畢業(yè)設(shè)計（論文）-開關(guān)電源設(shè)計.doc

武漢工程大學(xué)畢業(yè)設(shè)計（論文）說明書一 緒論1 背景隨著電力電子技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備與人們的工作、生活的關(guān)系日益密切，而電子設(shè)備都離不開可靠的電源，進入80年代計算機電源全面實現(xiàn)了開關(guān)電源化，率先完成計算機的電源換代，進入90年代開關(guān)電源相繼進入各種電子、電器設(shè)備領(lǐng)域，開關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高、對電網(wǎng)電壓適應(yīng)范圍寬等優(yōu)勢，在許多領(lǐng)域中取代了傳統(tǒng)的線性電源，被廣泛用于電視機、計算機、自動控制裝置、產(chǎn)業(yè)機械、通信裝置等各個領(lǐng)域，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。信息產(chǎn)業(yè)的迅猛發(fā)展使得各種電子設(shè)備對電源性能的要求越來越高。 因此,開關(guān)電源的研究具有十分重要的意義。微處理芯片技術(shù)飛速發(fā)展，微處理芯片對電源性能指標(biāo)（特別是瞬間響應(yīng)）的要求越來越嚴格。開關(guān)電源在醫(yī)療器械領(lǐng)域也有廣泛地發(fā)展，由于醫(yī)療器械對安全性要求高，因而，提高開關(guān)電源的可靠性十分必要。V2控制方法由于具有對負載變化的超快的響應(yīng)速度，又望成為新一代電源的首選控制方法。本文主要在提高開關(guān)電源的動態(tài)響應(yīng)和可靠性等指標(biāo)方面給出了一些研究。2 開關(guān)電源的發(fā)展趨勢及動向開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源。從廣義上講，開關(guān)電源是指采用 PWM控制方式的供電裝置，包括 ACDC變換器、DCDC轉(zhuǎn)換器、逆變器、充電器和UPS電源等。1955年美國羅耶（GH.Roger)發(fā)明的自激振蕩推挽晶體管單變壓器直流變換器，是實現(xiàn)高頻轉(zhuǎn)換控制電路的開端。1957年美國查賽（Jen Sen)發(fā)明了自激式推挽雙變壓器，1964年美國科學(xué)家們提出取消工頻變壓器的串聯(lián)開關(guān)電源的設(shè)想，這對電源向體積和重量的下降獲得了一條根本的途徑。到了1969年，由于大功率硅晶體管的耐壓提高，二極管反向恢復(fù)時間的縮短等元器件改善，終于做成了25千赫的開關(guān)電源。 上世紀60年代，開關(guān)電源的問世，使其逐步取代了線性穩(wěn)壓電源和SCR相控電源。40多年來，開關(guān)電源技術(shù)有了飛迅發(fā)展和變化，經(jīng)歷了功率半導(dǎo)體器件、高頻化和軟開關(guān)技術(shù)、開關(guān)電源系統(tǒng)的集成技術(shù)三個發(fā)展階段。自上世紀80年代開始，高頻化和軟開關(guān)技術(shù)的開發(fā)研究，使功率變換器性能更好、重量更輕、尺寸更小。高頻化和軟開關(guān)技術(shù)是過去20年國際電力電子界研究的熱點之一。上世紀90年代中期，集成電力電子系統(tǒng)和集成電力電子模塊(IPEM)技術(shù)開始發(fā)展，它是當(dāng)今國際電力電子界亟待解決的新問題之一。目前，開關(guān)電源以小型、輕量和高效率的特點被廣泛應(yīng)用于以電子計算機為主導(dǎo)的各種終端設(shè)備、通信設(shè)備等幾乎所有的電子設(shè)備，是當(dāng)今電子信息產(chǎn)業(yè)飛速發(fā)展不可缺少的一種電源方式。開關(guān)電源的發(fā)展方向是高頻、高可靠、低耗、低噪聲、抗干擾和模塊化。由于開關(guān)電源輕、小、薄的關(guān)鍵技術(shù)是高頻化，因此國外各大開關(guān)電源制造商都致力于同步開發(fā)新型高智能化的元器件，特別是改善二次整流器件的損耗，并在功率鐵氧體（Mn-Zn）材料上加大科技創(chuàng)新，以提高在高頻率和較大磁通密度（Bs）下獲得高的磁性能，而電容器的小型化也是一項關(guān)鍵技術(shù)。SMT技術(shù)的應(yīng)用使得開關(guān)電源取得了長足的進展，在電路板兩面布置元器件，以確保開關(guān)電源的輕、小、薄。開關(guān)電源的高頻化就必然對傳統(tǒng)的PWM開關(guān)技術(shù)進行創(chuàng)新，實現(xiàn)ZVS、ZCS的軟開關(guān)技術(shù)已成為開關(guān)電源的主流技術(shù)，并大幅提高了開關(guān)電源工作效率。對于高可靠性指標(biāo)，美國的開關(guān)電源生產(chǎn)商通過降低運行電流，降低結(jié)溫等措施以減少器件的應(yīng)力，使得產(chǎn)品的的可靠性大大提高。模塊化是開關(guān)電源發(fā)展的總體趨勢，可以采用模塊化電源組成分布式電源系統(tǒng)，可以設(shè)計成N1冗余電源系統(tǒng)，并實現(xiàn)并聯(lián)方式的容量擴展。針對開關(guān)電源運行噪聲大這一缺點，若單獨追求高頻化其噪聲也必將隨著增大，而采用部分諧振轉(zhuǎn)換電路技術(shù)，在理論上即可實現(xiàn)高頻化又可降低噪聲，但部分諧振轉(zhuǎn)換技術(shù)的實際應(yīng)用仍存在著技術(shù)問題，故仍需在這一領(lǐng)域開展大量的工作，以使得該項技術(shù)得以實用化。二 開關(guān)電源的控制方法的比較1 開關(guān)電源的基本工作原理開關(guān)電源的工作方塊圖如下：圖2-1 開關(guān)電源的工作框圖從上圖中，可以將開關(guān)電源的工作過程歸納如下：a) 交流電源輸入經(jīng)整流濾波成直流；b) 通過高頻PWM(脈沖寬度調(diào)制)信號控制開關(guān)管,將a)中轉(zhuǎn)換的直流加到開關(guān)變壓器 初級上；c) 開關(guān)變壓器次級感應(yīng)出高頻電壓,經(jīng)整流濾波供給負載；d) 輸出部分通過一定的電路反饋給控制電路,控制PWM占空比,以達到穩(wěn)定輸出的目 的.電源可以簡單的認為是由功率級和控制電路組成。功率級為功率變換的主體，主要是通過開關(guān)器件和電感、電容器件實現(xiàn)功率變換。主要特點是:通過調(diào)節(jié)開關(guān)器件的工作狀態(tài)，來取得所希望的功率變換和一定的輸出。開關(guān)電源的主要組成部分是開關(guān)DC-DC變換器，它是整個變換的核心。這里主要介紹DC-DC變換器。根據(jù)DCDC變換器的工作方式，DCDC 變換器可以分為：PWM 變換器、諧振變換器、軟開關(guān)PWM變換器和零轉(zhuǎn)換PWM變換器、諧振變換器、軟開關(guān)PWM變換器和零轉(zhuǎn)換PWM變換器等。下面主要對PWM變換技術(shù)進行詳細。調(diào)制PWM技術(shù)（相對于軟開關(guān)技術(shù)，PWM也稱為硬開關(guān)）由于其電路簡單、控制方便而得到了廣泛應(yīng)用。1976年美國硅通用公司第一個做出了單片集成控制芯片SG1524，稱為脈寬調(diào)制器。從此，PWM技術(shù)的應(yīng)用和發(fā)展開始進入了相對成熟的階段。 目前，應(yīng)用PWM技術(shù)的變換器運行的最佳頻率范圍是30-50KHZ（使用MOSFET做開關(guān)管）。在這個范圍內(nèi)，整個系統(tǒng)無論體積、重量、可靠性和價格都基本實現(xiàn)了最佳。但是，常規(guī)PWM技術(shù)的固有缺陷限制了其進一步的高頻化，表現(xiàn)在：第一，開關(guān)器件導(dǎo)通和關(guān)斷的過程中，電壓和電流的波形重疊，產(chǎn)生了開關(guān)功耗，并且該損耗隨著開關(guān)頻率的提高而增大。第二，電路的寄生電感和寄生電容在高頻時產(chǎn)生嚴重的電壓尖峰和浪涌電流。由于這些局限性，迫使人們另有想法，圍繞著減小開關(guān)損耗，消除或緩解電路中寄生參數(shù)的影響而提出了諧振變換技術(shù)。諧振變換技術(shù)可以使開關(guān)器件在零電壓或零電流的條件下進行開關(guān)狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，從而可以大大降低開關(guān)損耗。諧振變換電路主要有串聯(lián)諧振、并聯(lián)諧振、準(zhǔn)諧振、E類諧振、多諧振等。這類變換器利用諧振原理使開關(guān)管兩端的電壓或流過開關(guān)管的電流在一個周期內(nèi)有一段時間呈正弦規(guī)律變換，電壓和電流波形錯開，從而實現(xiàn)了零電壓開關(guān)（ZVS）或零電流開關(guān)（ZCS）條件，使得開關(guān)管自然導(dǎo)通或關(guān)斷。零電流開關(guān)的特點是能保證運行中開關(guān)器件在關(guān)斷信號來臨之前，流經(jīng)開關(guān)管的電流已經(jīng)下降到零，即保證了器件在零電流條件下斷開；零電壓開關(guān)的特點是保證運行中器件在開通信號之前，開關(guān)管的端電壓已經(jīng)下降到零，從而使開關(guān)管能夠在零電壓下導(dǎo)通。與PWM變換器相比，諧振式變換器具有許多優(yōu)點：a) 寄生參數(shù)納入諧振元件后，大大降低了電路中的di/dt或dv/dt；儲存在寄生電感和寄生電容中的能量可以通過諧振回饋到電網(wǎng)中，而不是被吸收電路消耗掉；b) 由于實現(xiàn)了零電壓開關(guān)或零電流開關(guān)，使得開關(guān)損耗明顯減?。籧) 有諧振波形與方波形相比，諧振分量大大減小，因此減小了變換器中的電磁干擾。諧振式變換器的主要缺點有：a) 功率電路拓撲復(fù)雜，在不同的負載條件下，存在著不同的工作模式；b) QRC、MRC一般都是變頻控制，控制電路復(fù)雜；c) 諧振波形使得開關(guān)管的電壓或電流應(yīng)力比PWM變換器的還要大。針對這些局限性，人們又提出了軟開關(guān)技術(shù)。軟開關(guān)變換器是QRC和PWM開關(guān)變換器的綜合:在QRC變換器中增加一個輔助開關(guān)，以控制諧振網(wǎng)絡(luò)的工作。使變換器在一個周期內(nèi)，一部分時間ZVS或ZCS準(zhǔn)諧振變換器工作，另一部分時間按PWM變換器工作。因此，它兼有諧振變換技術(shù)和PWM變換技術(shù)的特點：a) 諧振階段只發(fā)生在開關(guān)管的開關(guān)過程中，從而既保證了功率半導(dǎo)體器件的軟開關(guān)工作條件，又使得開關(guān)只承受較低的電壓和電流應(yīng)力；b) 能量傳輸?shù)闹饕问讲捎昧薖WM變換技術(shù)的特點，減小了諧振通態(tài)損耗；c) 零電壓、零電路開關(guān)條件不受輸入和負載變化的影響，所以從理論上講適用于任何傳統(tǒng)PWM變換器。2 開關(guān)電源的控制方法開關(guān)電源控制電路時通過采樣功率級的狀態(tài)信號，輸出開關(guān)管的驅(qū)動信號，利用功率級的當(dāng)前狀態(tài)來調(diào)節(jié)開關(guān)的占空比，使系統(tǒng)能量在各種擾動下，保證相對穩(wěn)定的輸出。由此可以看出開關(guān)電源的控制電路在整個系統(tǒng)中的作用是至關(guān)重要的。開關(guān)電源的其他功能，如遙控、過流保護等功能都是通過控制電路來實現(xiàn)的。開關(guān)電源的控制方法主要有：電壓型、電流型、電荷型、平均電流型和V2型等。(1) 電壓控制方法傳統(tǒng)的PWM型DC-DC變換器常采用電壓型控制。電壓型控制方法只對輸出電壓采樣，作為反饋信號實現(xiàn)閉環(huán)控制，以穩(wěn)定輸出電壓。因為是單環(huán)控制，便于分析和設(shè)計，但是由于基本開關(guān)變換器是一個含有電感、電容的二階系統(tǒng)，我們知道二階系統(tǒng)是一個有條件穩(wěn)定系統(tǒng)，通常要在控制中增加補償電路，才能使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。(2) 電流型控制方法根據(jù)控制理論，一個階系統(tǒng)要達到最優(yōu)控制需要（1）個獨立的反饋變量，所以同時引入電容電壓和電感電流兩個狀態(tài)變量的電流型控制方法提高了控制策略的性能。第一個電流型開關(guān)變換器是由歐洲空間機構(gòu)技術(shù)中心在1978年開發(fā)的。與電壓型控制方法相比，電流型控制方法由于具有自動限流、對輸入電壓變化有更快的響應(yīng)速度、閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性高等優(yōu)點，從而使電流型控制方法得到了廣泛的應(yīng)用。但是電流型控制方法在占空比大于50時，會產(chǎn)生開環(huán)穩(wěn)定次諧波振蕩，需要增加斜坡補償來消除。由于電流型的電流紋波幅值比較小，因此抗干擾性差，并且峰值電流和平均電流的控制精度不高。（3） V2控制方法V2控制方法仍然是雙環(huán)控制，只是用輸出電壓的紋波代替了電流型控制方法中的電流紋波。V2控制方法不但具有電流型控制方法的輸入電壓動態(tài)響應(yīng)速度快、閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定性高等優(yōu)點，而且對負載的變化具有超快的響應(yīng)速度。但是V2控制方法沒有自動限流的功能，同樣需要增加斜坡補償來消除占空比大于50%時的開環(huán)不穩(wěn)定和次諧波振蕩。當(dāng)前，信息產(chǎn)業(yè)異軍突起，微處理芯片技術(shù)飛速發(fā)展，微處理芯片對電源性能指標(biāo)（特別是瞬態(tài)響應(yīng)）的要求越來越嚴格。V2控制方法由于具有對負載變化的超快的響應(yīng)速度，又望成為新一代電源的首選控制方法。(4) 交錯并聯(lián)技術(shù)由于開關(guān)電源的發(fā)展，很大程度上受到功率開關(guān)器件的發(fā)展程度的制約，單個電源要得到大功率的輸出，必須采用多個功率開關(guān)器件并聯(lián)。在這種情況下，往往需要強制散熱，這既增加了電源的成本，又增加了體積，且電源的可靠性不高。所以，在現(xiàn)代通訊設(shè)備中更多地采用多個電源模塊并聯(lián)的方法輸出大功率，這就是所謂的分布式供電系統(tǒng)。在分布式供電系統(tǒng)中由于多個電源模塊并聯(lián)，所以多個模塊的輸出紋波疊加在一起。如果模塊間紋波的相位不固定，則總的輸出紋波沒有周期性，且幅值也不固定，因而增加了濾波的難度。以前往往要求并聯(lián)的多個模塊同步工作，這樣可以得到頻率和幅值固定的總的輸出紋波，便于輸出濾波。但是n個同步的并聯(lián)模塊的紋波的幅值是單個模塊幅值的n倍，大大增加了濾波電路的成本。交錯并聯(lián)技術(shù)是指在多個功率模塊并聯(lián)時，各個模塊的開關(guān)時刻多錯開一段時間（開關(guān)周期內(nèi)），這樣就可以在不增加開關(guān)損耗和器件的前提下減小輸出紋波的幅值，使總的輸出紋波頻率升高。所以交錯系統(tǒng)可以節(jié)省濾波和儲能器件，從而可以大大提高系統(tǒng)的功率密度且不降低變換效率。事實上，交錯并聯(lián)技術(shù)是實現(xiàn)并聯(lián)供電的一種控制方法。3開關(guān)電源控制方法的分析及比較(1) 電壓型控制方法a) 實現(xiàn)方式要得到穩(wěn)定的輸出電壓，最簡單的方式就是將輸出電壓反饋回來調(diào)節(jié)開關(guān)管的占空比的電壓型控制方法。電壓型控制方法是人們最早采用的控制方法，由于是單環(huán)控制，電路相對比較簡單，容易實現(xiàn)，從而得到了廣泛的應(yīng)用。電壓型控制方法可以有四種實現(xiàn)方式，如圖2-2，2-3，2-4，2-5。下面對比較常見的定頻控制進行詳細分析。圖2-2 電壓型恒定遲滯環(huán)控制圖2-3 電壓型定開通時間控制圖2-4 電壓型關(guān)斷時間控制圖2-5 電壓型定頻控制b) 電壓型定頻控制的工作原理 如圖所示，電壓型控制方法是簡單地將輸出電壓作為控制環(huán)的輸入，將輸出電信號與基準(zhǔn)電壓比較，并將比較的結(jié)果放大生成誤差電壓Vc，Vc再與振蕩器生成的鋸齒波Vr比較生成一脈寬與Vc大小成正比的方波，該方波經(jīng)過鎖存器和驅(qū)動電路來驅(qū)動開關(guān)管工作。時鐘VrVc 鎖存器輸出電感電流圖2-6 電壓型定頻控制波形結(jié)合電路圖2-5和波形圖2-6可得占空比和輸出電壓的關(guān)系式:d=Vc/Vp=1+kVr-KVout/Vp上式可以看出，占空比d和輸出電壓Vout成線形關(guān)系，d為Vout的負反饋。上式中的K為誤差放大器的增益，K=Z2/Z1 。c) 電壓型定頻控制的特點 優(yōu)點： 電壓型控制方法只有一個控制環(huán)，設(shè)計、分析相對比較簡單，電路成本較低，體積較小；此外由專門鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波幅值比較大，因而抗干擾能力比較強；電壓型控制方法的另一個比較突出的優(yōu)點就是輸出阻抗低，在多路輸出可以較好的實現(xiàn)交叉調(diào)節(jié)。目前在一些對電源性能要求不高的場合，仍有電壓型控制方法在使用。缺點：電壓型控制方法的突出缺點是，任何輸入或輸出的變化只能在輸出改變時才能檢測到并作為反饋輸入進行糾正，所以響應(yīng)速度比較慢；由于輸出濾波給控制環(huán)增加了兩個極點，所以從系統(tǒng)穩(wěn)定性考慮,要么誤差放大器的主極點增益移向低頻，要么增加一個零點進行補償。由于環(huán)路增益不獨立于輸入電壓，要實現(xiàn)補償是相當(dāng)復(fù)雜的。(2) 電流型控制方法a) 實現(xiàn)方式 常見的理想開關(guān)電源的主電路拓撲為一個含有電感、電容的二階段電路。從控制的角度講，一個n階系統(tǒng)的最優(yōu)控制一般要求n個獨立的反饋變量。同時引入電容電壓和電感電流兩個狀態(tài)變量的電流型控制方法提供了PWM控制策略的性能。峰值電流型控制方法是最早也是目前較為普遍應(yīng)用的電流型控制方法。圖2-7，2-8，2-9。分別為電流型恒定遲滯環(huán)寬控制、電流型定開通時間控制和電流型定關(guān)斷時間控制的原理簡圖。圖2-7 電流型遲滯環(huán)控制圖2-8 電流型定開通時間控制圖2-9 電流型定關(guān)斷時間控制由以上三個圖可以看出，這三個電流型控制方法與相應(yīng)的電壓型控制方法的區(qū)別在于，電壓型控制方法的采樣輸出電壓經(jīng)誤差放大生成的誤差信號Vc，直接輸入到觸發(fā)器，而電流型控制方法則是將Vc與電感電流的采樣信號相減，將差輸入到觸發(fā)器。電流型變換器的波形圖與電壓型相似。b) 電流型定頻控制原理下面以電流型定頻控制為例，分析電流型控制方法的原理。圖2-10為電流型定頻控制在單端正激變換器中的應(yīng)用電路原理圖。圖2-11為其主要波形圖。圖2-10 電流型定頻控制原理圖時鐘VcVs鎖存器輸出電感電流圖2-11 電流型定頻控制波形圖由圖2-11可以看出電流型定頻控制方法和電壓型定頻控制方法的主要區(qū)別在于電流型控制方法用開關(guān)電流波形代替了電壓型控制方法的鋸齒波。電流型控制方法的工作原理為：在每個周期開始時，時鐘使鎖存器復(fù)位，開關(guān)管導(dǎo)通，開關(guān)電流由初始值線形增大；當(dāng)Vs增大到誤差電壓Vc時，比較器翻轉(zhuǎn)，進而使鎖存器輸出為低，開關(guān)管關(guān)斷，直到下一個時鐘脈沖到來，開始一個新的周期。c) 電流型定頻控制的特點優(yōu)點：第一，固有三脈沖電流限制，使得變換器在過載時幾乎不會受到破壞。多個電源并聯(lián)時，易于實現(xiàn)均流。從而方便地提高總的輸出電流容量。第二，由于輸出電流參與反饋控制，從而獲得對負載瞬態(tài)變化的超快響應(yīng)，減少了輸出電壓的紋波。第三，由于電感電流參與反饋，所以濾波部分僅向反饋環(huán)提供一個極點，與電壓型控制方法相比，可以更方便地實現(xiàn)補償，獲得更高的增益帶寬。第四，由控制到電感電流沒有相位滯后，從本質(zhì)上消除了閉環(huán)控制產(chǎn)生低頻諧波振蕩的可能性。第五，對輸入電壓變化具有比電壓型控制方法更快的響應(yīng)速度，特別適用于AC電源作為輸入的應(yīng)用。缺點：第一，抗干擾能力差。由于電感電流的紋波幅值與其平均值相比要小得多，因而一個小脈沖干擾都有可能使比較器誤動作。第二，需要斜坡補償。電流型控制方法由于在占空比大于50%時要產(chǎn)生次諧波振蕩，因而不穩(wěn)定。通常在其比較輸入端使用一個補償斜坡（斜率等于電感電流的下降斜率）來消除不穩(wěn)定。第三，峰值與平均電流的誤差。一般情況下，由于電感電流的紋波幅值與其平均值相比要小得多，因而這一問題帶來的影響并不明顯。但在高功率因數(shù)Boost預(yù)調(diào)節(jié)等電路中，峰值與平均電流的誤差將帶來嚴重的影響。第四，拓撲問題。傳統(tǒng)的電流型控制事實上是控制電感電流，當(dāng)使用Buck變換器時，電感在輸出部分，因此是非常有效的。但是對于反激和Boost拓撲，電感不在輸出部分，適用于高功率因數(shù)預(yù)調(diào)節(jié)時對輸入電流的控制，但是由于Buck和反激拓撲的電感不在輸入部分，對輸入電壓的動態(tài)和靜態(tài)變化不靈敏，因而不適用。(3) 平均電流控制方法在前面，討論了采用電感電流的波形作為斜坡信號的電流型控制方法，為了避免同隨后介紹的平均電流型控制方法相混淆，在需要區(qū)分的時候稱之為峰值電流型控制方法，通常所說的電流型控制方法就是指峰值電流型控制方法。由于峰值電流型控制方法對輸出電流的控制方法不是很精確，所以在某些對電流精度要求比較高的應(yīng)用場合，它的第三和第四個缺點將會十分明顯。而平均電流型控制方法是控制電感電流的平均值，因而對電流的控制更為精確。平均電流型控制方法的電路圖如2-12，主要波形圖2-13。圖2-12 平均電流型控制原理圖VCAVs鎖存器輸出電感電流圖2-13 平均電流型控制波形圖a) 平均電流型定頻控制的工作原理圖中，CA為內(nèi)環(huán)對電流積分的高增益誤差放大器，VA為輸出電壓的誤差放大器。工作原理為：輸出電壓經(jīng)VA后生成輸出電壓誤差Ve，而電感電流的采樣值經(jīng)CA積分，然后與之相減生成電感電流和輸出電壓的綜合誤差信號Vca，與鋸齒波發(fā)生器產(chǎn)生的鋸齒波進行比較，生成PWM波。b) 平均電流型定頻控制的特點平均電流型控制方法的最大優(yōu)點就是可以準(zhǔn)確控制電感電流，精確度高，并且不需要斜坡補償。但是要達到系統(tǒng)穩(wěn)定，開關(guān)頻率對環(huán)路增益有限制。由于電壓和電流采樣的信號都經(jīng)過了積分電路，所以抗噪音性能強，此外，平均電流型方法可用于檢測和控制任意支路的電流，既可準(zhǔn)確控制Buck和反激拓撲的輸入電流，也可以控制Boost和反激拓撲的輸出電流。平均電流型控制方法的最大缺點是：由于采樣后對電感電流進行積分，所以響應(yīng)速度比峰值電流控制方法慢。(4) 電荷型控制方法在電流型控制中采用對電感電流峰值進行采樣、反饋控制。但是，在一個周期中電感電流的峰值并不能準(zhǔn)確反映電感電流的平均值（無論在連續(xù)模式下還是在不連續(xù)模式下），因此電流型控制方法不適用于功率因數(shù)校正或電池充電等對平均電流特別敏感的地方。電荷控制技術(shù)是解決這一問題的有效方法。a) 電荷型定頻控制的工作原理圖2-14 電荷型定頻控制原理圖時鐘VtVc鎖存器輸出圖2-15 電荷型定額控制波形圖如圖2-14為電荷型定頻控制原理圖，圖2-15是其主要波形圖。在每個周期開始時，時鐘脈沖使鎖存器復(fù)位，主開關(guān)開通，Ct開始對開關(guān)電流進行積分，從而獲得總的電荷：當(dāng)Ct的電荷達到控制電壓Vc時，主開關(guān)關(guān)斷，與電容并聯(lián)的開關(guān)開通，對電容進行放電；在下一個周期開始前，Ct的電荷全部放完。由于一個周期的總電荷與平均電流成正比，可以實現(xiàn)對輸出電流的控制。b) 電荷型定頻控制的特點優(yōu)點： 第一，采用電感電流積分的方法取得電流的平均值，從而消除了電流型控制方法存在的峰值與平均誤差的問題。第二，同電流型控制方法一樣，易于實現(xiàn)均流。第三，同電流型控制方法一樣，對輸入電壓的變化有較快的響應(yīng)速度。第四，由于使用開關(guān)電流的積分作為控制信號，與電流型控制方法相比，其抗噪音能力更強。在電流型控制方法的應(yīng)用中，開關(guān)開通時的尖峰可能會使其過早關(guān)斷，而電荷型控制方法通過積分消除了開關(guān)噪聲干擾。第五，與電流型控制方法相比，電荷控制方法不需要外部斜坡信號，從而使電路更加簡單。第六，電荷型控制方法不限制最大電感電流，更適用于在開關(guān)電流達到最大值仍不關(guān)斷的場合，如多諧振蕩變換器。缺點：第一，次諧波振蕩。與電流型控制方法相似，電荷型控制方法也存在次諧波現(xiàn)象。當(dāng)電荷型控制變換器工作在輕載時，就會產(chǎn)生次諧波振蕩，同樣，在引入諧波補償后可以加大穩(wěn)定裕量。第二，對電流的瞬態(tài)變化響應(yīng)速度慢，不能有效地保護開關(guān)管等功率器件。第三，電路實現(xiàn)更為復(fù)雜，增加了設(shè)計難度。結(jié)論：通過以上的分析可以看出，不同的控制方法有各自的優(yōu)、缺點。實際設(shè)計時，可以根據(jù)需要選擇相應(yīng)的控制方法，以達到特定的技術(shù)指標(biāo)。雙環(huán)控制的電流型控制方法比單環(huán)控制的電壓型控制方法具有更快的對輸入變化的響應(yīng)速度，然而對負載的動態(tài)響應(yīng)速度并沒有改善?，F(xiàn)代的微處理芯片對電源的瞬態(tài)響應(yīng)要求越來越嚴格，原有的控制方法很難滿足其要求，接下來，將詳細介紹采用雙環(huán)控制的對負載變化具有超快速響應(yīng)的V2控制方法。三V2控制方法1 V2控制方法的提出及穩(wěn)態(tài)工作原理由以上的分析可以看出，電流型控制方法由于引入了電感電流前饋，使得其對輸入電壓的階躍變化的響應(yīng)速度比電壓型控制方法快的多，但是對負荷電流的階躍變化響應(yīng)速度并沒有改善。在這里，將對具有快速響應(yīng)的V2控制方法進行介紹，詳細分析其工作原理，并與經(jīng)典控制方法進行比較，最后通過仿真進行驗證。近年來，隨著微處理芯片快速發(fā)展，CPU、DSP和其他大規(guī)模邏輯器件芯片尺寸的縮小使其電源電壓不斷下降，目前在+1.5V至+2.5V范圍，將會降低到1V。高效率地產(chǎn)生這樣低電壓的電源存在一些困難，尤其是在輸出電流達到10A或更高時。尤為重要的是，現(xiàn)在的CPU內(nèi)核要求非常嚴格的負載調(diào)整。隨著電源電壓的降低和電源電流與時鐘頻率的提高，使得對于電源的要求急劇提高特別是瞬態(tài)響應(yīng)。日益嚴格的性能要求使設(shè)計的難度和成本越來越高。為了提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，一方面可以從功率級入手，對功率級的輸出濾波部分進行優(yōu)化，設(shè)計最優(yōu)的濾波參數(shù)，考慮到線路的分布參數(shù)，設(shè)計濾波電容的規(guī)格、大小、數(shù)目、以及分部的位置；另一方面是選擇好的控制方法，從控制理論上講，要在既不損失對輸入電壓變化的響應(yīng)速度的前提下，又要提高對負載電流的階躍變化響應(yīng)速度，仍然應(yīng)該采用雙環(huán)控制。我們在對功率級進行分析時，往往做如下假設(shè)：電感電流的紋波（高頻成分）完全經(jīng)過濾波電容，僅有直流成分才經(jīng)過負載，這樣可以在負載上得到恒定的電壓Vout。事實上，在做小信號分析時，這一假設(shè)并不成立，濾波電容總是或多或少的存在ESR（寄生電阻），從而紋波在經(jīng)過電容的時候產(chǎn)生壓降，使得輸出直流電壓Vout上疊加了紋波，所以在開關(guān)電源穩(wěn)態(tài)工作時,輸出電壓的紋波與電感電流的紋波的波形是相同的。用該紋波信號代替電流型控制方法的電流信號時，由于是直接在負載端上采樣，因而對負載沖激有更快的響應(yīng)速度。 圖3-1 V2型控制方法原理圖時鐘VCVq鎖存器輸出電感電流 圖3-2 V2控制圖的主要波形基于以上思想可以設(shè)計出如圖3-1所示的定頻V2控制方法的單端正激變換器，圖3-2為其對應(yīng)的主要波形。由圖3-1和圖3-2可以看出V2控制方法與電流型控制方法的區(qū)別在于：V2控制方法用濾波電容電壓采樣代替了電流型控制方法中PWM比較器的電流采樣輸入，輸出電壓Vout反饋回來作為兩個控制環(huán)的反饋量。DC級作為慢的外環(huán)反饋信號，輸入到低帶寬的誤差放大器，該誤差放大器將Vout與固定的基準(zhǔn)電壓Vref比較。產(chǎn)生一個PWM控制電壓Vc。輸出電壓的紋波Vq作為內(nèi)環(huán)反饋控制信號，作為PWM比較器的斜坡信號反饋到PWM比較器的輸入。事實上，Vq為電感的紋波電流在輸出濾波電容的寄生電阻（ESR）Rs上的壓降。V2控制方法中速度快的PWM內(nèi)環(huán)控制瞬態(tài)響應(yīng)，速度慢的外環(huán)負責(zé)優(yōu)化DC控制精度。V2控制方法穩(wěn)態(tài)時的工作原理為：在每個周期開始時，時鐘信號使鎖存器復(fù)位，輸出高電平，經(jīng)過驅(qū)動電路開通開關(guān)管，則輸入電壓Vin加到變壓器原邊，從而在變壓器副邊得到正的電壓V2=nVin，其中n為變壓器的變比。二極管D1正偏導(dǎo)通，D2反偏載止，電感兩端得到正向電壓（V2-Vout），電感電流由初始值開始線性增大，變化量為： 其中 由于負載電流I0固定不變，該變化的電流完全通過濾波電容的ESR給濾波電容充電， 從而在ESR上產(chǎn)生與電感電流斜率相同的壓降 其中 該電壓即為內(nèi)環(huán)的采樣電壓，當(dāng)Vq增大到誤差電壓Vc時，比較器翻轉(zhuǎn)，從而使鎖存器輸出低電平，開關(guān)管關(guān)斷。變壓器原邊電壓為零，則副邊電壓也降為零，二極管D1截止：電感電流iL經(jīng)二極管D2續(xù)流輸出電壓反加到電感兩端，則 其中 其中 直到下一個時鐘脈沖信號到來，開始一個新的周期。2 V2控制方法的動態(tài)響應(yīng)分析以圖3-1所示電路為例，分析V2控制方法在輸入電壓和負載（電流）瞬變時的動態(tài)響應(yīng)特征。a)V2控制方法在輸入電壓變化時的響應(yīng)原理當(dāng)輸入電壓下降時，電感兩端壓降的降低導(dǎo)致電感紋波電流上升沿斜率Vin/L，由于輸出電壓紋波是電感電流紋波在輸出電容ESR上的壓降，所以輸出電壓紋波上升 沿的斜率也減小，從而導(dǎo)致占空比自動增大，誤差放大器輸出的PWM控制信號保持不變。這一調(diào)整過程與電流型控制方法相同，因而在輸入電源電壓變動時V2控制方法和電流型控制方法具有同樣快的瞬態(tài)響應(yīng)速度。如圖3-3所示為輸入電壓變動時（圖3-1所示電路中）誤差電壓Vc，內(nèi)環(huán)采樣電壓Vq和開關(guān)管S的驅(qū)動波形，其中實線為調(diào)整前的波形，虛線為調(diào)整后的波形。VqVqRqRqS圖3-3 輸入電壓變化前后的波形比較b) V2控制方法在輸出電流變化時的響應(yīng)原理當(dāng)負載電流由Io1減小到Io2時由于電感電流IL的穩(wěn)態(tài)值（IL=Io1）不能瞬變，則瞬間濾波電容以（Io1-Io2）進行充電，濾波電容的ESR紋波電壓在瞬間疊加了一穩(wěn)態(tài)電壓（Io1-Io2）Rs，雖然輸出電壓紋波斜率不變，但其平均值將提高，同樣導(dǎo)致占空比減小，減小變換器輸出功率，起到穩(wěn)壓的作用。VeVeVqVqS圖3-4輸入電流變化前后的波形比較如圖3-4所示為負載電流變動時（圖3-1電路中）誤差電壓Vc，內(nèi)環(huán)采樣電壓Vq和開關(guān)管的驅(qū)動波形S，其中實線為調(diào)整前的波形，虛線為調(diào)整后的波形。而電流型控制方法在負載變化的瞬間，不會引起電感電流紋波斜率變化，所以電流環(huán)檢測不到這一變化，因而相對于V2控制方法響應(yīng)速度慢。傳統(tǒng)的電流型控制事實上是控制電感電流，當(dāng)使用Buck變換器時，電感在輸出部分，所以使用電流型控制非常有效；但是對于反激變換器和Boost變換器拓撲，電感不在輸出部分，電流型控制的許多優(yōu)點體現(xiàn)不出來。V2控制方法由于內(nèi)環(huán)檢驗點在輸出部分，提高了Buck變換器和正激變換器對輸入和輸出靜態(tài)和動態(tài)變化的響應(yīng)速度，解決了電流型控制方法存在的問題。V2控制方法由于其快速的內(nèi)環(huán)采用反饋輸出電壓的紋波，因而與電流型控制方法一樣，抗干擾能力差；當(dāng)占空比大于50%時，會產(chǎn)生次諧波振蕩，所以也要使用斜坡補償。V2控制方法可與普通的控制方法如定頻、定開通時間、和滯環(huán)控制配合使用以提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度。在使用定關(guān)斷時間的V2控制方法時，可免于使用斜坡補償。V2控制方法對輸入和輸出電流都沒有直接控制，所以不便于電源的并聯(lián)使用，需要額外的電路來進行過流保護。四V2控制方法的仿真為了驗證以上分析的正確性，利用PSPICE仿真軟件采用相同的主電路拓撲，分別采用V2控制方法和電流型控制方法來進行仿真。1 PSPICE仿真電路介紹PSPICE是較早出現(xiàn)的EDA軟件之一，由MICROSIM公司于1985年推出。在電路仿真方面，它的功能可以說是最為強大。PSPICE在功率電子仿真功能和模型方面正在不斷加強，在國內(nèi)被普遍使用。在這里，仿真使用是PSPICE8.0，工作于Windows環(huán)境。PSPICE8.0已將IGBT模塊加入器件庫中，模擬器件已達8500種，數(shù)字器件為1600種，數(shù)?；旌掀骷ǘ喾N類型的PWM控制器。PSPICE能對電路進行直流分析、大信號暫態(tài)分析和小信號交流分析，瞬態(tài)分析（包括大信號正弦模擬），還可以對電路的溫度特性進行分析。PSPICE可以進行各種各樣的電路仿真、激勵建立、溫度與噪聲分析、模擬控制、波形輸出、數(shù)據(jù)輸出。并在同一個窗口內(nèi)同時顯示模擬與數(shù)字電路。無論對哪種器件哪些電路進行仿真，包括IGBT、脈寬調(diào)制電路、模/數(shù)轉(zhuǎn)換、數(shù)/模轉(zhuǎn)換等，都可以得到精確的仿真結(jié)果。2 仿真波形及結(jié)果兩種控制方法均采用UC1842控制芯片，唯一的區(qū)別在于UC1842在電流型控制方法中的電流采樣端子在V2控制方法中充當(dāng)內(nèi)環(huán)電壓采樣端子。主要參數(shù)如下：開關(guān)頻率： fs=100KHz輸入電壓： Vin=245-274V輸出電壓： Vout=7.5V輸出電流： Io=75A接下來介紹V2控制方法對輸入電壓變化的瞬態(tài)響應(yīng)仿真。圖4-1為電流型控制方法在輸入電壓階躍沖激下的響應(yīng)波形，圖4-2為V2型控制方法在輸入電壓階躍沖激下的的響應(yīng)波形。由波形圖可以看出兩種控制方法在相同的輸入沖激下，能在一個開關(guān)周期內(nèi)作出響應(yīng)，響應(yīng)速度沒有明顯差異。圖4-1 電流型控制單端正激變換器仿真電路圖圖4-2 V2型控制單端正激變換器仿真圖圖4-3 電流型控制單端正激變換器在輸入電壓階躍沖激下的主要響應(yīng)波形圖圖4-4 V2型控制單端正激變換器在輸入電壓階躍沖激下的主要響應(yīng)波形圖圖4-5 電流型控制單端正激變換器在負載電流階躍沖激的主要響應(yīng)波形圖圖4-6 V2型控制單端正激變換器在負載電流階躍沖激下的主要響應(yīng)波形圖圖 4-7 電流型控制方法在負載沖激下的輸出電壓調(diào)整波形圖4-8 V2控制方法在負載沖激下的輸出電壓調(diào)整波形圖4-3為電流型控制方法在輸出電流階躍沖激下的主要響應(yīng)波形，圖4-6為V2型控制方法在輸出電流階躍沖激下的主要響應(yīng)波形。由波形圖可以看出V2型控制方法的響應(yīng)速度明顯比電流型控制方法快。將兩者輸出電壓Vout的仿真波形放大如圖4-7、4-8。在2.1ms處給兩者以相同的負載沖激，V2控制方法在經(jīng)過三個開關(guān)周期（30us）后就完全恢復(fù)電壓穩(wěn)定。而電流型控制方法在經(jīng)過了0.55ms即直到2.65ms時才恢復(fù)穩(wěn)定。在負載電流變化時，V2型控制方法的響應(yīng)速度比電流型控制方法提高了18.3倍。很顯然，V2控制方法的瞬態(tài)響應(yīng)速度要比電流型控制方法優(yōu)越得多。另外，在同樣的負載沖激下電流型控制方法的峰-值為157.4mv，而V2控制方法的峰-峰值為115.2mv。V2控制方法比電流型控制方法具有更低的超調(diào)量。結(jié)論：本章詳細研究了V2控制方法的工作原理，分析和仿真結(jié)果表明，V2控制方法對于電源和負載的變化會以較快的速度自動調(diào)節(jié)占空比。輸入電源的變化首先影響電感電流，進而影響輸出電壓，負載的變化直接影響輸出電壓。因為輸出電壓直接反饋作為PWM比較器的斜坡信號，從而可有效的調(diào)節(jié)占空比，并且具有超快響應(yīng)速度，對輸入和輸出的電壓靜態(tài)和動態(tài)變化能夠以開關(guān)周期的數(shù)量級進行響應(yīng)，因而具有非常理想的電壓調(diào)整率和負載調(diào)整率。五 總結(jié)從以上各章所進行的分析研究工作可以看出,本文全面地闡述了開關(guān)電源的各種控制方法。1. 按控制電路的采樣變量進行分類，分為：電壓型、電荷型、電流型、V2型等控制方式?；诤笠环N分類方式結(jié)合第一種分類方式，詳細分析了電壓型、電流型、平均電流型、電荷型等控制方法的工作原理，以及各自的優(yōu)缺點。2. 著重分析了V2控制方法的基本原理，分別研究了V2控制方法對輸入變化和負載變化的響應(yīng)原理，并與電流型控制方法進行比較，得出了如下結(jié)論：對于輸入的變化，V2型和電流型具有相同的響應(yīng)速度，然而，V2型控制方法對負載變化的響應(yīng)速度