开关稳压电源的基础知识,开关稳压电源的工作原理

   线性稳压电源,虽然电特性优良,但由于功率调整器件串联在负载回路里,而且工作在线性区,因此功率转换效率比较低。为了提高效率,就必须使功率调整器件处于开关工作状态。作为开关而言,导通时压降很小,几乎不消耗能量,关断时漏电流很小,也几乎不消耗能量,所以开关稳压电源的功率转换效率可达80%以上。 开关电源(Switch Mode Power Supply,简称SMPS)被誉为高效节能电源,它代表着稳压电源的发展方向,现已成为稳压电源的主流产品。目前,开关电源正进入一个蓬勃发展的新时期,各种新技术不断涌现,新工艺被普遍采用,新产品层出不穷。突出表现在以下几个方面:开关电源正朝着短、小、轻、薄、单片集成化、智能化、高效节能、绿色环保的方向发展,开关电源的保护电路日趋完善,其电磁兼容性设计也取得突破性进展。      近20多年来,集成开关电源沿着下述两个方向不断发展。第一个发展方向是对开关电源的核心单元-控制电路实现集成化。首先研制成功PWM(脉冲宽度调制,以下简称脉宽调制)控制器集成电路。第二个发展方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化。现都已在电子产品中获得了广泛的应用。
一、 开关电源的简要工作原理
开关电源的基本组成如图3-1-1所示。

开关S以一定的时间间隔重复地接通和断开,在开关S接通时,输入电源Ui通过开关S和电感L滤波电路提供给负载RL,在整个开关接通期间,电源Ui向负载提供能量,同时电感L储存能量;当开关S断开时,储存在电感L中的能量通过二极管VD释放给负载,使负载得到连续而稳定的能量。在滤波电路AB间得到的电压平均值UAB可用下式表示:

 式中,ton为开关每次接通的时间,T为开关通断的工作周期(即开关接通时间ton和关断时间tOFF之和)。由式可知,改变开关接通时间和工作周期的比例,AB间电压的平均值也随之改变。因此,随着负载及输入电源电压的变化自动调整ton和T的比例便能使输出电压Uo维持不变。改变开关接通时间ton和工作周期T的比例亦即改变脉冲的占空比,这种方法称为“时间比率控制”。 
  按时间比率控制原理,开关电源有三种调制方式,即脉冲宽度调制方式、脉冲频率调制方式和混合调制方式。
①脉冲宽度调制(Pulse Width Modulation,PWM) 
脉冲宽度调制方式指开关周期恒定,通过改变脉冲宽度来改变占空比的方式。因为周期恒定,滤波电路的设计容易。但受最小未通时间的限制,输出端需接假负载。
②脉冲频率调制(Pulse Frequency Modulation,PFM)
脉冲频率调制方式是指导通脉冲宽度恒定,通过改变开关工作频率来改变占空比的方式。因为tON/T可以在很宽的范围内变化,输出电压的可调范围也较PWM方式大,同时,只需极小的假负载。当然,滤波电路要能在较宽的频率范围内正常工作,因而,滤波器体积较大是其不足之处。    ③混合调制
混合调制方式是指导通脉冲宽度和开关工作频率均不固定,彼此都能改变的方式,它是以上两种方式的混合。ton和T相对地发生变化,在频率变化不大的情况下,可以得到非常大的可调范围的输出电压,因此,用来制作要求能在宽范围调节输出电压的实验室用电源非常合适。

二、开关电源的基本组成
开关电源的基本组成框图如图3-1-2所示,有进线滤波器、整流器、功率因素校正电路(PFC)、DC/DC变换器等四部分组成。

进线滤波器的作用是不让外线的开扰进入开关电源,同时也使开关电源的高频脉冲不能进入外线,即应具备双向滤波功能。功率因素校正电路的主要作用是提高开关电源的功率因素,因为开关电源的功率因素较低,一般在0.6∼0.7的范围内,通过PFC电路的校正后,可达到0.95以上
但是该电路还具备有输入直流电压在大范围内变化时,输出电压基本不变的功能,如PFC控制芯片L6562的规格书介绍,它能做到当交流输入电压从85伏变化到265伏的宽范围内,其输出电压能稳定在395伏左右。DC/DC变换器的功能是将一种直流电压变换成一种或多种直流电压,同时应具备稳压功能。

三、PWM控制模式及其特点
    在开关电源三种调制方式中,脉冲宽度调制(PWM)方式应用最普遍,因此,现介绍如下几种常用PWM控制模式及其特点。
1、电压型PWM控制
  电压型PWM控制基本原理是:电压型PWM控制是20世纪60年代后期开关稳压电源刚刚开始发展时所采用的第一种控制方法。该方法与一些必要的过电流保护电路相结合,至今仍然在工业界广泛应用。
电压型PWM控制只有一个电压反馈闭环,采用脉冲宽度调制法,即将电压误差放大器采样放大的慢变化的直流信号Ue与恒定频率的三角波电压Us上斜坡相比较,通过脉冲宽度调制原理,得到当时的脉冲宽度ton,该信号经过驱动电路功率放大得到开关管控制信号Ug。逐个脉冲的限流保护电路必须另外附加。当输入电压突然变小或负载阻抗突然变小时,因为主电路有较大的输出电容C及电感L的相移延时作用,输出电压的变小也延时滞后。输出电压变小的信息还要经过电压误差放大器的补偿电路延时滞后,才能传至PWM比较器将脉宽展宽。这两个延时滞后作用是暂态响应慢的主要原因。
电压型PWM控制的优点是:单一反馈电压闭环设计、调试比较容易;对输出负载的变化有较好的响应调节;PWM三角波幅值较大,脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量;对于多路输出电源,它们之间的交互调节效应较好。   电压型PWM控制的缺点是:对输入电压的变化动态响应较慢;补偿网络设计本来就较为复杂,闭环增益随输入电压变化而变化,使其更为复杂;输出LC滤波器给控制环增加了双极点,在补偿设计误差放大器时,需要将主极点低频衰减,或者增加一个零点进行补偿。

2、峰值电流型PWM控制 峰值电流型PWM控制基本原理是:峰值电流型PWM控制(Peak Current-mode Control PWM)简称电流型控制,其控制原理如图3-1-3所示,误差电压信号Ue送至PWM比较器后,与合成波形信号U∑比较,而合成波形信号U∑要有斜坡补偿信号与实际电感电流信号两部分合成才能构成,所以电流型控制并不是像电压型那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜坡比较,而是与一个变化的,其峰值代表输出电感电流峰值的三角波形或梯形尖角状合成波形信号U∑相比较,然后得到PWM脉冲关断时刻。因此,电流型控制是一种固定时钟开启,峰值电流关断的控制方法,先直接控制输出侧电感电流峰值的大小,然后间接地控制PWM脉冲宽度。
 
峰值电流型PWM控制是双闭环控制系统,电压外环控制电流内环。电流内环是瞬时快速按照逐个脉冲工作的。功率级是由电流内环控制的电流源,而电压外环控制此功率级电流源。在该双环控制中,电流内环只负责输出电感的动态变化,因而电压外环仅需控制输出电容,不必控制LC储能电路。因此,峰值电流型PWM控制具有比电压型控制大得多的带宽。    峰值电流型PWM控制的优点是:暂态闭环响应较快,对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应也较快;控制环易于设计;输入电压的调整技术可与电压型控制的输入电压前馈技术相媲美;具有瞬时峰值电流限流功能,即内在固有的逐个脉冲限流功能;具有自动均流并联功能。   峰值电流型PWM控制的缺点是:峰值电流与平均电流的误差难以校正;抗噪声性差,容易发生次谐波振荡。电流信号上的较小的噪声就很容易使得开关器件改变关断时刻,使系统进入次谐波振荡;对多路输出电源的交互调节性能不好;只能用于个别电路拓扑。
3、平均电流型PWM控制 
平均电流型PWM控制如图3-1-4为平均电流型PWM控制的原理图。将误差电压Ue接至电流误差信号放大器(c/a)的同相端,作为输出电感电流的控制基准信号Ucp带有锯齿纹波状分量的输出电感电流信号Ui 接至电流误差信号放大器(c/a)的反相端,UI与Ucp的差值经过电流误差信号放大器(c/a)放大后,得到平均电流跟踪误差信号Ucao再由Uc:及三角锯齿波信号UT或Us通过比较器比较得到PWM关断时刻。

Uca的波形与电流波形Ul反相,所以是由Uca的下斜坡(对应于开关器件导通时期)与三角波UT或Us的上斜坡比较产生关断信号。显然,这就无形中增加了一定的斜坡补偿。为了避免次谐波振荡,Uca的上斜坡不能超过三角锯齿波信号UT或Us的上斜坡。   
平均电流型控制的优点是:平均电感电流能够高度精确地跟踪电流基准信号;不需要斜坡补偿;调试好的电路抗噪声性能优越;适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制;易于实现均流。 平均电流型控制的缺点是:电流放大器在开关频率处的最大增益有限制;双闭环放大器带宽、增益等配合参数设计调试复杂。

四、开关电源主要技术指标   
1.输入电压     输入电源一般为单相2线制和3相3线制,还有单相3线制及3相4线制等。输入电源的额定电压因各国或地区不同而异,例如,美国规定的交流输入电源电压为120V,欧洲为220~240V,  日本为100V及200V,我国为220V及380V。输入电压的变化范围一般为±10%,加上配线路径及各地的具体情况,输入电压的变化范围多为-15%~+10%。