电气自动化+PWM型开关电源电路设计

1 引言

当今社会，时代在进步，人们的生活水平不断提高，越来越离不开电力电子产品电力电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切，当然任何电子设备都离不开可靠的电源，进入80年代计算机电源全面实现了开关电源化，率先完成计算机的电源换代，进入90年代开关电源相继进入各种电子、电器设备领域，程控交换机、通讯、电子检测设备电源、控制设备电源等都已广泛地使用了开关电源，更促进了开关电源技术的迅速发展。

1.1 什么是开关电源

电子电源是对公用电网或某种电能进行变换和控制，并向各种用电负载提供优质电能的供电设备。它可分为线性电源和开关电源两种。应用大功率半导体器件，在一个电路中运行于“开关状态”，按一定规律控制开关，对电能进行处理变换而构成的电源，被称为“开关电源”。在实际应用中同时具备三个条件的电源可称之为开关电源，这三个条件就是:开关(电路中的电力电子器件工作在开关状态而不是线性状态)、高频(电路中的电力电子器件工作在高频而不是接近工频的低频)和直流(电源输出是

直流而不是交流)。广义地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成另一形态的主电路都叫做开关变换电路;转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环

节的则称开关电源。

1.2 开关电源基本工作原理

开关电源以半导体开关器件的启闭为基本原理，即通过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。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）或者脉冲频率调制方式（PFM）控制IC和外部电路构成。

开关电源有PWM调制、FWM调制和混合调制，这里选用PWM调制。PWM型开关电源的换能电路是将输入的直流电压转换成脉冲电压，再将脉冲电压转换成直流电压输出。

图1-1 PWM型开关电源原理框图

2 EMI滤波

滤波的方法有很多，此处采用在电源的输入端加入线路滤波器的方法

图2-1 EMI滤波电路

EMI滤波电路一方面滤除从交流电源线上引入的外部电磁干扰，另一方面还能避免本身设备向外部发出噪声干扰，以免影响同一电磁环境下其他电子设备的正常工作。此外，其对串模、共模干扰都起到抑制作用。

因为额定电流为10A，所以图2中的电感值选为0.2mH。

3 AC/DC

图3-1 AC/DC转换电路

运用不可控整流电路将220V的交流电转换为直流电，其等效直流电压约为198V，然后输入到主电路中进行DC-DC变换。

4 开关电源主电路

DC-DC 变换器有多种拓扑结构，根据设计要求，此处选用BUCK 变换器。

图4-1 Buck 型开关电源主电路

在一个开关周期中，首先，在控制电路作用下，Q 导通，x 点高电位，二极管因受反向偏压而截止，电流由电池流经Q 、电感L 到电容C 和负载。电感电流持续上升，电感储能在增加，能量由电池传送到电感并存储在电感中；第二阶段，控制电路使Q 截止，切断电池和电感元件的连接，于是电感产生感生电动势使电流维持原来的流向，迫使x 点电位降至比地电位还低一个二极管的正向导通压降，二极管D 导通，为电感电流提供通路，电流由电感L 流向电容C 和负载，电感电流随时间下降，能量由电感流向负载。

经电感L 、电容C 滤波，在负载R L 上可得到脉动很小的直流电压V o 。

4.1 Buck 型开关电源稳态分析

设功率管的开关频率为fs ，则开关工作周期为Ts ＝1/fs ，一周期内，功率管导通的时间为on T ，关断的时间为off T ，令占空比为d ，定义如下： s

on

T d T

(1) 当系统工作在稳态时，占空比是恒定的，用D 表示。 为简化分析，作如下假定：

1、电路图中开关元件均为理想元件，即导通时压降为零，截止时漏电流为零；

2、电感、电容是理想元件。电感工作在线性区且未饱和，寄生电阻为零。电容的等效串联电阻也为零；

3、输出电压中的纹波分量与输出电压相比，可以忽略。设电力MOSFET 管的导通占空比为D1，二极管的导通占空比为D2。如果新的周期在电感电流尚未降至零时开始，则系统工作在CCM ，工作波形见图下，此模式下有D1+D2=1。

（a ）CCM 模式 (b)DCM 模式

图4-2 Buck 型开关电源的工作波形

当电力MOSFET 管导通时，电感电流线性上升，可以算得上升斜率m1为

L Vo

Vin m -=

1 (2) 设该段时间内电感电流上升的增量为rise L L I ,?,则

s o

in t o in T D L

V V d L V V I 1rise L,?

-=-=? (3) 当MOS 管截止时，电感电流线性下降的斜率m2为

L

V m o

=

2 (4) 设在电力MOSFET 管截止时段内，电感电流线性下降的电流变化量为fail L I ,?，则

?-==

?s

s

T T D s o

t o fail L T D L V d L V I 1)1(1, (5) 稳态时，两电流变化量相等，令式(3)、(5)右边相等，可得

in 1o V D V ?= (6)

得出结论：输出电压V o 随主开关管的占空比D1而变化。

系统稳态时的电压增益为：

56.0198

110===

in o V V M (7) 4.2临界电感L C

当电感值L 较小，负载电阻值R L 较大，或开关周期Ts 较大时，会出现电感电流已经下降至零，而下一开关周期却尚未开始的情形。于是，当新的周期到来时，电感电流将从零开始线性增加。系统工作在DCM ，此时D1+D2<1。

由图5(b)中电感电流上升阶段与下降阶段的电流变化量绝对值相等的特点，即

S o s o T D L

V

T D L V V 21in =- (8) 得到DCM 下输出电压与输入电压之间的基本关系式为

in o V D D D V 2

11

+=

(9)

由于D1+D2<1，所以在DCM 下，开关电源的电压增益高于CCM 下的电压增益。 对比图5中（a ）、（b ），根据△I L 与Io 相对值关系可划分两种工作状态，并且在两种状态间存在一个临界状态点，即在电感电流下降到零的时刻，新的周期恰好开始。三个状态的特点分别为：

CCM 状态：o 21

I I L

临界状态：o 21

I I L =? (11)

DCM 状态：o 2

1

I I L >? (12)

由式(2.5)和式(2.11)，可得在临界状态有

o L

o s I R V

T D V ==2o 2L (13) 上式中R L 是负载电阻值。满足式(2.13)的电感值称为临界电感，以L C 表示，则

s

22f 212L

S L C R D T R D L ==

(14) 经过简单变形，易得计算临界电感值常用的表达式

)1(f 211s

2D P V L O O

C -?= (15)

式中——O O O I V P =是开关电源的输出功率。

将设计要求中的参数代入上式可得H L C μ4.48)56.01(50000

1100110212

=-??

=

于是选择最接近的电感值50uH L =。

4.3纹波电压与最小滤波电容值

由于电容的充放电，输出电压会有纹波分量。当电感电流大于输出电流时，电容被充电；当电感电流小于输出电流时，电容对负载放电。一个开关周期内，电容元件存储的电荷变化量Q ?为

2

221S L T I Q ???=

? (16) 将V C Q ?=?代入上式，再结合式（2.5），得纹波电压计算式

2

1O 8)

1(V V s LCf D -=

? (17)

给定纹波电压为3%，根据式(17)可估算出为满足纹波指标所需要的最小电容值为

11003.050000104.488)

56.01(1102

6?=????-?=?-C V

计算得：C=15.2uF 。 为了留有裕量，电容选择C=20 uF 。

5 PWM发生电路设计

基于脉宽调制控制的开关电源系统，功率开关的动作受一个频率固定、且脉宽随负载及输入电压值而变动的脉冲波所控制。即开关管导通的频率固定，而每次的导通时间Ton受负载和输入电压的控制。开关电源通过调节占空比d达到维持输出电压的基本稳定。采用PWM控制方式的开关电源，其控制电路又分两种：电压模式控制和电流模式控制。电压控制模式仅利用输出电压作为反馈控制信号，系统中只存在一个电压反馈环路；电流控制技术指同时采用电流和负载电压作为控制信号，其中电感电流或负载电流反馈构成内环控制，而负载电压反馈构成外环控制，实现双闭环控制。此处采用电流控制技术。

图5-1 PWM集成控制原理示意图

5.1 UC3825芯片介绍

美国TI公司设计的UC3825系列芯片是专门用于PWM控制的，其具有外围电路设计简单，功能强大等特点，所以此处选用UC3825进行PWM控制。

UC3825芯片为16脚长方形集成块，管脚功能见表5-1。其内部电路主要由高频振荡器、PWM比较器、限流比较器、过流比较器、基准电压源、故障锁存器、软启动电路、欠压锁定、PWM锁存器、输出驱动器等组成。其工作频率可达1MH Z,可用作电压或电流型PWM控制器。

表5-1 UC3825管脚功能表

管脚功能

1 INV（误差放大器反向输入端）

2 NI（误差放大器同相输入端）

3 E/A OUT（误差放大器输出端）

4 CLK/LEB(时钟/上升沿封锁)

5 Rt（定时器振荡电阻）

电压相连，作为误差放大器的参考输入，管脚1输入主电路的电压反馈，同时误差放大器的输出也是开放给用户的。误差放大器输出的幅值受到软启动电路的控制，当芯片检测到电路故障时，软启动电路工作，降低误差放大器的输出，因此限制了触发脉冲，即关断主电路的开关管，保护主电路不受损坏，直到故障消失形成所谓的“打嗝”状态，管脚7是斜坡信号输入端，可以将电流反馈信号引入，形成电流内环反馈。管脚5、6可接振荡电阻和电容，根据电路频率的需要调节阻值和容值。也可通过管脚4外加频率使芯片与外部频率同步。管脚11、14为触发脉冲输出口，采用电流图腾输出，使得芯片可以直接驱动功率不大的开关管。

5.2 UC3825芯片外围电路设计

5.2.1 振荡频率的设计

UC3825A/B型芯片可以通过管脚5和6自行设定的振荡频率，也可以工作在外加频率同步方式下，在此电源中，采用第二种方式：外部通过一个555定时器产生频率方波，然后通过管脚5和6使芯片的频率和555定时器的频率同步。

555定时器的外围电路以及和UC3825的接口电路如图所示。

图5-2 555定时器外围电路

振荡频率由下式计算：

3

)21(7.01T 1f C R R ?+?==

(18) 本设计中f=50KH Z ,根据上式选择合适的电阻和电容，即能达到要求。

5.2.2 尖峰电流消隐（LEB ）电路

在电流源PWM 控制中，需解决电流反馈信号的噪音问题。通常情况下，反馈信号都是由串联电阻分压检测或者是由电流传感器检测，这些方法在轻负载的情况下，存在严重的问题:当开关管导通时，在反馈信号的前沿将产生一个高脉冲噪音信号，这并不是我们所需要的反馈信号。传统的解决方法是增加一个R-C 滤波网络，来滤掉噪音信号。在低频大负载的情况下，该方法能够取得比较满意的效果，但是在高频轻载情况下，效果就十分的不理想了，甚至能够影响整个系统的稳定性，由于问题处在闭环系统的反馈环节，是无法通过反馈闭环来解决的。 尖峰电流消隐技术可以很好的解决上述问题，它不是像R-C 滤波网络一样去压制噪音，而是将脉冲噪音给屏蔽掉。UC3825芯片利用时钟脉冲信号，使得反馈信号延迟一段时间，该时间正好就是脉冲噪音的持续时间，因而实现了屏蔽噪音的效果。实际应用中，该方法需要注意的问题就是，需要精确知道噪音脉冲的持续时间，确保能够将噪音完全的屏蔽掉。通常的做法是外接一个电容，开始时电容电压等于时钟脉冲的电压，当反馈开始时，时钟脉冲电压消失，由于电容电压无法突变，电压逐渐下降，当电压下降到60%刚好屏蔽掉噪音脉冲，因而需要根据噪音脉冲的持续时间选择合适的电容。

图5-3 LEB电路图

端口1来自主电路的反馈，输入到管脚7产生斜坡信号，当时钟脉冲高电平时，运放输出低电平，无斜坡信号输入;当时钟信号低电平时候，由于电容C1的作用，运放反向端电压不能突变，只能缓慢下降，因此运放仍然输出低电平，这时候由于主电路开关管已经导通，端口1己经开始有反馈信号(此时反馈的是噪音脉冲信号)，但被运放输出给强制拉到低电平，也就实现了尖峰电流消隐。当C1上的电压降到60%的时候，运放反向端电压小于正向端电压，输出高电平，此时，端口1可以正常的进行信号反馈，而此时噪音脉冲信号也已经衰减完毕。

6 保护电路的设计

6.1 过电流保护

此处采用的是限流一切断式保护，是两种保护方式的结合。它分两个阶段进行，当负载电流达到某设定值时，保护电路动作，输出电压下降，负载电流被限制;如果负载电流增大至第二个设定值时，保护电路进一步动作，将电源切断。第一个阶段相当于系统启动和突加负载时出现的过电流，保护电路只是限制电流大小，但不切断系统的输出;而第二个阶段相当于出现负载短路等重大故障，此时保护电路切断电源的输出，保护系统不受损害。

图6-1 过电流保护

外部电路只需完成电流检测和I/V转换，并将转换的电压信号输入到UC3825的第9脚。其余工作均由UC3825自动完成。

其中的Vcc来自辅助电源;端口5为Vcc/2输入;端口12为辅助电源输入信号，端口6为温度传感器输入信号，端口14、15为光耦输出报警信号。

通过管脚8还可以增加热保护作用，当电源内部温度正常时候，端口6为低电平，三极管Ql不导通，芯片正常工作;当电源内部温升过高时，端口6为高电平，二极管D3导通，从而三级管Ql导通。管脚8外的电容C3通过二极管D5、三极管Q1和电阻放电，从而电压很快下降到0。由于芯片UC3825内部的误差放大器的电压受电容C3的电压限制，所以误差放大器的电压很低，总是低于斜坡信号的电压，从而没有触发信号的产生，直到温度下降，端口6重新为低电平，则芯片恢复工作。

6.2 过、欠压保护

为了保护负载，开关电源需要设计输出过、欠压保护电路，过、欠压保护电路图如下所示。

图6-2 过、欠压保护电路

供电电源+15V分别经过R2、R4、R5和R6、R7、R8分压后，得到输出电压的过压设定值和欠压设定值，各自输入到电压比较电路的“一”端和“+”端。当系统正常时，两个比较器都输出低电平，由于二极管D1和D2的反向截至作用，无故障输出信号。当电压检测信号高于过压设定或低于欠压设定时，两个比较电路中的一个输出高电平，通过二极管后输出故障信号。故障信号输送到UC3825的软启动端(Soft-start)，这样迫使启动电容放电，系统重新软启动，实现过压保护的目的，保护负载的安全。

6.3 欠压锁定、软启动与故障处理

对于UC3825,当芯片检测到故障(如过电压、过电流等)时会采取一种紧急措施，它可以保护系统器件和芯片本身造受损坏，而且可以使得芯片进入一种“打隔”状态，即以比正常工作低的多的频率来不断的触发系统重新启动，如果故障得到恢复，则检测到的信号在正常范围之内，随之系统可以正常工作，退出“打隔”状态;若故障始终存在，则每次“打隔”触发系统后，检测到的信号始终超出正常范围，系统始终停留在“打隔”状态内，由于“打隔”的频率很低，所以不会损害系统器件和芯片本身。

7 总结

本次课程设计主要是开关电源的设计，开关电源以半导体开关器件的启闭为基本原理，即通过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。开关电源一般由脉冲宽度调制（PWM）或者脉冲频率调制方式（PFM）控制IC和外部电路构成。开关电源有PWM调制、FWM调制和混合调制，这里选用PWM调制。PWM型开关电源的换能电路是将输入的直流电压转换成脉冲电压，再将脉冲电压转换成直流电压输出。广义地说，凡用半导体功率器件作为开关，将一种电源形态转变成另一形态的主电路都叫做开关变换电路;转变时用自动控制闭环稳定输出并有保护环节的则称开关电源。通过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本设计在开始阶段进行了充分的构思，在设计过程中，查阅了大量的资料，充分利用所学过的知识，注重了大量的细节。虽然遇到了很多问题，但都一一解决。感觉能够较好的运用所学的知识解决一些问题在设计方面有了很大的进步。在整个设计中我懂得了许多东西，也培养了我独立工作的能力，树立了对自己工作能力的信心，相信会对今后的学习工作生活有非常重要的影响。

本设计的体会

本次课程设计是真正的运用学到的知识去系统的实验解决一个问题，具有十分重要的意义。此次课程设计不仅是对前面所学知识的一种检验，而且也是对自己能力的一种提高。通过这次课程设计我深深的认识到自己的知识十分的贫乏，自己要学习的东西还太多。学习是一个长期积累的过程，在以后的工作、生活中都应该不断的学习，努力提高自己各方面的能力。知识必须通过应用才能实现其价值！有些东西以为学会了，但真正到用的时候才发现是两回事，所以我认为只有到真正会用的时候才是真的学会了。

通过这次设计，我对论文的格式要求有了初步的了解，提高了自己的课程设计报告撰写水平。同时，文献检索能力也有显著提高，为以后步入社会可以很好的表达好自己的思想打了很好的基础。同时也非常感谢老师与同学们对我的帮助。

参考文献

[1]王兆安，黄俊，电力电子技术[M].4版.北京：机械工业出版社，2000

[2]尹克宁.电力工程[M].北京：中国电力出版社，2008

[3]赵良炳.现代电力电子技术基础[M].北京：清华大学出版社，1995

[4]蒋斌，颜钢锋，赵光宙．一种单相电流检测法的研究．电工技术学报，2000

[5]李达义，陈乔夫，贾正春．基于磁通可控的可调电抗器的新原理．中国电机工程学报，2003

[6] 孙建军，张振环，刘会金．基于级联型逆变器的中压有源电力滤波器滞环电流矢量控制．中国电机工程学报，2005

[7]陈乔夫，李达义，熊娅俐．一种大容量的串联型有源电力滤波器．电力系统自动化，2005