他激式开关电源设计毕业论文

引言众所周知，任何闭环系统在增益为单位增益l，且内部随频率变化的相移为360°时，该闭环控制系统都会存在不稳定的可能性。因此几乎所有的开关电源都有一个闭环反馈控制系统，从而能获得较好的性能。在负反馈系统中，控制放大器的连接方式有意地引入了180°相移，如果反馈的相位保持在180°以内，那么控制环路将总是稳定的。当然，在现实中这种情况是不会存在的，由于各种各样的开关延时和电抗引入了额外的相移，如果不采用适合的环路补偿，这类相移同样会导致开关电源的不稳定。1 稳定性指标衡量开关电源稳定性的指标是相位裕度和增益裕度。相位裕度是指：增益降到0dB时所对应的相位。增益裕度是指：相位为零时所对应的增益大小(实际是衰减)。在实际设计开关电源时，只在设计反激变换器时才考虑增益裕度，设计其它变换器时，一般不使用增益裕度。在开关电源设计中，相位裕度有两个相互独立作用：一是可以阻尼变换器在负载阶跃变化时出现的动态过程；另一个作用是当元器件参数发生变化时，仍然可以保证系统稳定。相位裕度只能用来保证“小信号稳定”。在负载阶跃变化时，电源不可避免要进入“大信号稳定”范围。工程中我们认为在室温和标准输入、正常负载条件下，环路的相位裕度要求大于45°。在各种参数变化和误差情况下，这个相位裕度足以确保系统稳定。如果负载变化或者输入电压范围变化非常大，考虑在所有负载和输入电压下环路和相位裕度应大于30°。如图l所示为开关电源控制方框示意图，开关电源控制环路由以下3部分构成。<<<<<这里有图>>>>(1)功率变换器部分，主要包含方波驱动功率开关、主功率变压器和输出滤波器；(2)脉冲宽度调节部分，主要包含PWM脉宽比较器、图腾柱功率放大；(3)采样、控制比较放大部分，主要包含输出电压采样、比较、放大(如TL431)、误差放大传输(如光电耦合器)和PWM集成电路内部集成的电压比较器(这些放大器的补偿设计最大程度的决定着开关电源系统稳定性，是设计的重点和难点)。2 稳定性分析如图1所示，假如在节点A处引入干扰波。此方波所包含的能量分配成无限列奇次谐波分量。如果检测到真实系统对不断增大的谐波有响应，则可以看出增益和相移也随着频率的增加而改变。如果在某一频率下增益等于l且总的额外相移为180°(此相移加上原先设定的180°相移，总相移量为360°)，那么将会有足够的能量返回到系统的输入端，且相位与原相位相同，那么干扰将维持下去，系统在此频率下振荡。如图2所示，通常情况下，控制放大器都会采用反馈补偿元器件Z2减少更高频率下的增益，使得开关电源在所有频率下都保持稳定。<<<<,这里有图>>>>波特图对应于小信号(理论上的小信号是无限小的)扰动时系统的响应；但是如果扰动很大，系统的响应可能不是由反馈的线性部分决定的，而可能是由非线性部分决定的，如运放的压摆率、增益带宽或者电路中可能达到的最小、最大占空比等。当这些因素影响系统响应时，原来的系统就会表现为非线性，而且传递函数的方法就不能继续使用了。因此，虽然小信号稳定是必须满足的，但还不足以保证电源的稳定工作。因此，在设计电源环路补偿时，不但要考虑信号电源系统的响应特性，还要处理好电源系统的大信号响应特性。电源系统对大信号响应特性的优劣可以通过负载跃变响应特性和输入电压跃变响应特性来判断，负载跃变响应特性和输入电压跃变响应特性存在很强的连带关系，负载跃变响应特性好，则输入电压跃变响应特性一定好。对开关电源环路稳定性判据的理论分析是很复杂的，这是因为传递函数随着负载条件的改变而改变。各种不同线绕功率元器件的有效电感值通常会随着负载电流而改变。此外，在考虑大信号瞬态的情况下，控制电路工作方式转变为非线性工作方式，此时仅用线性分析将无法得到完整的状态描述。下面详细介绍通过对负载跃变瞬态响应波形分析来判断开关电源环路稳定性。3 稳定性测试测试条件：(1)无感电阻；(2)负载变化幅度为10％~100％；(3)负载开关频率可调(在获得同样理想响应波形的条件下，开关频率越高越好)；(4)限定负载开关电流变化率为5A／μs或者2A/μs，没有声明负载电流大小和变化率的瞬态响应曲线图形无任何意义。图3(a)为瞬变负载波形。图3(b)为阻尼响应，控制环在瞬变边缘之后带有振荡。说明拥有这种响应电源的增益裕度和相位裕度都很小，且只能在某些特定条件下才能稳定。因此，要尽量避免这种类型的响应，补偿网络也应该调整在稍低的频率下滑离。<<<<<这里有图>>>>图3(c)为过阻尼响应，虽然比较稳定，但是瞬态恢复性能并非最好。滑离频率应该增大。图3(d)为理想响应波形，接近最优情况，在绝大多数应用中，瞬态响应稳定且性能优良，增益裕度和相位裕度充足。对于正向和负向尖峰，对称的波形是同样需要的，因此从它可以看出控制部分和电源部分在控制内有中心线，且在负载的增大和减少的情况下它们的摆动速率是相同的。上面介绍了开关电源控制环路的两个稳定性判据，就是通过波特图判定小信号下开关电源控制环路的相位裕度和通过负载跃变瞬态响应波形判定大信号下开关电源控制环路的稳定性。下面介绍四种控制环路稳定性的设计方法。4．1 分析法根据闭环系统的理论、数学及电路模型进行分析(计算机仿真)。实际上进行总体分析时，要求所有的参数要精确地等于规定值是不大可能的，尤其是电感值，在整个电流变化范围内，电感值不可能保持常数。同样，能改变系统线性工作的较大瞬态响应也是很难预料到的。4．2 试探法首先测量好脉宽调整器和功率变换器部分的传递特性，然后用“差分技术”来确定补偿控制放大器所必须具有的特性。要想使实际的放大器完全满足最优特性是不大可能的，主要的目标是实现尽可能地接近。具体步骤如下：(1)找到开环曲线中极点过零处所对应的频率，在补偿网络中相应的频率周围处引入零点，那么在直到等于穿越频率的范围内相移小于315°(相位裕度至少为45°)；(2)找到开环曲线中EsR零点对应的频率，在补偿网络中相应的频率周围处引入极点(否则这些零点将使增益特性变平，且不能按照期望下降)；(3)如果低频增益太低，无法得到期望的直流校正那么可以引入一对零极点以提高低频下的增益。大多数情况下，需要进行“微调”，最好的办法是采用瞬态负载测量法。4. 3 经验法采用这种方法，是控制环路采用具有低频主导极点的过补偿控制放大器组成闭环来获得初始稳定性。然后采用瞬时脉冲负载方法来补偿网络进行动态优化，这种方法快而有效。其缺点是无法确定性能的最优。4．4 计算和测量结合方法综合以上三点，主要取决于设计人员的技能和经验。对于用上述方法设计完成的电源可以用下列方法测量闭环开关电源系统的波特图，测量步骤如下。如图4所示为测量闭环电源系统波特图的增益和相位时采用的一个常用方法，此方法的特点是无需改动原线路。<<<<<这里有图>>>>如图4所示，振荡器通过变压器T1引入一个很小的串联型电压V3至环路。流入控制放大器的有效交流电压由电压表V1测量，输出端的交流电压则由电压表V2测量(电容器C1和C2起隔直流电流的作用)。V2/V1(以分贝形式)为系统的电压增益。相位差就是整个环路的相移(在考虑到固定的180°负反馈反相位之后)。输入信号电平必须足够小，以使全部控制环路都在其正常的线性范围内工作。4．5 测量设备波特图的测量设备如下：(1)一个可调频率的振荡器V3，频率范围从10Hz(或更低)到50kHz(或更高)；(2)两个窄带且可选择显示峰值或有效值的电压表V1和V2，其适用频率与振荡器频率范围相同；(3)专业的增益及相位测量仪表。测试点的选择：理论上讲，可以在环路的任意点上进行伯特图测量，但是，为了获得好的测量度，信号注入节点的选择时必须兼顾两点：电源阻抗较低且下一级的输入阻抗较高。而且，必须有一个单一的信号通道。实践中，一般可把测量变压器接入到图4或图5控制环路中接入测量变压器的位置。图4中T1的位置满足了上述的标准。电源阻抗(在信号注入的方向上)是电源部分的低输出阻抗，而下一级的输入阻抗是控制放大器A1的高输入阻抗。图5中信号注入的第二个位置也同样满足这一标准，它位于图5中低输出的放大器A1和高输入阻抗的脉宽调制器之间。<<<<<这里有图>>>>5 最佳拓扑结构无论是国外还是国内DC／DC电源线路的设计，就隔离方式来讲都可归结为两种最基本的形式：前置启动+前置PWM控制和后置隔离启动+后置PWM控制。具体结构框图如图6和图7所示。<<<<这里有图>>>>国内外DC／DC电源设计大多采用前置启动+前置PWM控制方式，后级以开关形式将采样比较的误差信号通过光电耦合器件隔离传输到前级PWM电路进行脉冲宽度的调节，进而实现整体DC／DC电源稳压控制。如图6所示，前置启动+前置PWM控制方式框图所示，输出电压的稳定过程是：输出误差采样→比较→放大→光隔离传输→PWM电路误差比较→PWM调宽→输出稳压。Interpoint公司的MHF+系列、SMHF系列、MSA系列、MHV系列等等产品都属于此种控制方式。此类拓扑结构电源产品就环路稳定性补偿设计主要集中在如下各部分：(1)以集成电路U2为核心的采样、比较电路的环路补偿设计；(2)以前置PWM集成电路内部电压比较器为核心的环路补偿设计；(3)输出滤波器设计主要考虑输出电压／电流特性，在隔离式电源环路稳定性补偿设计时仅供参考；(4)其它部分如功率管驱动,主功率变压器等，在隔离式电源环路稳定性补偿设计时可以不必考虑。而如图7所示，后置隔离启动+后置PWM控制方式框图，输出电压的稳定过程是：输出误差采样→PWM电路误差比较→PWM调宽→隔离驱动→输出稳压。此类拓扑结构电源产品就环路稳定性补偿设计主要集中在如下各部分：(1)以后置PWM集成电路内部电压比较器为核心的环路补偿设计；(2)输出滤波器设计主要考虑输出电压／电流特性，在隔离式电源环路稳定性补偿设计时仅供参考。(3)其它部分如隔离启动、主功率变压器等，在隔离式电源环路稳定性补偿设计时可以不必考虑。比较图6和图7控制方式和环路稳定性补偿设计可知，图7后置隔离启动+后置PWM控制方式的优点如下：(1)减少了后级采样、比较、放大和光电耦合，控制环路简捷；(2)只需对后置PWM集成电路内部电压比较器进行环路补偿设计，控制环路的响应频率较宽；(3)相位裕度大；(4)负载瞬态特性好；(5)输入瞬态特性好；(6)抗辐照能力强。实验证明光电耦合器件即使进行了抗辐照加固其抗辐照总剂量也不会大于2x104Rad(Si)，不适合航天电源高可靠、长寿命的应用要求。6 结语开关电源设计重点有两点：一是磁路设计，重点解决的是从输入到输出的电压及功率变换问题。二是稳定性设计，重点解决的是输出电压的品质问题。开关电源稳定性设计的好坏直接决定着开关电源启动特性、输入电压跃变响应特性、负载跃变响应特性、高低温稳定性、生产和调试难易度。将上述开关电源稳定性设计方法和结论应用到开关电源的研发工作中去，定能事半功倍。百度只能上传一张图,所以我就不上图了.图你可以去下面的参考资料那里看,不过你记得加分哦,加分了还有你想要的更多的开关电源调研的资料.在下面链接留言说你想要什么样的资料就可以了

UC3842是由Unitrode公司开发的新型控制器件，是国内应用比较广泛的一种电流控制型脉宽调制器。所谓电流型脉宽调制器是按反馈电流来调节脉宽的。在脉宽比较器的输入端直接用流过输出电感线圈电流的信号与误差放大器输出信号进行比较，从而调节占空比使输出的电感峰值电流跟随误差电压变化而变化。由于结构上有电压环、电流环双环系统，因此，无论开关电源的电压调整率、负载调整率和瞬态响应特性都有提高，是比较理想的新型的控制器闭。 电路设计和原理1．1 UC3842工作原理 uc3842中文资料下载 UC3842是单电源供电，带电流正向补偿，单路调制输出的集成芯片，其内部组成框图如图l所示。其中脚1外接阻容元件，用来补偿误差放大器的频率特性。脚2是反馈电压输入端，将取样电压加到误差放大器的反相输入端，再与同相输入端的基准电压进行比较，产生误差电压。脚3是电流检测输入端，与电阻配合，构成过流保护电路。脚4外接锯齿波振荡器外部定时电阻与定时电容，决定振荡频率，基准电压VREF为0．5V。输出电压将决定变压器的变压比。由图1可见，它主要包括高频振荡、误差比较、欠压锁定、电流取样比较、脉宽调制锁存等功能电路。UC3842主要用于高频中小容量开关电源，用它构成的传统离线式反激变换器电路在驱动隔离输出的单端开关时，通常将误差比较器的反向输入端通过反馈绕组经电阻分压得到的信号与内部2．5V基准进行比较，误差比较器的输出端与反向输入端接成PI补偿网络，误差比较器的输出端与电流采样电压进行比较，从而控制PWM序列的占空比，达到电路稳定的目的。1．2 系统原理 本文以UC3842为核心控制部件，设计一款AC 220V输入，DC 24V输出的单端反激式开关稳压电源。开关电源控制电路是一个电压、电流双闭环控制系统。变换器的幅频特性由双极点变成单极点，因此，增益带宽乘积得到了提高，稳定幅度大，具有良好的频率响应特性。 主要的功能模块包括：启动电路、过流过压欠压保护电路、反馈电路、整流电路。以下对各个模块的原理和功能进行分析。电路原理图如图2所示。1．2．1 启动电路 如图2所示交流电由C16、L1、C15以及C14、C13进行低通滤波，其中C16、C15组成抗串模干扰电路，用于抑制正态噪声；C14、C13、L1组成抗共模干扰电路，用于抑制共态噪声干扰。它们的组合应用对电磁干扰由很强的衰减旁路作用。滤波后的交流电压经D1～D4桥式整流以及电解电容C1、C2滤波后变成3lOV的脉动直流电压，此电压经R1降压后给C8充电，当C8的电压达到UC3842的启动电压门槛值时，UC3842开始工作并提供驱动脉冲，由脚6输出推动开关管工作。随着UC3842的启动，R1的工作也就基本结束，余下的任务交给反馈绕组，由反馈绕组产生电压给UC3842供电。由于输入电压超过了UC3842的工作，为了避免意外，用D10稳压管限定UC3842的输入电压，否则将出现UC3842被损坏的情况。1．2．2 短路过流、过压、欠压保护电路 由于输入电压的不稳定，或者一些其他的外在因素，有时会导致电路出现短路、过压、欠压等不利于电路工作的现象发生，因此，电路必须具有一定的保护功能。如图2所示，如果由于某种原因，输出端短路而产生过流，开关管的漏极电流将大幅度上升，R9两端的电压上升，UC3842的脚3上的电压也上升。当该脚的电压超过正常值0．3V达到1V(即电流超过1．5A)时，UC3842的PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。这时，UC3842的脚6无输出，MOS管S1截止，从而保护了电路。如果供电电压发生过压(在265V以上)，UC3842无法调节占空比，变压器的初级绕组电压大大提高，UC3842的脚7供电电压也急剧上升，其脚2的电压也上升，关闭输出。如果电网的电压低于85V，UC3842的脚1电压也下降，当下降lV(正常值是3．4V)以下时，PWM比较器输出高电平，使PWM锁存器复位，关闭输出。如果人为意外地将输出端短路，这时输出电流将成倍增大，使得自动恢复开关RF内部的热量激增，它立即断开电路，起到过压保护作用。一旦故障排除，自动恢复开关RF在5s之内快速恢复阻抗。因此，此电路具有短路过流、过压、欠压三重保护。1．2．3 反馈电路 反馈电路采用精密稳压源TL431和线性光耦PC817。利用TL43l可调式精密稳压器构成误差电压放大器，再通过线性光耦对输出进行精确的调整。如图2所示，R4、R5是精密稳压源的外接控制电阻，它们决定输出电压的高低，和TL431一并组成外部误差放大器。当输出电压升高时，取样电压VR7也随之升高，设定电压大于基准电压(TL431的基准电压为2．5V)，使TL431内的误差放大器的输出电压升高，致使片内驱动三极管的输出电压降低，也使输出电压Vo下降，最后Vo趋于稳定；反之，输出电压下降引起设置电压下降，当输出电压低于设置电压时，误差放大器的输出电压下降，片内的驱动三极管的输出电压升高，最终使得UC3842的脚1的补偿输入电流随之变化，促使片内对PWM比较器进行调节，改变占空比，达到稳压的目的。R7、R8的阻值是这样计算的：先固定R7的阻值，再计算R8的阻值，即 1．2．4 整流滤波电路 输出整流滤波电路直接影响到电压波纹的大小，影响输出电压的性能。开关电源输出端中对波纹幅值的影响主要有以下几个方面。 (1)输入电源的噪声，是指输入电源中所包含的交流成分。解决的方案是在电源输入端加电容C5，以滤除此噪声干扰。 (2)高频信号噪声，开关电源中对直流输入进行高频的斩波，然后通过高频的变压器进行传输，在这个过程中，必然会掺人高频的噪声干扰。还有功率管器件在开关的过程中引起的高频噪声。对于这类高频噪声的解决方案是在输出端采用π型滤波的方式。滤波电感采用150μH的电感，可滤除高频噪声。 (3)采用快速恢复二极管D6、D7整流。基于低压、功耗低、大电流的特点，有利于提高电源的效率，其反向恢复时间短，有利于减少高频噪声。并联整流二极管减小尖峰电压 在大功率的整流电路中，次级整流桥电路存在较大杂散电感，输出整流管在换流时，由于电路中存在寄生振荡，整流管会承受较大的尖峰电压，尖峰电压的存在提高了对整流二极管的耐压要求，也将带来额外的电路损耗。整流桥的寄生振荡产生于变压器的漏感(或附加的谐振电感)与变压器的绕组电容和整流管的结电容之间。 当副边电压为零时，在全桥整流器中4只二极管全部导通，输出滤波电感电流处于自然续流状态。而当副边电压变化为高电压Vin/K(K为变压器变比)时，整流桥中有两只二极管要关断，两只二极管继续导通。这时候变压器的漏感(或附加的谐振电感)就开始和关断的整流二极管的电容谐振。即使采用快恢复二极管，二极管依然会承受至少两倍的尖峰电压，因此，必须采用有效的缓冲电路，有许多文献对此作了研究，归纳起来有5种方式：RC缓冲电路，RCD缓冲电路，主动箝位缓冲电路，第三个绕组加二极管箝位缓冲电路，原边侧加二极管箝位缓冲电路。在这里提出另一种减小二极管尖峰电压有效的方法：即整流二极管并联，其具体的电路图如图3所示。 并且这种方法在大功率全桥移相DC／DC电源变换器的项目中得到了应用，实验波形验证了该方法，实验结果如图4所示，其中图4(a)是整流桥电压波形，可以看出，由于变压器的漏感和二极管的结电容以及变压器的绕组电容之间发生的高频振荡，使二极管存在很高的尖峰电压；图4(b)是采用并联整流二极管之后整流桥电压波形，明显尖峰电压减小很多，验证了该方法的有效性。实验结果及分析 对设计的电路进行了实验，图5示出了实验波形。图5(a)上波形为UC3842的脚4三角波振荡波形，下波形为UC3842的脚6驱动开关管的PWM波；图5(b)上波形为满载时输出电压直流分量Vdc，下波形为交流纹波Vripp。 UC3842是一种高性能的固定频率电流型控制器，单端输出，可直接驱动晶体管和MOSFET，具有管脚数量少、外围电路简单、安装与调试简便、性能优良、价格低廉等优点，在100W以下的开关电源中有很好的应用前景。 详细：