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DC/DC變換器的PWM控制技術(shù) |
| 作者：輕輕紅過(guò) 欄目：電源技術(shù) |
開關(guān)穩(wěn)壓器利用無(wú)源磁性元件和電容電路元件的能量存儲(chǔ)特性，從輸入電壓源獲取分離的能量，暫時(shí)地把能量以磁場(chǎng)形式存儲(chǔ)在電感器中，或以電場(chǎng)形式存儲(chǔ)在電容器中，然后將能量轉(zhuǎn)換到負(fù)載，實(shí)現(xiàn)DC/DC變換。 實(shí)現(xiàn)能量從源到負(fù)載的變換需要復(fù)雜的控制技術(shù)。現(xiàn)在，大多數(shù)采用PWM（脈沖寬度調(diào)制）技術(shù)。從輸入電源提取的能量隨脈寬變化，在一固定周期內(nèi)保持平均能量轉(zhuǎn)換。PWM的占空因數(shù)（δ）是“on”時(shí)間（ton，從電源提取能量的時(shí)間）與總開關(guān)周期（T）之比。對(duì)于開關(guān)穩(wěn)壓器，其穩(wěn)定的輸出電壓正比于PWM占空因數(shù)，而且控制環(huán)路利用“大信號(hào)”占空因數(shù)做為對(duì)電源開關(guān)的控制信號(hào)。 開關(guān)頻率和儲(chǔ)能元件 DC/DC變換器中，功率開關(guān)和儲(chǔ)能元件的物理尺寸直接受工作頻率影響。磁性元件所耦合的功率是：P（L）=1/2（LI2f）。隨著頻率的提高，為保持恒定的功率所要求的電感相應(yīng)地減小。由于電感與磁性材料的面積和線匝數(shù)有關(guān)，所以可以減小電感器的物理尺寸。 電容元件所耦合的功率是：P(c)=1/2(CV2f)，所以儲(chǔ)能電容器可實(shí)現(xiàn)類似的尺寸減小。元件尺寸的減小對(duì)于電源設(shè)計(jì)人員和系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來(lái)說(shuō)都是非常重要的，可使得開關(guān)電源占用較小的體積和印刷電路板面積。 開關(guān)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu) 開關(guān)變換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)系指能用于轉(zhuǎn)換、控制和調(diào)節(jié)輸入電壓的功率開關(guān)元件和儲(chǔ)能元件的不同配置。很多不同的開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)可分為兩種基本類型：非隔離型（在工作期間輸入源和輸出負(fù)載共用一個(gè)共同的電流通路）和隔離型（能量轉(zhuǎn)換是用一個(gè)相互耦合磁性元件（變壓器）來(lái)實(shí)現(xiàn)的，而且從源到負(fù)載的耦合是借助于磁通而不是共同的電器）。變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)是根據(jù)系統(tǒng)造價(jià)、性能指標(biāo)和輸入線/輸出負(fù)載特性諸因素選定的。 非隔離開關(guān)變換器 有四種基本非隔離開關(guān)穩(wěn)壓器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)用于DC/DC變換器。 1. 降壓變換器 降壓變換器將一輸入電壓變換成一較低的穩(wěn)定輸出電壓。輸出電壓（Vout）和輸入電壓（Vin）的關(guān)系為： Vout/Vin=δ（占空因數(shù)）Vin>Vout 2. 升壓變換器 升壓變換器將一輸入電壓變換成一較高的穩(wěn)定輸出電壓。輸出電壓和輸入電壓的關(guān)系為： Vout/Vin=1/（1-δ）Vin 3. 逆向變換器 逆向變換器將一輸入電壓變換成一較低反相輸出電壓。輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系為： Vout/Vin=-δ/（1-δ）Vin>|Vout| 4.Cuk變換器 Cuk(“丘克”)變換器將一輸入電壓變換成一穩(wěn)定反相較低值或較高值輸出電壓（電壓值取決于占空因數(shù)）。輸出電壓輸入電壓的關(guān)系為： Vout/Vin=-δ/（1-δ）|Vin|>|Vout|，δ<0.5|Vin|<|Vout|，δ>0.5 隔離開關(guān)變換器 有很多隔離開關(guān)變換器拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)，但其中三種比較通用，它們是：逆向變換器、正向變換器、推挽變換器。在這些電路中，從輸入電源到負(fù)載的能量轉(zhuǎn)換是通過(guò)一個(gè)變壓器或其他磁通耦合磁性元件實(shí)現(xiàn)的。 1. 逆向隔離變換器 逆向隔離變換器將一輸入電壓變換成一穩(wěn)定的取決于變壓器匝數(shù)比的較低值或較高值輸出電壓。輸出電壓與輸入電壓的關(guān)系式為： Vout/Vin=（1/N）（δ/（1-δ））Vin>Vout或Vin 式中N為變壓器匝數(shù)比。 2. 正向隔離變換器 正向隔離變換器將一輸入電壓變換成一穩(wěn)定的取決于變壓器匝數(shù)比的較低值或較高值輸出電壓。輸出電壓和輸入電壓關(guān)系為： Vout/Vin=（1/N）δVin>Vout或Vin 3. 推挽隔離變換器 推挽隔離變換器將一輸入電壓變換成一穩(wěn)定較低值輸出電壓。它們的關(guān)系為： Vout/Vin=（2/N）δVin>Vout PWM控制技術(shù) 控制開關(guān)DC/DC變換器的反饋回路和穩(wěn)壓特性有兩種方法：電壓模式控制和電流模式控制。在電壓模式控制中，變換器的占空因數(shù)正比于實(shí)際輸出電壓與理想輸出電壓之間的誤差差值；在電流模式控制中，占空因數(shù)正比于額定輸出電壓與變換器控制電流函數(shù)之間的誤差差值�？刂齐娏骺梢允欠歉綦x拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的開關(guān)電流或隔離拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中的變壓器初級(jí)電流。 電壓模式控制只響應(yīng)（調(diào)節(jié)變換器的占空因數(shù)）輸出（負(fù)載）電壓的變化。這意味著變換器為了響應(yīng)負(fù)載電流或輸入線電壓的變化，它必須“等待”負(fù)載電壓（負(fù)載調(diào)整）的相應(yīng)變化。這種等待/延遲會(huì)影響變換器的穩(wěn)壓特性，通�！暗却笔且粋�(gè)或多個(gè)開關(guān)周期。負(fù)載或輸入電壓擾動(dòng)會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)（盡管不一定成比例）的輸出電壓干擾。 在此電路中，A1是環(huán)路誤差放大器，A2是PWM比較器，A3是輸出驅(qū)動(dòng)器（與功率開關(guān)的接口）。斜波振蕩器提供輸出電壓VOSC，VOSC在變換器開關(guān)周期ts期間從OV到某最大值（對(duì)應(yīng)于最大占空因數(shù)）呈線性斜波。誤差放大器對(duì)精密溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)（VREF）和變換器輸出電壓分量Vout（R2/（R1+R2））之間的差值進(jìn)行比較。A1的輸出VE正比于基準(zhǔn)電壓和Vout之間的差值。假若輸出電壓為零，則A1的輸出為其最大值，此最大值與振蕩器輸出斜波最大值相同。當(dāng)在PWM比較器A2的輸入存在這種條件時(shí)，則A2的輸出電壓在變換器整個(gè)開關(guān)周期中保持在最大值。所以，當(dāng)Vout為最小值時(shí)，占空因數(shù)是在其最大值。 假若實(shí)際的輸出電壓超過(guò)Vout的調(diào)整范圍，則A1的輸出將為（或接近）零。在這種條件下，A2的輸出在整個(gè)開關(guān)周期期間將保持在其最小值。輸出電壓和變換器占空因數(shù)之間的反比關(guān)系（即輸出電壓太低會(huì)產(chǎn)生最大占空因數(shù)，輸出電壓太高會(huì)產(chǎn)生最小占空因數(shù)）為變換器的控制環(huán)路提供穩(wěn)定的反饋機(jī)構(gòu)。 假若能有一種機(jī)械使PWM控制可以在單個(gè)變換周期內(nèi)響應(yīng)負(fù)載電流的變化，則“等待”問(wèn)題和與電壓模式控制有關(guān)的相應(yīng)負(fù)載調(diào)整補(bǔ)償可以消除。用電流模式控制做到這點(diǎn)是可能的。 電流模式控制把變換器分成兩條控制環(huán)路——電流控制通過(guò)內(nèi)部控制環(huán)路而電壓控制通過(guò)外部控制環(huán)路。其結(jié)果在逐個(gè)開關(guān)脈沖上不僅僅可以響應(yīng)負(fù)載電壓的變化而且也可響應(yīng)電流的變化。 上圖示出一個(gè)典型的電流模式PWM控制電路。在此電路中，A1是電壓環(huán)路誤差放大器，A2是PWM比較器，A3是輸出驅(qū)動(dòng)器（與功率開關(guān)的接口）。振蕩器以開關(guān)頻率fs提供窄同步脈沖。它把PWM鎖存（G1）的輸出（Q）置于邏輯高態(tài)并表示另一變換周期的開始。 和電壓模式控制的情況一樣，誤差放大器A1對(duì)精密溫度補(bǔ)償基準(zhǔn)（VREF）和變換器輸出電壓分量Vout（R2/（R1+R2））之間的差值進(jìn)行比較。A1的輸出正比于基準(zhǔn)電壓和Vout之間的差值。 假若輸出電壓為零，則A1輸出是它的最大值。假若輸出電壓超過(guò)Vout的調(diào)整范圍，則A1輸出將為（或接近）零。所以，當(dāng)變換器輸出正在調(diào)整時(shí)A1的輸出處在最大和最小值之間的某一平均值（VA）。此值對(duì)PWM比較器A2是反相輸入，實(shí)質(zhì)上它變成電流反饋信號(hào)的基準(zhǔn)。 注意，假若在A2的-輸入上電壓大于其+輸入上的電壓，則A2的輸出電壓是在其最小值（邏輯低態(tài)）。假若電阻器Rs感測(cè)到開關(guān)或初級(jí)電流，則呈現(xiàn)在A2+輸入端的電壓Vs為IsRs，Vs電壓正比于開關(guān)電流。當(dāng)Vs值達(dá)到VA值時(shí)，A2輸出將轉(zhuǎn)換到它的最大值（邏輯高態(tài)）并復(fù)位PWM鎖存G1，使G1的輸出轉(zhuǎn)換到邏輯低態(tài)。這種作用確定整個(gè)開關(guān)周期期間的時(shí)間，在此期間G1的輸出是高態(tài)并確定變換器的占空因數(shù)。 電流模式控制和電壓模式控制一樣在輸出電壓與占空因數(shù)之間具有相同的反比關(guān)系。而且電流模式還具有如下的特點(diǎn)：外（電壓）控制環(huán)路設(shè)置閾值，而在閾值內(nèi)內(nèi)（電流）環(huán)路調(diào)整開關(guān)或初級(jí)電路中的峰值電流。由于輸出電流正比于開關(guān)或初級(jí)電流，所以在逐個(gè)脈沖上控制輸出電流，從而電流模式控制具有比電壓模式控制更優(yōu)越的電源電壓和負(fù)載調(diào)整特性 |
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| 作者： 輕輕紅過(guò) 于 2006/4/8 16:01:00 發(fā)布：
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