降壓型PWM_AC-DC開關電源設計

1.引 言

1.1開關電源的概念

開關電源(Switch Mode Power Supply，SMPS)是以功率半導體器件為開關元件，利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。開關電源和線性電源相比，二者的成本都隨著輸出功率的增加而增長，但二者增長速率各異。線性電源成本在某一輸出功率點上，反而高于開關電源，這一點稱為成本反轉(zhuǎn)點。開關電源高頻化是其發(fā)展的方向，高頻化使開關電源小型化，并使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術(shù)領域的應用，推動了高新技術(shù)產(chǎn)品的小型化、輕便化。另外開關電源的發(fā)展與應用在節(jié)約能源、節(jié)約資源及保護環(huán)境方面都具有重要的意義。

開關電源中應用的電力電子器件主要為二極管、IGBT和MOSFET。一般由脈沖寬度調(diào)制(PWM)控制IC和MOSFET構(gòu)成。開關電源電路主要由整流濾波電路、DC-DC控制器(內(nèi)含變壓器)、開關占空比控制器以及取樣比較電路等模塊組成。

1.1.1 PWM技術(shù)簡介[1]

脈沖寬度調(diào)制(PWM)，是英文“Pulse Width Modulation”的縮寫，簡稱脈寬調(diào)制，脈沖寬度調(diào)制是一種模擬控制方式，其根據(jù)相應載荷的變化來調(diào)制晶體管柵極或基極的偏置，來實現(xiàn)開關穩(wěn)壓電源輸出晶體管或晶體管導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恒定，是利用微處理器的數(shù)字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術(shù)。廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。

脈沖寬度調(diào)制(PWM)基于采樣控制理論中的一個重要結(jié)論，即沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在具有慣性的環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同。在控制時對半導體開關器件的導通和關斷進行控制,使輸出端得到一系列幅值相等而寬度不相等的脈沖,用這些脈沖來代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的規(guī)則對各脈沖的寬度進行調(diào)制,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率.PWM運用于開關電源控制時首先保持主電路開關元件的恒定工作周期(T=ton+toff)，再由輸出信號與基準信號的差值來控制閉環(huán)反饋，以調(diào)節(jié)導通時間ton，最終控制輸出電壓(或電流)的穩(wěn)定。

PWM的一個優(yōu)點是從處理器到被控系統(tǒng)信號都是數(shù)字形式的，無需進行數(shù)模轉(zhuǎn)換。讓信號保持為數(shù)字形式可將噪聲影響降到最小。噪聲只有在強到足以將邏輯1改變?yōu)檫壿?或?qū)⑦壿?改變?yōu)檫壿?時，也才能對數(shù)字信號產(chǎn)生影響。

對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對于模擬控制的另外一個優(yōu)點，而且這也是在某些時候?qū)WM用于通信的主要原因。從模擬信號轉(zhuǎn)向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當?shù)腞C或LC網(wǎng)絡可以濾除調(diào)制高頻方波并將信號還原為模擬形式。

1.1.2 降壓型DC-DC開關電源原理簡介[2]

將一種直流電壓變換成另一種固定的或可調(diào)的直流電壓的過程稱為DC-DC交換完成這一變幻的電路稱為DC-DC轉(zhuǎn)換器。根據(jù)輸入電路與輸出電路的關系，DC-DC 轉(zhuǎn)換器可分為非隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器和隔離式DC-DC轉(zhuǎn)換器。降壓型DC-DC 開關電源屬于非隔離式的。

降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器主電路圖如下：

其中，功率IGBT為開關調(diào)整元件，它的導通與關斷由控制電路決定;L和C為濾波元件。驅(qū)動VT導通時，負載電壓Uo=Uin，負載電流Io按指數(shù)上升;控制VT關斷時，二極管VD可保持輸出電流連續(xù)，所以通常稱為續(xù)流二極管。負載電流經(jīng)二極管VD續(xù)流，負載電壓Uo近似為零，負載電流呈指數(shù)曲線下降。為了使負載電流連續(xù)且脈動小，通常串聯(lián)L值較大的電感。至一個周期T結(jié)束，在驅(qū)動VT導通，重復上一周期過程。當電路工作于穩(wěn)態(tài)時，負載電流在一個周期的初值和終值相等。負載電壓的平均值為

式中，ton為VT處于導通的時間，toff為VT處于關斷的時間;T為開關管控制信號的周期，即ton+toff;α為開關管導通時間與控制信號周期之比，通常稱為控制信號的占空比。從該式可以看出，，占空比最大為1，若減小占空比，該電路輸出電壓總是低于輸入電壓，因此將其稱為降壓型DC-DC轉(zhuǎn)換器。負載電流的平均值為

若負載中電感值較小，則在VT管斷后，負載電流會在一個周期內(nèi)衰減為零，出現(xiàn)負載電流斷續(xù)的情況。因此有降壓DC-DC開關電源有非連續(xù)電流模式(DCM)和連續(xù)電流模式(CCM)兩種工作模式。波形圖如下所示：