降壓型PWM_AC-DC開關電源設計

2020-12-04 電子產品世界

1.引 言

本文引用地址：http://www.eepw.com.cn/article/175701.htm

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，利用現代電力電子技術，控制開關管開通和關斷的時間比率，維持穩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，反而高於開關電源，這一點稱為成本反轉點。開關電源高頻化是其發展的方向，高頻化使開關電源小型化，並使開關電源進入更廣泛的應用領域，特別是在高新技術領域的應用，推動了高新技術產品的小型化、輕便化。另外開關電源的發展與應用在節約能源、節約資源及保護環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體、IGBT和MOSFET。一般由脈衝寬度調製(PWM)控制IC和MOSFET構成。開關電源電路主要由整流濾波電路、DC-DC控制器(內含變壓器)、開關佔空比控制器以及取樣比較電路等模塊組成。

1.1.1 PWM技術簡介[1]

脈衝寬度調製(PWM)，是英文「Pulse Width Modulation」的縮寫，簡稱脈寬調製，脈衝寬度調製是一種模擬控制方式，其根據相應載荷的變化來調製電晶體柵極或基極的偏置，來實現開關穩壓電源輸出電晶體或電晶體導通時間的改變，這種方式能使電源的輸出電壓在工作條件變化時保持恆定，是利用微處理器的數字輸出來對模擬電路進行控制的一種非常有效的技術。廣泛應用在從測量、通信到功率控制與變換的許多領域中。

脈衝寬度調製(PWM)基於採樣控制理論中的一個重要結論，即衝量相等而形狀不同的窄脈衝加在具有慣性的環節上時，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衝,用這些脈衝來代替正弦波或其他所需要的波形.按一定的規則對各脈衝的寬度進行調製,既可改變逆變電路輸出電壓的大小,也可改變輸出頻率.PWM運用於開關電源控制時首先保持主電路開關元件的恆定工作周期(T=ton+toff)，再由輸出信號與基準信號的差值來控制閉環反饋，以調節導通時間ton，最終控制輸出電壓(或電流)的穩定。

PWM的一個優點是從處理器到被控系統信號都是數字形式的，無需進行數模轉換。讓信號保持為數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改變為邏輯0或將邏輯0改變為邏輯1時，也才能對數位訊號產生影響。

對噪聲抵抗能力的增強是PWM相對於模擬控制的另外一個優點，而且這也是在某些時候將PWM用於通信的主要原因。從模擬信號轉向PWM可以極大地延長通信距離。在接收端，通過適當的RC或LC網絡可以濾除調製高頻方波並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轉換器。根據輸入電路與輸出電路的關係，DC-DC 轉換器可分為非隔離式DC-DC轉換器和隔離式DC-DC轉換器。降壓型DC-DC 開關電源屬於非隔離式的。

降壓型DC-DC轉換器主電路圖如下：

其中，功率IGBT為開關調整元件，它的導通與關斷由控制電路決定;L和C為濾波元件。驅動VT導通時，負載電壓Uo=Uin，負載電流Io按指數上升;控制VT關斷時，二極體VD可保持輸出電流連續，所以通常稱為續流二極體。負載電流經二極體VD續流，負載電壓Uo近似為零，負載電流呈指數曲線下降。為了使負載電流連續且脈動小，通常串聯L值較大的電感。至一個周期T結束，在驅動VT導通，重複上一周期過程。當電路工作於穩態時，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處於導通的時間，toff為VT處於關斷的時間;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佔空比。從該式可以看出，，佔空比最大為1，若減小佔空比，該電路輸出電壓總是低於輸入電壓，因此將其稱為降壓型DC-DC轉換器。負載電流的平均值為

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

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