ACDC开关电源控制器的设计与应用

ｏｆ ｈｉ曲ｃｏｓｔ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ，ｆｌｅｘｉｂｌｅ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ，ｍａｉｎｔｅｎａｎｃｅ ａｎｄ ｈｉ曲
ｕｎｉｖｅｒｓａｌｉｔｙ．
Ｔｈｅ ｍａｉｎ ｗｏｒｋ ｏｆ ｔｈｉｓ Ｐａｐｅｒ Ｃａｌｌ ｂｅ ｓｕｍｍａｒｉｚｅｄ ａｓ ｆｏｌｌｏｗｓ：
Ｉ．Ａｃｃｏｒｄｉｎｇ ｔｏ ｓｗｉｔｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｍｏｄｅ ｏｆ ｐｏｗｅｒ ｍａｎａｇｅｍｅｎｔ ｄｅｖｉｃｅｓ，ｐｕｔ ｆｏｒｗａｒｄ ｐｅａｋ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ＰＷＭ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ．Ｆｏｃｕｓｅｓ ｏｎ ｍｕｌｔｉ－ｍｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ，ｉｎ ｔｈｉｓ ｍｏｄｅ ｏｆ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｔｈｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｔｉｏｎ ｏｆ ＰＳＭ，ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎｓ ｔｈｒｏｕｇｈ ｎｅｅｄｓ ａｎａｌｙｓｉｓ，ｃｏｍｂｉｎｅｄ ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｂｌｏｃｋ ｄｉａｇｒａｍ ａｎｄ ｐｅａｋ ｃｕｒｒｅｎｔ ｍｏｄｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ＰＷＭ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｄｅｓｉｇｎｓ ｔｈｅ ｏｖｅｒａｌｌ ｐｒｏｇｒａｍ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｄｉａｇｒａｍ． ２．Ｉｎ ｔｈｅ ｍａｔｌａｂ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔ ｔｏ ｓｔｕｄｙ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｓｏｆｔｗａｒｅ ａｒｃｈｉｔｅｃｔｕｒｅ ａｎｄ ｋｅｙ ｄｅｓｉｇｎ ｓｏｆｔ－ｓｔａｒｔ ｍｏｄｕｌｅ，ｔｈｅ ｐｅａｋ ｃｕｒｒｅｎｔ ｏｆ ｔｈｅ ａｃｑｕｉｓｉｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ，ｍｏｄｅｌ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ ａｎｄ ｃｉｒｃｕｉｔ ｐｒｏｔｅｃｔｉｏｎ ｍｏｄｕｌｅ．Ｂｙ ｓｔｕｄｙｉｎｇ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｓｍａｌｌ－ｓｉｇｎａｌ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｄｅｓｉｇｎｅｄ ｔｏ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｈｅ ｌｅｖｅｌ ｏｆｔｈｅ ｔｒａｎｓｆｅｒ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ．
武汉理工大学硕士学位论文
１．２开关电源的特点
开关电源产品的优点是：重量轻、体积小、效率高等，因此在很多领域有广 泛的应用，开关电源产品的技术发展趋势正朝着高可靠、高稳定、低噪声、模
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酶年翩虢牲
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第１章绪论
当前设计ＡＣ．ＤＣ开关电源管理器技术已经比较成熟，需要攻克的难题是提 高电源工作效率和提高电源输出精度。目前ＡＣ．ＤＣ开关电源采用ＰＷＭ和ＰＦＭ 技术，这种方式使得变换器发出的每一个能量驱动脉冲都要进行调整，以使输 出电压不偏离额定值。本文在以有的ＡＣ—ＤＣ开关电源控制技术基础上，采用数 字技术，在每一个周期内，数字脉冲序列抽样一个二进制误差信号，决定是否 驱动开关管导通，从而实现输出电压稳压的功能，解决ＡＣ．ＤＣ开关电源中存在 的难题。本文提出采用初级反馈技术控制，具有显著特点，解决开关电源成本 高的问题，同时其结构灵活，易于维护，通用性强。
为了减少开关电源的电磁污染，需要将各种新的技术进行融合。在控制部分， 需要引入软启动技术、多种工作模式等。在硬件上，主要是采用无感电容、无 感电阻等元器件。
为了提高开关电源稳定性，可以通过一系列的保护电路来实现。因此，一般 需要集成保护电路，如过压保护、欠压保护、过流保护电路等，使系统可以在 输入电压范围比较大，应用领域比较广泛的条件下，稳定安全工作【４】。
Ｔｈｅ ｃｕｒｒｅｎｔ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ＡＣ－ＤＣ Ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ Ｐｏｗｅｒ Ｍａｎａｇｅｒ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｉｓ ｒｅｌａｔｉｖｅｌｙ ｍａｔｕｒｅ，ｉｔ ｎｅｅｄ ｔｏ ｏｖｅｒｃｏｍｅ ｔｈｅ ｃｈａｌｌｅｎｇｅｓ ｔｏ ｉｍｐｒｏｖｅ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ ａｎｄ ｉｍｐｒｏｖｅ ｏｕｔｐｕｔ ａｃｃｕｒａｃｙ Ａｔ ｐｒｅｓｅｎＬ ＡＣ—ＤＣ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｗｉｔｈ ＰＷＭ ａｎｄ ＰＦＭ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅｓ ｗｈｉｃｈ ｍａｙ ｃａｕｓｅ ｔｈｅ ｃｏｎｖｅｒｔｅｒ ｔｏ ｉｓｓｕｅ ｄｒｉｖｅｒ ｆｏｒ ｅａｃｈ ｅｎｅｒｇｙ ｐｕｌｓｅ，ｉｔ ｍｕｓｔ ｂｅ ａｄｊｕｓｔｅｄ ＳＯ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｄｏｅｓ ｎｏｔ ｄｅｖｉａｔｅ ｆｒｏｍ ｔｈｅ ｒａｔｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ＡＣ—ＤＣ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｂａｓｅｄ ｏｎ ｄｉｇｉｔａｌ
Ａｂｓｔｒａｃｔ
Ｗｉｔｈ ｔｈｅ ｓｃｉｅｎｔｉｆｉｃ ａｎｄ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｃａｌ ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ，ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｐｅｏｐｌｅ ａｒｅ ｉｎｓｅｐａｒａｂｌｅ ｆｒｏｍ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｐｒｏｄｕｃｔｓ，ｅｓｐｅｃｉａｌｌｙ ｐｏｒｔａｂｌｅ ｐｒｏｄｕｃｔｓ ａｒｅ ｍｏｒｅ ａｎｄ ｍｏｒｅ ｐｏｐｕｌａｒ ｆｏｒ ａｌｌ ｐｅｏｐｌｅ，ｆｏｒ ｅｘａｍｐｌｅ ｃｅｌｌ ｐｈｏｎｅｓ，ｌａｐｔｏｐｓ，ｄｉｇｉｔａｌ ｃａｍｅｒａｓ ａｎｄ ＳＯ ｏｎ． Ｔｈｅｙ ｃａｎ ｂｅ ｓｅｅｎ ｅｖｅｒｙｗｈｅｒｅ．Ｂｕｔ ｔｈｅｓｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ ｎｅｅｄ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ Ｓｏ ａ ｇｏｏｄ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ｏｆ ｔｈｅ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｃａｎ ｍａｋｅ ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ ｄｅｖｉｃｅｓ ｗｏｒｋ ｖｅｒｙ ｗｅｌｌ．
Ｔｈｅ ｓｉｍｕｌａｔｉｏｎ ａｎｄ ｔｅｓｔ ｒｅｓｕｌｔｓ ｓｈｏｗ ｔｈａｔ ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｓｗｉｔｃｈｉｎｇ ｐｏｗｅｒ ｓｕｐｐｌｙ ｃｏｎｔｒｏｌ ｓｙｓｔｅｍ ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｔｈｅ ｄｅｓｉｒｅｄ ｄｅｓｉｇｎ ｏｆ ｔｈｅ ｆｕｎｃｔｉｏｎａｌ ｒபைடு நூலகம்ｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓ，ｔｈｅ
ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｉｎ ｅａｃｈ ｃｙｃｌｅ ｉｔ ｄｅｃｉｄｅｄ ｗｈｅｔｈｅｒ ｔｏ ｄｒｉｖｅ ｓｗｉｔｃｈ ｃｏｎｔｒｏｌ ｌｅａｄ ｐａｓｓ ｉｎ ｏｒｄｅｒ
ｔｏ ａｃｈｉｅｖｅ ｏｕｔｐｕｔ ｖｏｌｔａｇｅ ｒｅｇｕｌａｔｉｏｎ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｅｘｉｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｕｓｉｎｇ ｐｒｉｍａｒｙ ｆｅｅｄｂａｃｋ ｃｏｎｔｒｏｌ，ｗｉｔｈ ｓｉｇｎｉｆｉｃａｎｔ ｆｅａｔｕｒｅｓ ｔｏ ｓｏｌｖｅ ｔｈｅ ｐｒｏｂｌｅｍ
Ｉ．Ｉ课题研究意义
随着便携式产品越来越多的进入人们的生活，用户对电源的要求也就越来 越高。因此，为了更好的满足消费者的需求，系统设计师们在设计电源控制器 时，需要考虑工作效率等问题。同时，客户希望电源设计师可以提供功能强大、 省电、高效的电源管理器【２】。
理论分析和实践证明，电子产品的体积和重量与频率的平方根成反比。因此， 随着电子器件的不断发展，尤其是开关管制造技术的不断发展，开关电源的体 积和重量将不断减小。但是在体积减少的同时，会发现将引入更多的电磁污染１３Ｊ。
ＩＩ
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３．Ｔｈｅ ｅｘｔｅｒｎａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｏｆ ｔｈｅ ｃｏｎｔｒｏｌｌｅｒ ｃｉｒｃｕｉｔ，ｆｏｃｕｓｉｎｇ Ｏｉｌ ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ｔｒａｎｓｆｏｒｍｅｒ ｄｅｓｉｇｎ，ｔｈｅ ｄｅｓｉｇｎ ｐａｒａｍｅｔｅｒｓ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｄｅｂｕｇｇｉｎｇ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｉｓ
ｐｅｒｆｅｃｔ．
ｓｙｓｔｅｍ ４．Ｆｏｒ ｔｈｅ ｍｏｄｕｌｅ ｔｅｓｔｉｎｇ ａｎｄ
ｔｅｓｔｉｎｇ ｐｒｏｂｌｅｍｓ ｅｎｃｏｕｎｔｅｒｅｄ，ｓｏｍｅ ｒｅａｓｏｎａｂｌｅ
ｓｏｌｕｔｉｏｎ ｔｏ ａ ｍｏｒｅ ｏｐｔｉｍｉｚｅｄ ｓｙｓｔｅｍ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ ａｎｄ ｓｙｓｔｅｍ ｓｔａｂｌｅ ｏｐｅｒａｔｉｏｎ．
通过仿真和测试结果表明，本文设计实现的开关电源控制系统达到预期设 计的功能要求，应用电路功能稳定。同时由于本系统采用的多模式转换，使得 系统的性能更加稳定。在本论文的研究基础上，还可以实现功率、效率、模块 升级等功能。
关键词：变换器，ＰＷＭ控制，ＣＶ模式，ＣＣ模式，ｍａｔｌａｂ仿真
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武汉理工大学 硕士学位论文 AC-DC开关电源控制器的设计与应用 姓名：尚卓 申请学位级别：硕士 专业：物理电子学 指导教师：洪建勋
20100501
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摘要
随着科学技术的发展，人们的生活越来越离不开电子产品，特别是便携式 产品更是越来越受到人们的青睐，手机、手提电脑、数码照相机等电子设备随 处可见，而这些电子设备都离不开电源，因此一个性能优良的电源可以充分发 挥电子设备的功能。
ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ ｃｉｒｃｕｉｔ ｆｕｎｃｔｉｏｎ ａｎｄ ｓｔａｂｉｌｉｔｙ．Ａｔ ｔｈｅ ｓａｍｅ ｔｉｍｅ，ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｕｓｅｓ
ｍｕｌｔｉ—ｍｏｄｅ ｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎ ｔｏ ｍａｋｅ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ｍｏｒｅ ｓｔａｂｌｅ ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｉｔ
开关电源控制器可以分为以下四类：ＡＣ．ＡＣ、ＤＣ．ＤＣ、ＡＣ．ＤＣ、ＤＣ．ＡＣ。 本课题是设计一款ＡＣ．ＤＣ开关电源控制器ｕ１。
与传统设计开关电源控制器不同，在本课题的设计中，主要有以下四个关 键技术。第一，与传统设计开关电源控制器采用次级反馈不同，本课题采用的 是初级反馈，这种反馈方式可以减少元器件的数量，减轻重量，减少体积，因 而节约成本。第二，传统设计一般采用模拟技术，本课题控制器部分采用的是 数字技术，这样做的原因是可以提高输出电压的精度，提高系统的稳定性，使 得动态响应得到提高。第三，在传统设计方案中，一般将保护电路设置在硬件 部分，但是在本课题设计中将部分保护电路直接在控制器中写入程序进行控制， 最大限度的减小体积，节约成本。第四，传统的Ａｃ—ＤＣ开关电源管理器的工作 效率一般是低于５０％，而本课题设计的ＡＣ－ＤＣ开关电源管理器的效率可以达到 ６５％’７５％，使得功耗低，是一种绿色环保的新型开关电源。