xué)報(bào),2014,02:286-289.2 徐敏,程立松.用三角波控制開關(guān)電源開關(guān)晶體管工作方法的研究J.九江職業(yè)技術(shù)學(xué)院學(xué)報(bào),2014,01:14-15.3 司明.一種開關(guān)電源PWM控制電路設(shè)計(jì)D.遼寧大學(xué),2013.4 劉向軍,王志強(qiáng),張志楓,張培銘.基于CAN總線的新型磁保

49、持汽車電源開關(guān)的研究J.電工電能新技術(shù),2011,01:69-73.5 張杰. PWM開關(guān)電源的實(shí)用分析與設(shè)計(jì)技術(shù)D.蘇州大學(xué),2009.6 張曉冰,張昌玉,任美輝,梁原華.程控電度表校驗(yàn)臺PWM電源關(guān)鍵技術(shù)的研究A. 中國電工技術(shù)學(xué)會電工測試專業(yè)委員會,2008:5.7 馮浩,陳永校,岡田昌丈.方波PWM電源驅(qū)動(dòng)的純單相異步電動(dòng)機(jī)振動(dòng)轉(zhuǎn)矩及其測量J.微特電機(jī),1997,04:14-17.8 喬興忠,黃延霞.關(guān)于高壓斷路器的控制電源開關(guān)(保險(xiǎn))在倒閘操作中的應(yīng)用A.全國發(fā)電機(jī)組技術(shù)協(xié)作會,2007:2.9 蒯劍.開關(guān)頻率優(yōu)化配置PWM電源控制器的研究J. 電力電子技術(shù), 2005,01:101

50、-102. 10 高政.基于分時(shí)控制的感應(yīng)加熱電源開關(guān)損耗的研究D.天津大學(xué),2012.11 張川,郎君,朱瑩,何書專,楊盛光. PWM電源管理芯片的全定制版圖設(shè)計(jì)J. 電子測量技術(shù),2007,03:137-139.12 丁偉.基于空間矢量調(diào)制的矩陣式變換器的研制D.湘潭大學(xué),2002.13 叢力.焊接床身與鑄造床身的動(dòng)態(tài)性能研究D.大連海事大學(xué),2003.14 侯潤石.軟開關(guān)式逆變弧焊電源的研究D.江蘇科技大學(xué),2005.15 李清源.離子濺射用高頻PWM電源及其控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)D.清華大學(xué),2003.16 古淑榮. 2/3/4相降壓型PWM電源控制芯片的研究與設(shè)計(jì)D.浙江大學(xué), 2007.17 王曉燕,程志光,李琳,馬光. PWM電源激勵(lì)下取向硅鋼片磁特性測量與動(dòng)態(tài)磁滯模擬方法J.中國電機(jī)工程學(xué)報(bào),2013,30:153-15818 任俊.一種低功耗電流模式開關(guān)電源電路的研究D.電子科技大學(xué),2006.19 李翔.基于兩級功率變換拓?fù)涞母咝蔇C-DC變換器研究D.南京理工大學(xué),2012.20 宋艷.單端正激式高頻開關(guān)電源設(shè)計(jì)D.西安電子科技大學(xué),2010.21 張杰,錢敏,李文石.測試接口原理與電源芯片應(yīng)用案例J.中國集成電路,2007,02