毕业论文-开关电源设计.doc
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兰州交通大学毕业设计（论文）
摘要
开关电源因其具有稳压输入范围宽、效率高、功耗低、体积小、重量轻等显著特点而得到了越来越广泛的应用，从家用电器设备到通信设施、数据处理设备、交通设施、仪器仪表以及工业设备等都有较多应用，尤其是作为便携式产品的电池提供高性能电源输出，比其他结构具有不可超越的优势。
开关电源的稳定性直接影响着电子产品的工作性能,误差放大器是直流开关电源系统中电压控制环路的核心部分，其性能优劣直接影响着整个直流开关电源系统的稳定性，因而对高性能误差放大器的分析是本论文的主要研究目标。
本文误差放大器的分析基于Buck型DC-DC转换器，从系统稳定性、负载调整率及响应速度要求的角度出发，首先对该款Buck型DC-DC转换器的系统电压控制环路进行小信号分析,并对控制环路进行了零极点分布分析，确定环路补偿策略。
最后基于系统级来分析误差放大器。
关键词：
开关电源；Buck型DC-DC转换器；误差放大器。
Abstract
Duetotheirmeritsofwideinputrange,highefficiency,smallinsizeandlightinweightect,switchingpowersuppliesaregainingmoreandmoreapplicationareasintoday’smodernworld,rangingfromdomesticequipmentstosophisticatedcommunicationanddatahandlingsystems,especiallyinportabledevices,theyhaveunsurpassableadvantages.
Therapiddevelopmentofproductsincorrespondingapplicationareasrequiresthepowersuppliestohavebetterperformances.Therobustnessofswitch—modepowersuppliesdirectlyaffecttheperformanceofelectronicdevices.AsoneofthemostimportantpartsofswitchedmodeDCtoDCconverters,erroramplifierhassignificantinfluencesonthevoltagecontrolloop’sstability.ThusthispaperfocusesonthedesignofhighperformanceerroramplifierforDC-DCconvertersbasedonsystemrequirementsanalysis.AbuckDC-DCconverterwasconcerned,anerroramplifierforthebuckconverterwasdesignedfromthepointsofviewofsystemstability,loadregulationandresponsespeedrequirements.Atthefirstplace,theBuckDC-DCconverter’svoltagecontrolloopstabilityandpole-zeroanalysiswasdonebasedonasmallsignalmodelofthevoltagecontrolloop,thecompensationschemewasproposed.Atlast,accordingtothesystemleveltoanalysistheerroramplifier.
Keywords：
Switchingpower;BuckDC-DCConverter;ErrorAmplifier.
51
目录
摘要 I
Abstract II
1.诸论 1
1.1引言 1
1.2本文研究的目的与意义 1
1.3本论文主要研究内容 1
2.开关电源基础及其类型 2
2.1开关电源基础理论 2
2.1.1开关电源基本工作原理 2
2.1.2开关电源的组成 2
2.1.3开关电源的各种分类 3
2.2开关电源典型结构[6] 4
2.3DC-DC变换器 7
2.3.1Buck变换器 8
3.3.2Boost变换器 10
3.Buck型DC-DC转换器及其控制方式分析 12
3.1Buck型DC-DC转换器 12
3.2Buck型DC-DC转换器及其控制方式 13
3.2.1Buck型DC-DC转换器工作原理 13
3.2.2Buck型DC-DC转换器的控制方式 14
3.2.3Buck型DC-DC转换器工作模式 18
3.3环路控制中误差放大器的重要作用 18
4.开关电源管理电路系统分析 19
4.1Buck型DC-DC转换器 19
4.2开关电源控制环路的分析研究 20
4.2.1Buck型DC-DC转换器稳定性分析 20
4.2.2Buck型转换器电压环路控制模型 21
5.误差放大频率特性及其补偿策略 27
5.1控制电路的频率响应分析 27
5.1.1频率响应 27
5.1.2开关电源输出滤波电路分析 28
5.2开关电源中负反馈及自激振荡分析 30
5.2.1负反馈自激振荡 30
5.2.2误差放大电路稳定分析 30
5.3补偿误差放大器及频率校正策略 32
5.3.1I类补偿误差放大器 32
5.3.2Ⅱ类补偿误差放大器 32
5.3.3Ⅲ型补偿误差放大器 34
6.闭环设计中误差放大器的分析与研究 36
6.1闭环控制系统中的误差放大分析 36
6.2环路增益 38
6.2.1带有LC滤波电路的环路增益 38
6.2.2PWM增益 39
6.2.3取样增益－反馈系数 40
6.2.4输出LC滤波器的总增益 40
6.3误差放大器的特性分析 40
6.3.1误差放大器的幅频特性整形 40
6.3.2误差放大器的传递函数、极点和零点 42
6.3.3零点、极点和频率增益斜率变化 43
6.4误差放大器零点、极点的分析与计算 43
6.4.1Ⅱ型误差放大器零点和极点分析 43
6.4.2采用Ⅲ型误差放大器及其传递函数 45
6.4.3Ⅲ型误差放大器的相位滞后分析 45
6.4.4Ⅲ型误差放大器零点和极点计算 46
6.5反馈环路条件稳定探讨 47
结论 49
致谢 50
参考文献 51
1.诸论
1.1引言
随着电力电子及电子技术的迅猛发展，开关电源在计算机、通信、工业自动化、电子和电工仪器等领域的应用更加广泛。
不同的电子设备对电源参数诸如效率、电压、电流能力、噪声、纹波等的要求以及对电源体积、可靠性等的要求各不相同，这就对开关电源的管理电路提出了很高的要求。
本论文主要针对目前常用于便携式设备、分布式电源系统的Buck型DC-DC开关转换器，其输出电压的精度、电源抑制比等都直接取决于误差放大器的相关参数，因而，在对其系统工作原理分析的基础上，主要从系统控制环路稳定性、负载调整率及响应速度方面来分析研究误差放大电路。
1.2本文研究的目的与意义
误差放大电路作为电源管理电路中的关键模块，其性能优劣与整个电源系统的稳定性能密切相关。
误差放大器主要用于对输出端的反馈电压与基准电压的差值进行放大，并产生与电流比较器正向输入端信号进行比较的误差放大信号，误差放大器的核心结构一般采用跨导运算放大器结构，它的差模直流小信号增益、跨导、补偿方式等都将作为误差放大器研究的重要方面。
开关电源控制模式分为两种：
电压控制模式和电流控制模式。
这两种模式，虽然采样的方式各不相同，但是都需要误差放大器将输出采样电压与预设基准电压进行差分运算并放大生成误差放大信号反馈给系统控制电路，所以误差放大器对开关变换电路系统的稳定性、负载调整率以及响应速度有着决定性作用，它的性能好坏直接影响到开关变换器系统的性能，因而对开关电源管理电路中误差放大器的分析与研究具有重要的意义。
本文从最基本的开关电源工作原理及其控制方式入手，从Buck型DC-DC转换器系统稳定性、负载调整率及响应速度要求的角度出发来分析，研究管理电路中误差放大模块对电源系统的影响。
1.3本论文主要研究内容
本论文主要工作是开关电源控制电路误差放大的分析与研究，首先对开关电源的基本原理进行了介绍，接着在峰值电流模式下对控制模块Buck型DC-DC转换器进行了小信号分析，最后，在前几章分析的基础上，对闭环控制电路进行了误差放大分析，还着重研究了误差放大器在闭环设计中的应用。
2.开关电源基础及其类型
2.1开关电源基础理论
开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，它使用电感，变压器，电容等贮能元件从输入端向输出端传送能量。
开关晶体管的控制电路调节着能量传输过程，使输出信号保持恒定。
开关电源内部功率管工作在高频开关状态，其等效电阻很小，当流过大的电流时，消耗在功率管上的能量很小，所以电源效率可以达到70％～90％，比普通线性稳压电源提高近一倍。
2.1.1开关电源基本工作原理
开关电源的工作原理可以用图2.1进行说明。
图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。
这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压U0[1]。
图2.1开关电源的工作原理
为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下：
式（2-1）
开关电源直流输出电压U0与输入电压Ui，之间有如下关系：
式（2-2）
由式（2-1）和式2-2）可以看出，若开关周期了T一定，改变开关S的导通时间TON。
即可改变脉冲占空比D，从而达到调节输出电压的目的。
2.1.2开关电源的组成
开关电源的基本组成如图2.2所示。
其中DC-DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是PWM信号、PFM信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。
除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路[3]。
图2.2开关电源的基本组成
开关电源系统一般包括两大模块，第一个模块是功率主回路部分，完成能量的变换和传输，主回路使用的元件只有电子开关、电感和电容，但这三种元件的不同组合和连接形成不同类型的开关电源变换器。
第二个模块是控制回路，控制回路比较复杂，早期由分立器件组成，随着大规模集成电路的发展，现在集成电路芯片逐步代替了分立器件，集成电路是电源产品体积小、可靠性高，给应用带来了极大方便。
2.1.3开关电源的各种分类
开关电源种类繁多，根据开关晶体管的导通与关断是否与自身电流以及两端所加电压有关分为“硬开关”和“软开关”和“硬开关”中功率开关管按外加控制脉冲而通断，控制与本身流过的电流、二端所加的电压无关。
凡用控制方法使功率开关管在其两端电压为零时导通电流，或使流过功率开关管电流为零时关断，此开关称为“软开关”。
软开关的开通、关断损耗理想值为零。
按控制方式来分又可分为占空比调制方式（主要有脉宽调制PWM式、脉频调制PFM式和PWM／PFM混合调制式）、谐振式和它们的结合式。
凡用脉宽调制方式控制电子开关的开关变换器，称为PWM开关变换器，它是以使用“硬开关”为主要特征的。
根据DC-DC转换器从输入到输出之间是否有变压器隔离，可以分成有隔离、无隔离两类。
若按控制信号的隔离方法，则可分为直流式、光电耦合式、变压器式、磁放大器式等。
有些线路通过电子器件完成电压-频率，或者频率-电压的转换工作之后，用变压器与控制信号隔离。
若按激励形式不同，可分为自激式和他激式两种。
自激式包括单管式变换器和推挽式变换器两种。
他激式包括调频、调宽、调幅、谐振等几种。
目前应用较广的是调宽型（PWM），它包括正激式、反激式、半桥式和全桥式。
若按拓扑结构来分常见的多达十几种，最常用的有以下六种拓扑：
Buck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta[11]。
2.2开关电源典型结构[4]
2.2.1串联开关电源结构
如图2.3所示。
开关元件即功率开关晶体管VT串联在输人与输出之间。
正常工作时，功率开关晶体管VT在开关脉冲信号的作用下周期性地在导通、截止之问交替转换，使输入与输出之间周期性地闭合与断开。
输入不稳定的直流电压通过功率开关晶体管VT后输出为周期性脉冲电压，再经脉冲整流滤波后，就可得到平滑f直流输出电压U0。
图2.3串联开关电源原理图
输入交流电压或负载电流的变化，会引起输出直流电压的变化，通过输出取样电路后将得到的取样电压与基准电压相比较，其误差电压通过误差放大器放大后控制脉冲调宽电路的脉冲占空比D，达到稳定直流输出电压U0的目的。
由于输入电压和输出电压共用地线，电源输入与输出不隔离，因此在目前的电子装置和视听设备的电源电路中已较少采用串联开关电源，而更多的是采用并联开关电源。
2.2.2并联开关电源结构
如图2.4所示，其中功率开关管VT与输入电压、输出负载并联，输出电压为
式（2-3）
如图电路中有一个储能电感，适当利用这个储能电感，可将输出升压型并联开关电源转变为广泛使用的变压器耦合并联开关电源。
功率开关管VT与开关变压器初级线圈相串联接在电源供电输入端，功率开关管VT在开关脉冲信号的控制下周期性地导通与截止，集电极输出的脉冲电压通过变压器耦合在次级得到脉冲电压，这个次级脉冲电压经整流滤波后得到直流输出电压U0，同样，经过取样电路后将得到的取样电压与基准电压Ue进行比较，其误差电压再被误差放大器放大后输出至功率开关管VT，来控制功率开关管VT的导通、截止，达到控制脉冲占空比的目的，从而稳定直流输出电压。
由于采用变压器耦合，因此变压器的初、次级可以相互隔离，从而使初级侧电路地与次级侧电路地分开，做到次级侧电路地不带电，使用安全。
图2.4并联开关电源原理图
2.2.3正激开关电源结构
正激开关电源是一种采用变压器耦合的降压型开关稳压电源，其电路如图2.5所示。
加在变压器N1，绕组上的电压振幅等于输人电压Ui，功率开关管VT导通时间TON为开关脉冲宽度，变压器次级侧开关脉冲电压经二极管V1整流变为直流。
图2.5正激开关电源结构
正激开关电源电路正激开关电源的特点是，当初级侧的功率开关管VT导通时，电源输入侧的能量由次级侧二极管V1经输出电感L为负载供电；当功率开关管VT断开时，由续流二极管V2继续为负载供电，并由消磁绕组N3和消磁二极管V3将初级绕组N1的能量回馈到电源输入端。
2.2.4反激开关电源结构
如图2.6所示。
当功率开关管VT导通时，输入侧的电能以磁能的形式存储在变压器的初级线圈N1中，由于同名端关系，次级侧二极管V1不导通，负载没有电流流过。
当功率开关晶体管VT断开时，变压器次级绕组以输出电压U0为负载供电，并对变压器进行消磁。
图2.6反激开关电源结构
反激开关电源电路简单，输出电压U0高于输入电压Ui又可低于输入电压Ui一般适用在输出功率为200W以下的开关电源中。
2.2.5半桥开关电源结构
如图2.7所示。
两个功率开关管VT1和VT2在开关脉冲信号的作用下，交替地导通与截止。
当开关管VT1导通、VT2截止时，输入电压Ui经VT1变压器初级绕组N1和电容C2为变压器初级线圈N1励磁，同时经次级侧二极管V1,绕组N2给负载供电。
当开关管VT1截止、VT2导通时，输入电源经C1、变压器初级侧绕组N1和开关管VT2给变压器初级绕组N1励磁，同时经次级侧二极管V2给负载供电。
所以,初级侧电源通过功率开关管VT1、V2交替给变压器初级线圈N1励磁并为负载供电。
变压器初级侧的脉冲电压峰值为Ui/2。
图2.7半桥开关电源电路及波形
半桥开关电源的最大优点是自平衡能力强，不易使变压器由于VT1、VT2的导通时问不一致而产生磁饱和现象，使功率开关管VT1、VT2损坏。
可以起到自平衡对称作用。
2.2.6全桥开关电源结构
如图2.8所示。
由4个功率开关管VT1、VT2、VT3、VT4组成一个电桥形式的电路，其中，由VT1与VT4、VT2与VT3分别组成两个导通回路。
当VT2、VT3的触发控制信号有效时，VT1、VT4的触发控制信号无效，VT2、VT3导通时，输入电压Ui经VT2变压器的初级线圈N1和VT3形成电流回路，加至变压器初级线圈的电压为电源电压Ui，并经次级侧二极管V1整流、滤波后为负载供电。
同理，当VT2、VT3关断,VT1、VT4导通时，输入电压Ui从和VT2、VT3导通时电流相反的方向为变压器初级线圈N1励磁，并通过次级线圈N2和整流二极管V2为负载供电，这样在次级得到如Up所示的脉冲波形。
图2.8全桥开关电源电路及波形
与半桥开关电源相比，由于加在全桥变压器初级线圈上的电压、电流比半桥开关电源的各大一倍，因此在同样的电源供电电压Ui下，全桥开关电源的输出功率是半桥开关电源的4倍。
全桥开关电源常用在输出功率较大的场合。
2.3DC-DC变换器
可以将DC-DC管理电源芯片分成三类：
开关电源、线性集成稳压器、电荷泵，在此我们只讨论开关电源类。
Buck型DC-DC转换器作为开关电源的一种电源管理芯片，在电子产品中应用很广泛，它通过控制开关晶体管开通和关断的时间比率，使用电感，变压器，电容等贮能元件从输入端向输出端传送能量，调节电路能量传输过程，使输出信号保持恒定[10]。
本论文主要研究的是Buck型DC-DC变换器，因为该类转换器在便携式电子产品中比较常见。
Buck型DC-DC转换器通常由主电路和控制电路两大部分组成，其电路框图如图2.9所示。
主电路也称功率级，用于完成电能的转换和传输，对设备的电性能、效率、温升、可靠性、体积和重量等指标有着决定性的作用，通常包括输入电源、功率开关管、整流管以及储能电感、滤波电容和负载。
控制电路用于控制主电路的工作状态，通过调节开关管的通断实现输出电压的调节并保证输出电压稳定在一个设定值。
图2.9开关型DC-DC转换器框图
开关型DC-DC转换器主电路最常见的拓扑结构有Buck型、Boost型和Buck-Boost型三种，各自的电路架构如下图所示，其他的结构都是从这三种构架中衍变出来的。
每种结构的输入输出电压大小和极性关系如下：
（1）Buck型——降压斩波器，如图2.10（a）所示。
其输出平均电压Vo小于输入电压Vt，极性相同。
（2）Boost型——升压斩波器，如图2.10（b）所示。
其输出平均电压Vo大于输入电压Vt，极性相同。
（3）Buck——Boost型——降压或升压斩波器，如图2.10（c）所示。
其输出平均电压Vo可以大于或小于输入电压Vt，极性相反，电感传输。
图2.10（a）Buck型（b）Boost型（c）Buck-Boost型
2.3.1Buck变换器
正激式电路构成一大类开关电源拓扑，其电路结构特点是功率管之后或变压器二次侧输出整流器之后紧跟LC滤波器。
图2.11是一种简单正激式变换器电路，即所谓的Buck变换器。
电路的工作可以看作一个机械飞轮和单活塞发动机。
电路的LC滤波器就是飞轮，存储从驱动器输出的脉冲功率。
LC滤波器的输入就是经过斩波以后的电压。
LC滤波器平均了占空比调制的脉冲电压。
LC滤波器的作用可用下式表示[1]：
V=D式（2-4）
式中：
D——占空比。
图2.11基本的正激式变换器（Buck变换器）
通过控制电路改变占空比，既可保持输出电压恒定。
Buck变换器之所以被称作降压变换器，是因为它的输出电压必定低于输入电压。
我们可以把Buck电路的工作过程分成两个阶段。
当开关导通时，输出电压加到LC滤波器的输入端，电感上的电流以固定斜率线性上升。
电感上的电流用下面的公式描述：
=t+式（2-5）
在这个阶段，存储在电感上的能量为：
式（2-6）
输入的能量就存储在电感铁心材料的磁通中。
图2.12正激式变换器（Buck变换器）电压电流波形
当开关断开时，由于电感上的电流不能突变，电感电流就通过二极管续流，该二极管称为续流二极管，这样就实现了对原先流过开关管电流的续流，同时电感中存储的一部分能量向负载释放。
续流电流包括：
二极管、电感、负载。
在这阶段流过电感上的电流用下式描述：
式（2-7）
在这个阶段，电流波形是一条斜率为负的斜线，斜率为-Vout/L0。
当开关再次导通时，二极管迅速关断，电流从输入电源和开关管流过。
在开关导通前瞬间，电感上的电流Imin就是开关管通过的初始电流。
直流输出的负载电流在最大值和最小值之间波动。
在典型应用中，电感电流的最大值为负载电流的150％，最小值为负载电流的50％。
Buck型变换器的优点是：
输出电压的纹波峰峰值比升压式变换器低，同时可以输出比较高的功率，正激式变换器可以提供数千瓦的功率[3]。
在功率开关管和LC滤波器之间可以放置一个用于提升或降低输入电压的变换器。
这些拓扑组成了一类变换器，称为变压器隔离正激式变换器。
使用变压器的好处是：
实现输入与输出间的电隔离，可以增加输出电压的组数，并且使输出电压不会受输入电压高低的限制。
2.3.2Boost变换器
另一类变换器是升压式变换器，最基本的升压式变换器，即所谓的Boost变换器[3]。
图2.13基本的升压式变换器（Boost变换器）
升压式变换器与正激式变换器（Buck）有相同的组成部分，只是它们的位置被重新布置一下。
新的布置使变换器的工作过程和正激式变换器（Buck）完全不同。
在这种情况下，开关管导通时，电流环路仅包括电感、开关管和输入电压源。
在这段时间中，二极管是反向阻断的。
电感电流波形也是以固定斜率线性上升，可用下式描述：
式（2-8）
在这个阶段，能量存储在电感铁心的磁通中。
开关管关断时，由于电感中的电流不能突变，于是二极管立刻正向导通。
这时，电感与开关相连端的电压被输出电压钳位，
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