開機預(yù)偏置電壓問題研究畢業(yè)設(shè)計

1、 畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書開機預(yù)偏置電壓問題研究摘要 隨著社會的發(fā)展以及人們生活水平的提高，市場對電子產(chǎn)品的需求越來越大，由于所有的電子產(chǎn)品都需要有電源對其供電，電源的性能和安全可靠性就顯得至關(guān)重要。電源的高效率、低功耗、小體積、高可靠性已經(jīng)成為大勢所趨，在這種情況下，對電子產(chǎn)品電源安全性能的考慮是必要的。當(dāng)電路由于各種原因出現(xiàn)反向電流時，若反向電流過大，不僅可能燒壞元器件，也可能對負載正常運行造成影響和安全隱患，甚至威脅人們的財產(chǎn)和生命安全。由此可見，對變換器反向電流的研究從各個角度來說都是很有價值的。本文主要闡述的是dc-dc變換器開機過程中的反向電流問題，對于dc-dc變換器來說，當(dāng)主電路

2、開關(guān)管占空比很小，且輸出有一定預(yù)偏置電壓時，可能導(dǎo)致輸出電流反向累積，逐漸增大。在基本理論知識的基礎(chǔ)上，為了防止過大的反向電流對負載正常運行造成的影響和安全隱患，本文在電路中增加了脈沖阻止電路，使電路在檢測到電流反向時阻止續(xù)流開關(guān)管的導(dǎo)通脈沖傳遞至續(xù)流開關(guān)管，以阻止續(xù)流開關(guān)管導(dǎo)通，從而使反向電流無法通過續(xù)流開關(guān)管形成通路，即無法持續(xù)增大，從而達到有效遏制反向電流的目的。關(guān)鍵詞：直流-直流變換器 反向電流 脈沖阻止 預(yù)偏置 abstractas the society develops and peoples standard of living improves, more and more

3、electronic products are needed in the markets. due to the demand of sources to power electronic products, its crucial to possess a high function and reliability for a power supply. to realize the demand of the public, sources of high efficiency, low power loss, small volume as well as high reliabili

4、ty have represented the general trend, so its necessary to lucubrate its safety performance. if by any chance, there be a reverse current and the current be large, this may ruin devices or trigger safe trouble, and even throw a threat to peoples safety of life. from all of these, we can see, its of

5、great value to research the reverse current. as for the dc-dc converter, with a dinky duty ratio and pre-bias voltage, the circuit can own an increasing reverse output current. elaborated on the basic theoretical knowledge, to prevent the reverse current increasing problem, when reverse current dete

6、cted, a pulse blocking circuit is introduced to prevent the freewheel triode from conducting, so as to stop the loop of the reverse current, so the current will be unable to become bigger, that is the purpose to curb the reverse current problem. keywords: dc-dc converter reverse current pulse block

7、pre-bias 目錄 摘要abstract3第一章 緒論51.1 直流變換器國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r51.2 開關(guān)電源發(fā)展趨勢6第二章 pspice仿真平臺72.1 pspice發(fā)展與優(yōu)勢72.2模擬功能8第三章 dc-dc變換器基本原理103.1 dc-dc轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)103.1.1 boost型dc-dc轉(zhuǎn)換器103.1.2 buck 型dc-dc轉(zhuǎn)換器113.1.3 buck/boost型dc-dc轉(zhuǎn)換器123.1.4 電源控制技術(shù)133.2 軟開關(guān)技術(shù)143.2.1 準(zhǔn)諧振電路183.2.2 零開關(guān)pwm203.3 變換器開關(guān)管驅(qū)動電路233.3.1 驅(qū)動電路要求233.3.2幾種mosfet驅(qū)

8、動電路介紹及分析23第四章 變換器開機問題解決方法研究304.1 預(yù)偏置時dc變換器出現(xiàn)的反向電流問題304.2 預(yù)偏置時輸出電流理論分析314.3 預(yù)偏置開機問題的pspice 軟件模擬324.4預(yù)偏置時開機問題解決方案334.4.1 添加簡單脈沖阻止電路344.4.2 添加改進的脈沖阻止電路35第五章 結(jié)論38致謝39參考文獻40 第一章 緒論1.1 直流變換器國內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r直流-直流變換器是直流電源二次側(cè)核心部分，我國的直流電源技術(shù)研究，從理論到實驗、仿真，與世界水平比較是不低的，在一些方面還常有突破，但是在產(chǎn)品方面，結(jié)構(gòu)和工藝的差距就明顯了?，F(xiàn)在看來，我國電源企業(yè)據(jù)統(tǒng)計有幾千家。有條件

9、的企業(yè)能實現(xiàn)整機系統(tǒng)集成、全自動化的生產(chǎn)，產(chǎn)品體積小，具有明顯優(yōu)勢，若價格便宜又能大量供貨，自然就會占領(lǐng)市場。而那些中小企業(yè)或者被兼并或者自然淘汰。 現(xiàn)在我國一些大公司生產(chǎn)的直流開關(guān)電源，性能完全可以和進口產(chǎn)品競爭，因而已有一定數(shù)量的出口。在國內(nèi)的研究領(lǐng)域已出現(xiàn)了一些可喜的動向，如對 0.8v/50a電源模塊的開發(fā)研究，合理選擇優(yōu)化的電路拓撲是重要的，工藝結(jié)構(gòu)可能更重要。因為如此低的電壓和大電流輸出，如果用器件間的導(dǎo)線聯(lián)接將很難達到技術(shù)要求，因此迫使原來作電路拓撲研究的人不得不考慮器件的更合理布局，同時采用集成的工藝結(jié)構(gòu)，以盡量減小內(nèi)部導(dǎo)線的壓降損耗。這也說明作電路拓撲研究的人員，要了解和研究

10、系統(tǒng)集成的知識。某些境外公司在國內(nèi)設(shè)置的電源技術(shù)研究開發(fā)機構(gòu)，近年來也投入技術(shù)力量與資金，成立了系統(tǒng)集成的有關(guān)內(nèi)容，作為應(yīng)用基礎(chǔ)研究的重點，并加大資助強度，這將對我國電力電子系統(tǒng)集成的研究起到非常好地導(dǎo)向作用1。自20世紀(jì)50年代，美國宇航局以小型化重量輕為目標(biāo)而為搭載火箭開發(fā)首個開關(guān)電源以來，在半個多世紀(jì)的發(fā)展中，開關(guān)電源逐步取代了傳統(tǒng)技術(shù)制造的相控穩(wěn)壓電源，并廣泛應(yīng)用于電子整機設(shè)備中。隨著集成電路的發(fā)展，直流-直流開關(guān)電源逐漸向集成化方向發(fā)展，趨于小型化和模塊化。近20年來，集成開關(guān)電源沿兩個方向發(fā)展。第一個方向是對開關(guān)電源的控制電路實現(xiàn)集成化。1977年國外首先研制成脈寬調(diào)制(pwm)控

11、制器集成電路，美國motorola公司、silicon general公司、unitrode公司等相繼推出一系列pwm芯片。近些年來，國外研制出開關(guān)頻率達1mhz的高速pwm、pfm芯片。第二個方向是實現(xiàn)中、小功率開關(guān)電源單片集成化。1994年，美國電源集成公司(power integrations)在世界上率先研制成功三端隔離式pwm型單片開關(guān)電源，其屬于ac/dc電源變換器。之后相繼推出topswitch、topswitch-ii、topswitch-fx、topswitch-gx、peakswitch、linkswitch等系列產(chǎn)品。意-法半導(dǎo)體公司最近也開發(fā)出viper100、vipe

12、r100a、viper100b等中、小功率單片電源系列產(chǎn)品，并得到廣泛應(yīng)用。目前，單片直流開關(guān)電源已形成了幾十個系列、數(shù)百種產(chǎn)品。單片開關(guān)電源自問世以來便顯示出強大的生命力，其作為一項頗具發(fā)展前景和影響力的新產(chǎn)品，引起了國內(nèi)外電源界的普遍關(guān)注。單片開關(guān)電源具有高集成度、高性價比、最簡外圍電路、最佳性能指標(biāo)等特點，現(xiàn)己成為開發(fā)中小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及開關(guān)電源模塊的優(yōu)選集成電路。1.2 開關(guān)電源發(fā)展趨勢目前市場上開關(guān)電源中功率管多采用雙極型晶體管，開關(guān)頻率可達幾十千赫，為提高開關(guān)頻率，須采用高速開關(guān)器件。對于兆赫以上開關(guān)頻率的電源可利用諧振電路，這種工作方式稱為諧振開關(guān)方式。它可以極大地提

13、高開關(guān)速度，理論上開關(guān)損耗為零，噪聲也很小，這是提高開關(guān)電源工作頻率的一種方式。采用諧振開關(guān)方式的兆赫級變換器已經(jīng)實用化。直流開關(guān)電源的技術(shù)追求和發(fā)展趨勢可以概括為以下四個方面。一、小型化、薄型化、輕量化、高頻化開關(guān)電源的體積、重量主要是由儲能元件（磁性元件和電容）決定的，因此開關(guān)電源的小型化實質(zhì)上就是盡可能減小其中儲能元件的體積；在一定范圍內(nèi)，開關(guān)頻率的提高，不僅能有效地減小電容、電感及變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動態(tài)性能。因此，高頻化是開關(guān)電源的主要發(fā)展方向。二、高可靠性開關(guān)電源使用的元器件比連續(xù)工作電源少數(shù)十倍，因此提高了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器及排風(fēng)扇

14、等器件的壽命決定著電源的壽命。所以，要從設(shè)計方面著眼，盡可能使用較少的器件，提高集成度。這樣不但解決了電路復(fù)雜、可靠性差的問題，也增加了保護等功能，簡化了電路，提高了平均無故障時間。三、低噪聲開關(guān)電源的缺點之一是噪聲大。單純地追求高頻化，噪聲也會隨之增大。采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲。所以，盡可能地降低噪聲影響是開關(guān)電源的又一發(fā)展方向。四、采用計算機輔助設(shè)計和控制采用caa和cdd技術(shù)設(shè)計最新變換拓撲和最佳參數(shù)，使開關(guān)電源具有最簡結(jié)構(gòu)和最佳工況。在電路中引入微機檢測和控制，可構(gòu)成多功能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實時檢測、記錄并自動報警等。開關(guān)電源的發(fā)展從來都是與半導(dǎo)體器件

15、及磁性元件等的發(fā)展休戚相關(guān)的。高頻化的實現(xiàn)，需要相應(yīng)的高速半導(dǎo)體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁元件。發(fā)展功率mosfet、igbt等新型高速器件，開發(fā)高頻用的低損磁性材料，改進磁元件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計方法，提高濾波電容的介電常數(shù)及降低其等效串聯(lián)電阻等，對于開關(guān)電源小型化始終產(chǎn)生著巨大的推動作用。開關(guān)電源被譽為高效能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。采用了高頻變壓器和控制集成電路的開關(guān)電源更具有效率高、輸出穩(wěn)定、可靠性高等特性，是今后電源的發(fā)展趨勢。開關(guān)電源產(chǎn)品的主要特點是體積小、重量輕、效率高，正在向著模塊化、擴大輸出電壓范圍、提高輸入端功率因數(shù)、抗電磁干擾性強以及附加備用電池

16、的方向發(fā)展。在開關(guān)電源領(lǐng)域，正展開一系列的技術(shù)更新，例如功率因數(shù)的校正、相位調(diào)制、高頻電源、零電壓和零電流轉(zhuǎn)換以及單片式調(diào)節(jié)器等。這些改進，使開關(guān)電源的性能和效率大為提高，使其應(yīng)用范圍大大拓寬，尤其是在新興的通信領(lǐng)域大有用武之地1。第二章 pspice仿真平臺2.1 pspice發(fā)展與優(yōu)勢 （1）起源與發(fā)展 用于模擬電路仿真的 spice（simulation program with integrated circuit emphasis）軟件于1972年由美國加州大學(xué)伯克利分校的計算機輔助設(shè)計小組利用fortr an語言開發(fā)而成，主要用于大規(guī)模集成電路的計算機輔助設(shè)計。spice的正式版s

17、pice 2g在1975年正式推出，但是該程序的運行環(huán)境至少為小型機。1985年，加州大學(xué)伯克利分校用c語言對spice軟件進行了改寫， 并由microsim公司推出。1988年spice被定為美國國家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與此同時，各種以spice為核心的商用模擬電路仿真軟件，在spice的基礎(chǔ)上做了大量實用化工作，從而使spice成為最為流行的電子電路仿真軟件。 pspice采用自由格式語言的5.0版本自80年代以來在我國得到廣泛應(yīng)用，并且從6.0版本開始引入圖形界面。1998年著名的eda商業(yè)軟件開發(fā)商orcad公司與microsim公司正 式合并，自此microsim公司的pspice產(chǎn)品正式并入

18、orcad公司的商業(yè)eda系統(tǒng)中。不久之后，orcad公司已正式推出了orcad pspice release 10.5，與傳統(tǒng)的spice軟件相比，pspice 10.5在三大方面實現(xiàn)了重大變革：首先，在對模擬電路進行直流、交流和瞬態(tài)等基本電路特性分析的基礎(chǔ)上，實現(xiàn)了蒙特卡羅分析、最壞情況分析以及優(yōu)化設(shè)計等較為復(fù)雜的電路特性分析；第二，不但能夠?qū)δM電路進行，而且能夠?qū)?shù)字電路、數(shù)/?；旌想娐愤M行仿真；第三，集成度大大提高，電路圖繪制完成后可直接進行電路仿真，并且可以隨時分析觀察仿真結(jié)果。pspice軟件的使用已經(jīng)非常流行。在大學(xué)里，它是工科類學(xué)生必會的分析與設(shè)計電路工具；在公司里，它是產(chǎn)品

19、從設(shè)計、實驗到定型過程中不可缺少的設(shè)計工具。 （2）組成pspice是計算機輔助分析設(shè)計中的電路模擬軟件。它主要用于所設(shè)計的電路硬件實現(xiàn)之前，先對電路進行模擬分析。用戶根據(jù)要求來設(shè)置不同的參數(shù)，分析電路的頻率響應(yīng)，測試電路的瞬態(tài)響應(yīng)，還可以對電路進行交直流分析、噪聲分析、最壞情況分析等，使用戶的設(shè)計達到最優(yōu)效果。一個新產(chǎn)品的研制過程需要經(jīng)過工程估算、試驗板搭試、調(diào)整，印刷板排版與制作，裝配與調(diào)試，性能測試，測試指標(biāo)不合格，再從調(diào)整開始循環(huán)，直至指標(biāo)合格為止。而仿真技術(shù)可將“實驗”與“修改”合二為一。（3） 優(yōu)越性pspice軟件具有強大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件

20、符號制作功能，以圖形方式輸入，自動進行電路檢查，生成圖表，模擬和計算電路。它的用途非常廣泛，不僅可以用于電路分析和優(yōu)化設(shè)計，還可用于電子線路、電路和信號與系統(tǒng)等課程的計算機輔助教學(xué)。與印制版設(shè)計軟件配合使用，還可實現(xiàn)電子設(shè)計自動化。被公認是通用電路模擬程序中最優(yōu)秀的軟件，具有廣闊的應(yīng)用前景。這些特點使得pspice受到廣大電子設(shè)計工作者、科研人員和高校師生的熱烈歡迎，國內(nèi)許多高校已將其列入電子類本科生和碩士生的輔修課程。在電路系統(tǒng)仿真方面，pspice可以說獨具特色，是其他軟件無法比擬的，它是一個多功能的電路模擬試驗平臺，pspice軟件由于收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路級仿真，具有快速、準(zhǔn)確的仿

21、真能力。a)圖形界面友好，易學(xué)易用，操作簡單由dos版本的pspice到windows版本的pspice，使得該軟件由原來單一的文本輸入方式而更新升級為輸入原理圖方式，使電路設(shè)計更加直觀形象。只要熟悉windows操作系統(tǒng)就很容易學(xué)，利用鼠標(biāo)和熱鍵一起操作，既提高了工作效率，又縮短了設(shè)計周期。在pspice中，對元件參數(shù)的修改很容易，它只需存一次盤、創(chuàng)建一次連接表，就可以實現(xiàn)一個復(fù)雜電路的仿真。b)功能強大，集成度高在pspice內(nèi)集成了許多仿真功能，如：直流分析、交流分析、噪聲分析、溫度分析等 ，用戶只需在所要觀察的節(jié)點放置電壓（電流）探針，就可以在仿真結(jié)果圖中觀察到其“電壓（或電流）-時間

22、圖”。而且該軟件還集成了諸多數(shù)學(xué)運算，不僅提供基本的數(shù)學(xué)運算，還提供了正弦、余弦、絕對值、對數(shù)、指數(shù)等基本的函數(shù)運算。另外，用戶還可以對仿真結(jié)果窗口進行編輯，如添加窗口、疊加圖形等 ，還具有保存和打印圖形的功能，這些功能都給用戶提供了制作所需圖形的一種快捷、簡便的方法。2.2模擬功能pspice程序的主要功能有非線性直流分析、非線性暫態(tài)分析、線性小信號交流分析、靈敏度分析和統(tǒng)計分析。（1） 直流分析非線性直流分析功能簡稱直流分析。它是計算直流電壓源或直流電流源作用于電路時電路的工作狀態(tài)。對電路進行的直流分析主要包括直流工作點分析、直流掃描分析和轉(zhuǎn)移函數(shù)分析。直流工作點是電路正常工作的基礎(chǔ)。通過

23、對電路進行直流工作點的分析，可以知道電路中各元件的電壓和電流，從而知道電路是否正常工作以及工作的狀態(tài)。一般在對電路進行仿真的過程中，首先要對電路的靜態(tài)工作點進行分析和計算。直流掃描分析主要是將電路中的直流電源、工作溫度、元件參數(shù)作為掃描變量，讓這些參量以特定的規(guī)律進行掃描，從而獲取這些參量變化對電路各種性能參數(shù)的影響。直流掃描分析主要是為了獲得直流大信號暫態(tài)特性。與直流掃描分析相類似的還有溫度分析。在這種分析過程中，將電路的溫度作為掃描變量進行分析。因為電路的主要器件的特性都是與溫度有關(guān)的，所以這就為分析電路在環(huán)境變化是的工作情況提供了一種非常有用的工具。通過這種分析，我們可以預(yù)測電路某些特殊

24、環(huán)境如極端溫度條件或極端電源電壓條件下電路的工作情況，從而在進行電路設(shè)計時采取必要的預(yù)防措施。（2） 暫態(tài)分析非線性暫態(tài)分析簡稱為暫態(tài)分析。暫態(tài)分析計算電路中電壓和電流隨時間的變化，即電路的時域分析。時域分析是指在某一函數(shù)激勵下電路的時域響應(yīng)特性。通過時域分析，設(shè)計者可以清楚地了解到電路中各點的電壓和電流波形以及它們的相位關(guān)系，從而知道電路在交流信號作用下的工作狀況，檢查它們是否滿足電路設(shè)計的要求。（3）交流分析線性小信號交流分析簡稱為交流分析。它是在交流小信號的條件下，對非線性元件選擇合適的線性模型將電路在直流工作點附近線性化，范圍內(nèi)對電路輸入計算出電路的幅頻特性、相頻特性、輸入電阻、輸出電

25、阻等。這種分析等效于電路的穩(wěn)態(tài)分析即頻域分析。頻域分析用于分析電路的頻域響應(yīng)即頻率響應(yīng)特性。小信號轉(zhuǎn)移特性分析主要分析在小信號輸入的情況下，電路的各種轉(zhuǎn)移函數(shù)，通常分析的是電路的電壓放大倍數(shù)。在模擬電路中，無源器件和有源器件均會產(chǎn)生噪聲，主要包括電阻上產(chǎn)生的熱噪聲，半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的散粒噪聲和閃爍噪聲。通過噪聲分析可以計算出各器件在某一輸出節(jié)點產(chǎn)生的總噪聲以及某一輸入節(jié)點的等效輸入噪聲。從而可以分析一個電路產(chǎn)生噪聲的主要來源，采取一定的電路設(shè)計措施來減小噪聲的影響。（4） 靈敏度分析靈敏度分析包括直流靈敏度分析和蒙特卡羅分析兩種。直流靈敏度分析業(yè)稱為靈敏度分析。它是在工作點附近將所有的元件線性化

26、后，計算各元器件參數(shù)值變化時對電路性能影響的敏感程度。通過對電路進行靈敏度分析，可以預(yù)先知道電路中的各個元件對電路的性能影響的重要程度。對于那些對電路性能有重要影響的元件，要在電路的生產(chǎn)或元件的選擇時給予特別的關(guān)注。 （5）仿真步驟 1)放置所需元件（包括電源）； 2)連接導(dǎo)線； 3)設(shè)定要執(zhí)行的模擬內(nèi)容； 4）設(shè)定probe； 5）執(zhí)行模擬。 6）利用probe觀察模擬結(jié)果。第三章 dc-dc變換器基本原理3.1 dc-dc轉(zhuǎn)換器系統(tǒng) 3.1.1 boost型dc-dc轉(zhuǎn)換器boost型dc-dc轉(zhuǎn)換器是一種升壓型dc-dc變換電路，輸出電壓大于輸入電壓。vt的占空比dy必須小于1。輸入電流

27、連續(xù)2。圖1 boost型dc-dc轉(zhuǎn)換器boost變換器的參數(shù)計算與器件選擇：流過電感l(wèi)的電流最大值 (1)其中為輸入電流，為負載電流，為占空比，為開關(guān)頻率。開關(guān)管vt和續(xù)流二極管d承受的最大電壓為。開關(guān)管vt和續(xù)流二極管d的電壓定額為 (2) 開關(guān)管vt和續(xù)流二極管d的電流定額為 (3)濾波電感的計算，由 (4) 得濾波電感量為 (5)濾波電容的計算，如果輸出電壓脈動很小，則輸出脈動電壓由下式?jīng)Q定： (6)濾波電容量為 (7)3.1.2 buck 型dc-dc轉(zhuǎn)換器buck 型dc-dc轉(zhuǎn)換器是一種降壓型dc-dc變換電路，輸出電壓小于或等于輸入電壓。輸入電流斷續(xù)。圖2 buck型dc-d

28、c轉(zhuǎn)換器buck變換器的參數(shù)計算與器件選擇：流過電感l(wèi)的電流最大值 (8)其中為負載電阻，為負載電流，為占空比，為開關(guān)周期。開關(guān)管vt和續(xù)流二極管d承受的最大電壓為。開關(guān)管vt和續(xù)流二極管d的電壓定額為 (9)開關(guān)管vt和續(xù)流二極管vd的電流定額為 (10)濾波電感的計算，由 (11)得濾波電感量為 (12)當(dāng)=0.5時，l最大。濾波電容的計算，電容c在一個開關(guān)周期內(nèi)的充電電荷為 (13)輸出脈動電壓為 (14)濾波電容量為 (15) 3.1.3 buck/boost型dc-dc轉(zhuǎn)換器buck/boost型是一種升降壓型dc-dc變換電路，輸出電壓大于或小于輸入電壓。輸出電壓極性和輸入電壓極性

29、相反。輸入電流斷續(xù)3。圖3 buck/boost型轉(zhuǎn)換器功率開關(guān)管 vt導(dǎo)通時，隔離二極管 d因承受反向偏壓而關(guān)斷。輸入電源電壓 uin加在貯能電感 l 兩端，電感電流為 (16)功率開關(guān)管導(dǎo)通結(jié)束（t=ton）時，流過電感中的電流達到最大值，即 (17)功率開關(guān)管關(guān)斷時，電感兩端產(chǎn)生反向電壓，即下端為正，上端為負。隔離二極管d因承受正向電壓而導(dǎo)通，忽略 d的正向電壓降，電感兩端的電壓即為輸出電壓 uo，即 (18)功率開關(guān)管關(guān)斷期間，電感 l 中的貯能通過負載電阻 rl和濾波電容 c 釋放，il由最大值開始下降： (19)當(dāng) vt關(guān)斷結(jié)束（t=ton+toff）時，電感電流下降到最小值，即

30、(20)將電感電流的最小值代入表達式中，可得 (21)由上式可見，當(dāng)占空比 大于 0.5 時，輸出電壓高于輸入電壓；當(dāng)占空比小于 0.5 時，輸出電壓低于輸入電壓，因此，該電路稱為升壓/降壓型 dc-dc 轉(zhuǎn)換器4。 3.1.4 電源控制技術(shù) （1） pwm控制 pwm控制就是對脈沖的寬度進行調(diào)制的技術(shù)。即通過對一系列脈沖的寬度進行調(diào)制來等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。在采樣控制理論中有一條重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環(huán)節(jié)上時，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積。效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。上述原理稱為面積等效原理。以正弦pwm控制為例。把正弦半波分成n

31、等分，就可把其看成是n個彼此相連的脈沖列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 n，但幅值不等且脈沖頂部不是水平直線而是曲線，各脈沖幅值按正弦規(guī)律變化。如果把上述脈沖列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點和相應(yīng)正弦波部分的中點重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積(沖量)相等，就得到pwm波形。各pwm脈沖的幅值相等而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，pwm波形和正弦半波是等效的。對于正弦波的負半周，也可以用同樣的方法得到pwm波形?？梢?，所得到的pwm波形和期望得到的正弦波等效。 （2）pfm控制 pfm是一種脈沖調(diào)制技術(shù)，調(diào)制信號的頻率隨輸入信號幅

32、值而變化，其占空比不變。由于調(diào)制信號通常為頻率變化的方波信號，因此，pfm也叫做方波fm，pwm是頻率的寬和窄的變化,pfm是頻率的有和無的變化, pwm是利用波脈沖寬度控制輸出,pfm是利用脈沖的有無控制輸出.其中pwm是目前應(yīng)用在開關(guān)電源中最為廣泛的一種控制方式，它的特點是噪音低、滿負載時效率高且能工作在連續(xù)導(dǎo)電模式，現(xiàn)在市場上有多款性能好、價格低的pwm集成芯片，如ucl84228423842、tdal6846、tl494、sgl52525253525等；pfm具有靜態(tài)功耗小的優(yōu)點，但它沒有限流的功能也不能工作于連續(xù)導(dǎo)電方式，具有pfm功能的集成芯片有max641、tl497等；其基本工

33、作原理就是當(dāng)輸出電壓vo升高時，控制器輸出信號的脈沖寬度不變而周期變長，使占空比減小，vo降低。最近幾年pfm控制方式在開關(guān)電源中使用日益增多，具有以下優(yōu)點：在輕負載下效率很高，工作頻率高，頻率特性好，電壓調(diào)整率高。存在以下缺點：負載調(diào)整范圍窄，濾波成本高5。（3） pwm/pfm控制對于額定功率時工作在pwm模式的開關(guān)電源，也可以通過切換至pfm模式提高待機效率，即固定開通時間，調(diào)節(jié)關(guān)斷時間，負載越低，關(guān)斷時間越長，工作頻率也越低。將待機信號加在其pw/引腳上，在額定負載條件下，該引腳為高電平，電路工作在pwm模式，當(dāng)負載低于某個閾值時，該引腳被拉為低電平，電路工作在pfm模式。實現(xiàn)pwm和

34、pfm的切換，也就提高了輕載和待機狀態(tài)時的電源效率。通過降低時鐘頻率和切換工作模式實現(xiàn)降低待機工作頻率，提高待機效率，可保持控制器一直在運作，在整個負載范圍中，輸出都能被妥善的調(diào)節(jié)。即使負載從零激增至滿負載的情況下，能夠快速反應(yīng)，反之亦然。輸出電壓降和過沖值都保持在允許范圍內(nèi)7。 （4） psm控制 psm調(diào)制方式是開關(guān)電源中一種新的控制方式，稱為脈沖跨周調(diào)制。將負載端反饋信號轉(zhuǎn)換為數(shù)字電平，在時鐘上升沿檢測該反饋信號電平?jīng)Q定是否在該時鐘周期內(nèi)工作，調(diào)節(jié)開關(guān)管的導(dǎo)通時間，從而穩(wěn)定輸出電壓。其工作波為圖4 psm工作波形目前psm控制方式已經(jīng)用于開關(guān)電源，具有以下優(yōu)點：在負載較輕時率很高，工作頻

35、率高，頻率特性好，功率管開關(guān)次數(shù)少，適用于小功率電源管理ic。存在如下缺點：輸出紋波大，輸入電壓調(diào)整能力弱6。3.2 軟開關(guān)技術(shù)開關(guān)分為軟開關(guān)和硬開關(guān)，其中硬開關(guān)的特點為：開關(guān)過程中電壓、電流均不為零，出現(xiàn)了重疊，有顯著的開關(guān)損耗。電壓和電流變化的速度很快，波形出現(xiàn)了明顯的過沖，從而產(chǎn)生了開關(guān)噪聲。如圖開關(guān)損耗與開關(guān)頻率之間呈線性關(guān)系，因此當(dāng)硬電路的工作頻率不太高時，開關(guān)損耗占總損耗的比例并不大，但隨著開關(guān)頻率的提高，開關(guān)損耗就越來越顯著。硬開關(guān)電路及其導(dǎo)通與關(guān)斷過程波形圖如圖5至圖8所示7。 圖5 硬開關(guān)降壓型電路圖 圖6 硬開關(guān)降壓型理想化波形 touipouituuiipo 圖7 硬開關(guān)

36、關(guān)斷過程 圖8 硬開關(guān)開通過程對應(yīng)的軟開關(guān)電路圖如圖9所示。 圖9 軟開關(guān)降壓型電路圖 其特點：軟開關(guān)電路中增加了諧振電感l(wèi)r和諧振電容cr，與濾波電感l(wèi)、電容c相比，lr和cr的值小得多，同時開關(guān)s增加了反并聯(lián)二極管，而硬開關(guān)電路中不需要這個二極管。降壓型零電壓開關(guān)準(zhǔn)諧振電路中，在開關(guān)過程前后引入諧振，使開關(guān)開通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，消除了開關(guān)過程中電壓、電流的重疊，從而大大減小甚至消除開關(guān)損耗，同時，諧振過程限制了開關(guān)過程中電壓和電流的變化率，這使得開關(guān)噪聲也顯著減小。其電壓、電流波形圖如圖10至圖12所示8。 圖10 理想化波形 uioittou 圖11 軟開關(guān)關(guān)斷過程 圖

37、12 軟開關(guān)開通過程 3.2.1 準(zhǔn)諧振電路 （1） 零電壓準(zhǔn)諧振在基本buck變換器電路中加入lr、cr，變成并聯(lián)電容型零電壓開關(guān)，構(gòu)成零電壓型準(zhǔn)諧振buck變換器，如下圖所示。 圖13 零電壓型準(zhǔn)諧振buck變換電路零電壓型準(zhǔn)諧振buck變換器也可分為六個工作階段，如圖14所示。 圖14 零電壓準(zhǔn)諧振工作波形圖選擇開關(guān)vt1的關(guān)斷時刻為起始點。t0之前，開關(guān)管q1處于導(dǎo)通狀態(tài)，二極管d處于截止?fàn)顟B(tài)，cr上的電壓ucr=0，流過lr的電流為輸出電流io。t0-t1階段，開關(guān)管vt1在t0時刻關(guān)斷，輸出電流io流過電容cr，對cr充電，cr兩端的電壓vcr線性上升，二極管d還是處于截止?fàn)顟B(tài)，d

38、兩端的電壓ud下降。當(dāng)vcr上升到輸入電壓uin時，二極管d兩端的電壓ud下降到零，d導(dǎo)通，這個階段結(jié)束。t1-t2階段，t1時刻vcr=uin，ud=0，二極管d導(dǎo)通，電感l(wèi)r和電容cr開始諧振，開關(guān)管vt1上的電壓ucr為正弦波，ucr上升，ilr下降。當(dāng)ucr諧振到峰值，ilr下降到零，這個階段結(jié)束。 t2-t3階段，t2時刻，ilr=0，lrcr繼續(xù)諧振，ilr改變方向，ucr下降，當(dāng)ucr=vin時，ilr達到反向諧振峰值，這個階段結(jié)束。 t3-t4階段，t3時刻以后，ucr繼續(xù)下降，ilr反向減小，直到ucr=0，這個階段結(jié)束。t4-t5階段，ucr箝位在零，q1的反并聯(lián)二極管vd

39、導(dǎo)通，ilr反向線性減小，直到ilr=0，這個階段結(jié)束。這個階段q1在零電壓導(dǎo)通。 t5-t6階段，q1已導(dǎo)通，ilr線性上升，直到t6時刻，ilr=io，d關(guān)斷。一個周期結(jié)束。調(diào)節(jié)這個時間段長度可調(diào)節(jié)輸出電壓，這種調(diào)節(jié)方式也是調(diào)節(jié)開關(guān)周期實現(xiàn)調(diào)壓，不過是q1的關(guān)斷時間固定，不能小于t0-t4時間段9。（2） 零電流準(zhǔn)諧振在基本buck變換器電路中加入lr、cr，變成串聯(lián)電感型零電流開關(guān)，構(gòu)成零電流型準(zhǔn)諧振buck變換器，如圖15所示。在分析過程中，假定電感l(wèi)f很大，輸出電流為恒電流io。其工作波形如圖16所示。圖15 零電流型準(zhǔn)諧振buck變換電路 圖16 零電流型準(zhǔn)諧振工作波形圖t0-t1

40、階段，開關(guān)管q1在t0時刻導(dǎo)通，由于電感l(wèi)r的作用，q1在零電流下導(dǎo)通。由于ilr<io，ilr 在vin的作用下線性上升。t1時刻，ilr上升到輸出電流io，這個階段結(jié)束。 t1-t2階段，t1時刻，ilr上升到輸出電流io，二極管d截止，電感l(wèi)r和電容cr開始諧振，通過開關(guān)管q1上的電流ilr近似為正弦波，加在二極管vd上的電壓和諧振電容上的電壓一樣，也是正弦波，其峰值達到兩倍的輸入電壓。ilr上升后下降，ta時刻，ilr下降到零后，ilr通過q1的反并聯(lián)二極管vd繼續(xù)向反方向諧振，并將能量反饋給輸入電源。tb時刻當(dāng)ilr再次諧振回到零，這個階段結(jié)束。在ta到tb時間段內(nèi)，vt1是以

41、零電流關(guān)斷。t2-t3階段，在這一個時間段，開關(guān)管q1已斷開，二極管d還處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出電流io通過cr流通，電容cf處于線性放電狀態(tài)。t3-t4階段，t3時刻cr上的電壓為零，二極管d導(dǎo)通，輸出電流io通過二極管d續(xù)流，電容電壓被箝位在零，這時有：ilr=0。vcr=0。這個時間段長度取決于開關(guān)周期。調(diào)節(jié)這個時間段長度可調(diào)節(jié)輸出電壓，這種調(diào)節(jié)方式是調(diào)節(jié)開關(guān)周期實現(xiàn)調(diào)壓，也就是調(diào)頻調(diào)壓。q1的導(dǎo)通時間固定，不能小于t0-ta時間段。3.2.2 零開關(guān)pwm 零開關(guān) pwm 轉(zhuǎn)換器可分為零電壓開關(guān) pwm 轉(zhuǎn)換器和零電流開關(guān)pwm 轉(zhuǎn)換器10。該類轉(zhuǎn)換器是在準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上，加入一個輔助開

42、關(guān)管，來控制諧振元件的諧振過程，實現(xiàn)恒定頻率控制，即實現(xiàn) pwm 控制。與準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器不同的是，諧振元件的諧振工作時間與開關(guān)周期相比很短，一般為開關(guān)周期的1/101/5。零電壓開關(guān)pwm：下圖為零電壓開關(guān)pwm電路圖圖17 零電壓開關(guān)pwm其中，vt1為主開關(guān)管，vt2為輔助開關(guān)管，lr與 cr分別為諧振電感與諧振電容。下圖為該轉(zhuǎn)換器在一個 pwm 周期內(nèi)的工作波形：圖18 零電壓pwm一個周期工作波形圖zvs pwm 轉(zhuǎn)換器可以實現(xiàn)恒頻控制的 zvs，而且電流應(yīng)力小，但電壓應(yīng)力較大。由于電感串聯(lián)在主回路中，實現(xiàn) zvs 的條件與電源電壓及負載的變化有關(guān)。零電流開關(guān)pwm：下圖為零電流pwm轉(zhuǎn)

43、換器電路圖圖19 零電流pwm轉(zhuǎn)換器其中，vt1為主開關(guān)管，vt2為輔助開關(guān)管，vdt1和 vdt2分別為與主開關(guān)管與輔助開關(guān)管反并聯(lián)的場效應(yīng)管的體內(nèi)二極管，lr與 cr分別為諧振電感與諧振電容。下圖為該轉(zhuǎn)換器在一個 pwm 周期內(nèi)的工作波形：圖20 零電流pwm一個周期工作波形圖buck 型 zcs-pwm 電路的最大優(yōu)點是實現(xiàn)了恒頻控制的 zcs 工作方式，且主開關(guān)管與輔助開關(guān)管的電壓應(yīng)力小，在一個周期內(nèi)承受的最大電壓為電源電壓，但續(xù)流二極管承受的電壓應(yīng)力較大，最大時為兩倍的電源電壓，而且由于諧振電感在主電路中，使得實現(xiàn) zcs 的條件與電源電壓和負載變化有關(guān)11。3.3 變換器開關(guān)管驅(qū)動

44、電路 3.3.1 驅(qū)動電路要求直流開關(guān)電源由于體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點,應(yīng)用已越來越普及。mosfet由于開關(guān)速度快、易并聯(lián)、所需驅(qū)動功率低等優(yōu)點已成為開關(guān)電源最常用的功率開關(guān)器件之一。而驅(qū)動電路的好壞直接影響開關(guān)電源工作的可靠性及性能指標(biāo)。一個好的mosfet驅(qū)動電路的要求是：（1）開關(guān)管開通瞬時,驅(qū)動電路應(yīng)能提供足夠大的充電電流使mosfet柵源極間電壓迅速上升到所需值,保證開關(guān)管能快速開通且不存在上升沿的高頻振蕩;（2）開關(guān)管導(dǎo)通期間驅(qū)動電路能保證mosfet柵源極間電壓保持穩(wěn)定使可靠導(dǎo)通;（3）關(guān)斷瞬間驅(qū)動電路能提供一個盡可能低阻抗的通路供mosfet柵源極間電容電壓的快速泄放,保

45、證開關(guān)管能快速關(guān)斷;（4）關(guān)斷期間驅(qū)動電路最好能提供一定的負電壓避免受到干擾產(chǎn)生誤導(dǎo)通;（5）另外要求驅(qū)動電路結(jié)構(gòu)簡單可靠,損耗小,最好有隔離12。 3.3.2幾種mosfet驅(qū)動電路介紹及分析 (1) 不隔離的互補驅(qū)動電路 (a) (b) (a) 簡單的小功率驅(qū)動電路 （b）開關(guān)速度要求較高的驅(qū)動電路 圖21 常用的不隔離的互補驅(qū)動電路 圖21（a）為常用的小功率驅(qū)動電路,簡單可靠成本低。適用于不要求隔離的小功率開關(guān)設(shè)備。圖21(b)所示驅(qū)動電路開關(guān)速度很快,驅(qū)動能力強,為防止倆個mosfet管直通,通常串接一個0.51小電阻用于限流,該電路適用于不要求隔離的中功率開關(guān)設(shè)備。這兩種電路結(jié)構(gòu)特

46、簡單13。功率mosfet屬于電壓型控制器件,只要柵極和源極之間施加的電壓超過其閾值電壓就會導(dǎo)通。由于mosfet存在結(jié)電容,關(guān)斷時其漏源兩端電壓的突然上升將會通過結(jié)電容在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓。常用的互補驅(qū)動電路的關(guān)斷回路阻抗小,關(guān)斷速度較快,但它不能提供負壓,故其抗干擾性較差。為了提高電路的抗干擾性,可在此種驅(qū)動電路的基礎(chǔ)上增加一級由v1、v2、r組成的電路,產(chǎn)生一個負壓,電路原理圖如圖22(a)所示。 (a) (b) (a) 雙電源互補驅(qū)動 （b）單電源互補驅(qū)動 圖22 提供負壓的互補驅(qū)動 當(dāng)v1導(dǎo)通時,v2關(guān)斷,兩個mosfet中的上管的柵、源極放電,下管的柵、源極充電,即上管關(guān)斷、下管

47、導(dǎo)通,則被驅(qū)動的功率管關(guān)斷;反之v1關(guān)斷時,v2導(dǎo)通,上管導(dǎo)通,下管關(guān)斷,使驅(qū)動的管子導(dǎo)通。因為上下兩個管子的柵、源極通過不同的回路棄、放電,包含有v2的回路由于v2會不斷退出飽和直至關(guān)斷,對于s1而言導(dǎo)通比關(guān)斷要慢,對于s2而言導(dǎo)通比關(guān)斷要快,而兩管發(fā)熱程度也不完全一樣,s1比s2要嚴重。該驅(qū)動電路的缺點是需要雙電源,且由于r的取值不能過大,否則會使v1深度飽和,影響關(guān)斷速度,所以r上會有一定的損耗。還有一種與其相類似的電路如圖22(b)所示,改進之處在于它只需要單電源。其產(chǎn)生的負壓由5.2v的穩(wěn)壓管提供。同時pnp管換成npn管。在該電路中的兩個mosfet中,上管的發(fā)熱情況要比下管較輕,

48、其工作原理同上面分析的驅(qū)動電路 (2) 隔離的驅(qū)動電路(a) (b) （a）正激式驅(qū)動電路 （b）等值電路 圖23 正激式驅(qū)動電路（a） （b） （a） 去磁繞組導(dǎo)通 （b）去磁繞組不導(dǎo)通 圖24 正激式驅(qū)動電路工作波形a. 正激式驅(qū)動電路 電路原理圖如圖23(a)所示,n3為去磁繞組,s2為所驅(qū)動的功率管。r2為防止功率管柵極、源極端電壓振蕩的一個阻尼電阻。因變壓器漏感較小,且從速度方面考慮,一般r2較小,故在分析中忽略不計。其工作波形分為兩種情況,一種為去磁繞組導(dǎo)通的情況,見圖24（a）;一種為去磁繞組不導(dǎo)通的情況,見圖24(b)。等值電路圖如圖23(b)所示,脈沖變壓器的副邊并聯(lián)電阻r1

49、,它做為正激式變換器的假負載,用于消除關(guān)斷期間輸出電壓發(fā)生振蕩而誤導(dǎo)通,見圖2514。 圖25 正激式驅(qū)動不加負載時的實驗波形同時它還可作為功率mosfet關(guān)斷時的能量泄放回路。該驅(qū)動電路的導(dǎo)通速度主要與被驅(qū)動的s2柵源極等效輸入電容的大小、s1的驅(qū)動信號的速度以及s1所能提供的電流大小有關(guān)。由仿真及分析可知,占空比d越小、r1越大、l越大,磁化電流越小,u1值越小,關(guān)斷速度越慢。該電路具有以下優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)簡單可靠,實現(xiàn)了隔離驅(qū)動。只需單電源即可提供導(dǎo)通時正、關(guān)斷時負壓。占空比固定時,通過合理的參數(shù)設(shè)計,此驅(qū)動電路也具有較快的開關(guān)速度。該電路存在的缺點：一是由于隔離變壓器副邊需要一個假負載防

50、震蕩,故該電路損耗較大;二是當(dāng)占空比變化時關(guān)斷速度變化加大。脈寬較窄時,由于是貯存的能量減少導(dǎo)致mosfet柵極的關(guān)斷速度變慢。表1為不同占空比時關(guān)斷時間toff（驅(qū)動電壓從10伏下降到0伏的時間）內(nèi)變化情況。表1不同占空比時toff的變化情況占空比0.30.370.45toff(微秒）2.40.80.4 （a） (b) （a）d<0.5 （b） d>0.5 圖26 有隔離變壓器的互補驅(qū)動b. 有隔離變壓器的互補驅(qū)動電路 如圖26(a)所示,v1、v2為互補工作,電容c起隔離直流的作用,t1為高頻、高磁率的磁環(huán)或磁罐。占空比d<0.5,導(dǎo)通時隔離變壓器上的電壓為(1d)ui、關(guān)斷時為dui,若主功率管s可靠導(dǎo)通電壓為12v,則隔離變壓器原副邊匝比n1/n2為12/(1d)/ui。為保證導(dǎo)通期間gs電壓穩(wěn)定c值可稍取大些。實驗波形見圖27(a)。該電路具有以下優(yōu)點：電路結(jié)構(gòu)較簡單可靠,具有電氣隔離作用。當(dāng)脈寬變化時,驅(qū)動的關(guān)斷能力不會隨著變化。該電路只需一個電源,即為單電源工作。隔直電容c的作用可以在關(guān)斷所驅(qū)動的管子時提供一個負壓,從而加速了功率管的關(guān)斷,且有較高的抗干擾能力。（a） (b) （a）d<0.5 (b)d>0.5 圖27 有隔離變