毕业设计开机预偏置电压问题研究.docx
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毕业设计开机预偏置电压问题研究
摘要
随着社会的发展以及人们生活水平的提高，市场对电子产品的需求越来越大，由于所有的电子产品都需要有电源对其供电，电源的性能和安全可靠性就显得至关重要。
电源的高效率、低功耗、小体积、高可靠性已经成为大势所趋，在这种情况下，对电子产品电源安全性能的考虑是必要的。
当电路由于各种原因出现反向电流时，若反向电流过大，不仅可能烧坏元器件，也可能对负载正常运行造成影响和安全隐患，甚至威胁人们的财产和生命安全。
由此可见，对变换器反向电流的研究从各个角度来说都是很有价值的。
本文主要阐述的是DC-DC变换器开机过程中的反向电流问题，对于DC-DC变换器来说，当主电路开关管占空比很小，且输出有一定预偏置电压时，可能导致输出电流反向累积，逐渐增大。
在基本理论知识的基础上，为了防止过大的反向电流对负载正常运行造成的影响和安全隐患，本文在电路中增加了脉冲阻止电路，使电路在检测到电流反向时阻止续流开关管的导通脉冲传递至续流开关管，以阻止续流开关管导通，从而使反向电流无法通过续流开关管形成通路，即无法持续增大，从而达到有效遏制反向电流的目的。
关键词：
直流-直流变换器反向电流脉冲阻止预偏置
Abstract
Asthesocietydevelopsandpeople’sstandardoflivingimproves,moreandmoreelectronicproductsareneededinthemarkets.Duetothedemandofsourcestopowerelectronicproducts,it’scrucialtopossessahighfunctionandreliabilityforapowersupply.Torealizethedemandofthepublic,sourcesofhighefficiency,lowpowerloss,smallvolumeaswellashighreliabilityhaverepresentedthegeneraltrend,soit’snecessarytolucubrateitssafetyperformance.Ifbyanychance,therebeareversecurrentandthecurrentbelarge,thismayruindevicesortriggersafetrouble,andeventhrowathreattopeople’ssafetyoflife.Fromallofthese,wecansee,it’sofgreatvaluetoresearchthereversecurrent.
AsfortheDC-DCconverter,withadinkydutyratioandpre-biasvoltage,thecircuitcanownanincreasingreverseoutputcurrent.Elaboratedonthebasictheoreticalknowledge,topreventthereversecurrentincreasingproblem,whenreversecurrentdetected,apulseblockingcircuitisintroducedtopreventthefreewheeltriodefromconducting,soastostoptheloopofthereversecurrent,sothecurrentwillbeunabletobecomebigger,thatisthepurposetocurbthereversecurrentproblem.
Keywords:
DC-DCconverterreversecurrentpulseblockpre-bias
第一章绪论
1.1直流变换器国内外发展状况
直流-直流变换器是直流电源二次侧核心部分，我国的直流电源技术研究，从理论到实验、仿真，与世界水平比较是不低的，在一些方面还常有突破，但是在产品方面，结构和工艺的差距就明显了。
现在看来，我国电源企业据统计有几千家。
有条件的企业能实现整机系统集成、全自动化的生产，产品体积小，具有明显优势，若价格便宜又能大量供货，自然就会占领市场。
而那些中小企业或者被兼并或者自然淘汰。
现在我国一些大公司生产的直流开关电源，性能完全可以和进口产品竞争，因而已有一定数量的出口。
在国内的研究领域已出现了一些可喜的动向，如对0.8V/50A电源模块的开发研究，合理选择优化的电路拓扑是重要的，工艺结构可能更重要。
因为如此低的电压和大电流输出，如果用器件间的导线联接将很难达到技术要求，因此迫使原来作电路拓扑研究的人不得不考虑器件的更合理布局，同时采用集成的工艺结构，以尽量减小内部导线的压降损耗。
这也说明作电路拓扑研究的人员，要了解和研究系统集成的知识。
某些境外公司在国内设置的电源技术研究开发机构，近年来也投入技术力量与资金，成立了系统集成的有关内容，作为应用基础研究的重点，并加大资助强度，这将对我国电力电子系统集成的研究起到非常好地导向作用[1]。
自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。
随着集成电路的发展，直流-直流开关电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化。
近20年来，集成开关电源沿两个方向发展。
第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化。
1977年国外首先研制成脉宽调制（PWM）控制器集成电路，美国Motorola公司、SiliconGeneral公司、Unitrode公司等相继推出一系列PWM芯片。
近些年来，国外研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片。
第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。
1994年，美国电源集成公司（PowerIntegrations）在世界上率先研制成功三端隔离式PWM型单片开关电源，其属于AC/DC电源变换器。
之后相继推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列产品。
意-法半导体公司最近也开发出VIPer100、VIPer100A、VIPer100B等中、小功率单片电源系列产品，并得到广泛应用。
目前，单片直流开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。
单片开关电源自问世以来便显示出强大的生命力，其作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。
单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。
1.2开关电源发展趋势
目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫，为提高开关频率，须采用高速开关器件。
对于兆赫以上开关频率的电源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。
它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。
采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。
直流开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面。
一、小型化、薄型化、轻量化、高频化———开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积；在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。
因此，高频化是开关电源的主要发展方向。
二、高可靠性———开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因此提高了可靠性。
从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。
所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。
这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。
三、低噪声———开关电源的缺点之一是噪声大。
单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。
采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。
所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。
四、采用计算机辅助设计和控制———采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。
在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时检测、记录并自动报警等。
开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。
高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。
发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。
开关电源被誉为高效能电源，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。
采用了高频变压器和控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳定、可靠性高等特性，是今后电源的发展趋势。
开关电源产品的主要特点是体积小、重量轻、效率高，正在向着模块化、扩大输出电压范围、提高输入端功率因数、抗电磁干扰性强以及附加备用电池的方向发展。
在开关电源领域，正展开一系列的技术更新，例如功率因数的校正、相位调制、高频电源、零电压和零电流转换以及单片式调节器等。
这些改进，使开关电源的性能和效率大为提高，使其应用范围大大拓宽，尤其是在新兴的通信领域大有用武之地[1]。
第二章PSPICE仿真平台
2.1PSPICE发展与优势
（1）起源与发展
用于模拟电路仿真的SPICE（SimulationProgramwithIntegratedCircuitEmphasis）软件于1972年由美国加州大学伯克利分校的计算机辅助设计小组利用FORTRAN语言开发而成，主要用于大规模集成电路的计算机辅助设计。
SPICE的正式版SPICE2G在1975年正式推出，但是该程序的运行环境至少为小型机。
1985年，加州大学伯克利分校用C语言对SPICE软件进行了改写，并由MICROSIM公司推出。
1988年SPICE被定为美国国家工业标准。
与此同时，各种以SPICE为核心的商用模拟电路仿真软件，在SPICE的基础上做了大量实用化工作，从而使SPICE成为最为流行的电子电路仿真软件。
PSPICE采用自由格式语言的5.0版本自80年代以来在我国得到广泛应用，并且从6.0版本开始引入图形界面。
1998年著名的EDA商业软件开发商ORCAD公司与Microsim公司正式合并，自此Microsim公司的PSPICE产品正式并入ORCAD公司的商业EDA系统中。
不久之后，ORCAD公司已正式推出了ORCADPSPICERelease10.5，与传统的SPICE软件相比，PSPICE10.5在三大方面实现了重大变革：
首先，在对模拟电路进行直流、交流和瞬态等基本电路特性分析的基础上，实现了蒙特卡罗分析、最坏情况分析以及优化设计等较为复杂的电路特性分析；第二，不但能够对模拟电路进行，而且能够对数字电路、数/模混合电路进行仿真；第三，集成度大大提高，电路图绘制完成后可直接进行电路仿真，并且可以随时分析观察仿真结果。
PSPICE软件的使用已经非常流行。
在大学里，它是工科类学生必会的分析与设计电路工具；在公司里，它是产品从设计、实验到定型过程中不可缺少的设计工具。
（2）组成
PSPICE是计算机辅助分析设计中的电路模拟软件。
它主要用于所设计的电路硬件实现之前，先对电路进行模拟分析。
用户根据要求来设置不同的参数，分析电路的频率响应，测试电路的瞬态响应，还可以对电路进行交直流分析、噪声分析、最坏情况分析等，使用户的设计达到最优效果。
一个新产品的研制过程需要经过工程估算、试验板搭试、调整，印刷板排版与制作，装配与调试，性能测试，测试指标不合格，再从调整开始循环，直至指标合格为止。
而仿真技术可将“实验”与“修改”合二为一。
（3）优越性
PSPICE软件具有强大的电路图绘制功能、电路模拟仿真功能、图形后处理功能和元器件符号制作功能，以图形方式输入，自动进行电路检查，生成图表，模拟和计算电路。
它的用途非常广泛，不仅可以用于电路分析和优化设计，还可用于电子线路、电路和信号与系统等课程的计算机辅助教学。
与印制版设计软件配合使用，还可实现电子设计自动化。
被公认是通用电路模拟程序中最优秀的软件，具有广阔的应用前景。
这些特点使得PSPICE受到广大电子设计工作者、科研人员和高校师生的热烈欢迎，国内许多高校已将其列入电子类本科生和硕士生的辅修课程。
在电路系统仿真方面，PSPICE可以说独具特色，是其他软件无法比拟的，它是一个多功能的电路模拟试验平台，PSPICE软件由于收敛性好，适于做系统及电路级仿真，具有快速、准确的仿真能力。
a）图形界面友好，易学易用，操作简单
由Dos版本的PSPICE到Windows版本的PSPICE，使得该软件由原来单一的文本输入方式而更新升级为输入原理图方式，使电路设计更加直观形象。
只要熟悉Windows操作系统就很容易学，利用鼠标和热键一起操作，既提高了工作效率，又缩短了设计周期。
在PSPICE中，对元件参数的修改很容易，它只需存一次盘、创建一次连接表，就可以实现一个复杂电路的仿真。
b）功能强大，集成度高
在PSPICE内集成了许多仿真功能，如：
直流分析、交流分析、噪声分析、温度分析等，用户只需在所要观察的节点放置电压（电流）探针，就可以在仿真结果图中观察到其“电压（或电流）-时间图”。
而且该软件还集成了诸多数学运算，不仅提供基本的数学运算，还提供了正弦、余弦、绝对值、对数、指数等基本的函数运算。
另外，用户还可以对仿真结果窗口进行编辑，如添加窗口、叠加图形等，还具有保存和打印图形的功能，这些功能都给用户提供了制作所需图形的一种快捷、简便的方法。
2.2模拟功能
PSPICE程序的主要功能有非线性直流分析、非线性暂态分析、线性小信号交流分析、灵敏度分析和统计分析。
（1）直流分析
非线性直流分析功能简称直流分析。
它是计算直流电压源或直流电流源作用于电路时电路的工作状态。
对电路进行的直流分析主要包括直流工作点分析、直流扫描分析和转移函数分析。
直流工作点是电路正常工作的基础。
通过对电路进行直流工作点的分析，可以知道电路中各元件的电压和电流，从而知道电路是否正常工作以及工作的状态。
一般在对电路进行仿真的过程中，首先要对电路的静态工作点进行分析和计算。
直流扫描分析主要是将电路中的直流电源、工作温度、元件参数作为扫描变量，让这些参量以特定的规律进行扫描，从而获取这些参量变化对电路各种性能参数的影响。
直流扫描分析主要是为了获得直流大信号暂态特性。
与直流扫描分析相类似的还有温度分析。
在这种分析过程中，将电路的温度作为扫描变量进行分析。
因为电路的主要器件的特性都是与温度有关的，所以这就为分析电路在环境变化是的工作情况提供了一种非常有用的工具。
通过这种分析，我们可以预测电路某些特殊环境如极端温度条件或极端电源电压条件下电路的工作情况，从而在进行电路设计时采取必要的预防措施。
（2）暂态分析
非线性暂态分析简称为暂态分析。
暂态分析计算电路中电压和电流随时间的变化，即电路的时域分析。
时域分析是指在某一函数激励下电路的时域响应特性。
通过时域分析，设计者可以清楚地了解到电路中各点的电压和电流波形以及它们的相位关系，从而知道电路在交流信号作用下的工作状况，检查它们是否满足电路设计的要求。
（3）交流分析
线性小信号交流分析简称为交流分析。
它是在交流小信号的条件下，对非线性元件选择合适的线性模型将电路在直流工作点附近线性化，范围内对电路输入计算出电路的幅频特性、相频特性、输入电阻、输出电阻等。
这种分析等效于电路的稳态分析即频域分析。
频域分析用于分析电路的频域响应即频率响应特性。
小信号转移特性分析主要分析在小信号输入的情况下，电路的各种转移函数，通常分析的是电路的电压放大倍数。
在模拟电路中，无源器件和有源器件均会产生噪声，主要包括电阻上产生的热噪声，半导体器件产生的散粒噪声和闪烁噪声。
通过噪声分析可以计算出各器件在某一输出节点产生的总噪声以及某一输入节点的等效输入噪声。
从而可以分析一个电路产生噪声的主要来源，采取一定的电路设计措施来减小噪声的影响。
（4）灵敏度分析
灵敏度分析包括直流灵敏度分析和蒙特卡罗分析两种。
直流灵敏度分析业称为灵敏度分析。
它是在工作点附近将所有的元件线性化后，计算各元器件参数值变化时对电路性能影响的敏感程度。
通过对电路进行灵敏度分析，可以预先知道电路中的各个元件对电路的性能影响的重要程度。
对于那些对电路性能有重要影响的元件，要在电路的生产或元件的选择时给予特别的关注。
（5）仿真步骤
1）放置所需元件（包括电源）；
2）连接导线；
3）设定要执行的模拟内容；
4）设定Probe；
5）执行模拟。
6）利用Probe观察模拟结果。
第三章DC-DC变换器基本原理
3.1DC-DC转换器系统
3.1.1boost型DC-DC转换器
boost型DC-DC转换器是一种升压型DC-DC变换电路，输出电压大于输入电压。
VT的占空比Dy必须小于1。
输入电流连续[2]。
图1boost型DC-DC转换器
boost变换器的参数计算与器件选择：
流过电感L的电流最大值
（1）
其中
为输入电流，
为负载电流，
为占空比，
为开关频率。
开关管VT和续流二极管D承受的最大电压为
。
开关管VT和续流二极管D的电压定额为
（2）
开关管VT和续流二极管D的电流定额为
（3）
滤波电感的计算，由
（4）
得滤波电感量为
（5）
滤波电容的计算，如果输出电压脉动很小，则输出脉动电压由下式决定：
（6）
滤波电容量为
（7）
3.1.2buck型DC-DC转换器
buck型DC-DC转换器是一种降压型DC-DC变换电路，输出电压小于或等于输入电压。
输入电流断续。
图2buck型DC-DC转换器
buck变换器的参数计算与器件选择：
流过电感L的电流最大值
（8）
其中
为负载电阻，
为负载电流，
为占空比，
为开关周期。
开关管VT和续流二极管D承受的最大电压为
。
开关管VT和续流二极管D的电压定额为
（9）
开关管VT和续流二极管VD的电流定额为
（10）
滤波电感的计算，由
（11）
得滤波电感量为
（12）
当
=0.5时，L最大。
滤波电容的计算，电容C在一个开关周期内的充电电荷为
（13）
输出脉动电压为
（14）
滤波电容量为
（15）
3.1.3buck/boost型DC-DC转换器
Buck/Boost型是一种升降压型DC-DC变换电路，输出电压大于或小于输入电压。
输出电压极性和输入电压极性相反。
输入电流断续[3]。
图3buck/boost型转换器
功率开关管Vt导通时，隔离二极管D因承受反向偏压而关断。
输入电源电压Uin加在贮能电感L两端，电感电流为
（16）
功率开关管导通结束（t=ton）时，流过电感中的电流达到最大值，即
（17）
功率开关管关断时，电感两端产生反向电压，即下端为正，上端为负。
隔离二极管D因承受正向电压而导通，忽略D的正向电压降，电感两端的电压即为输出电压Uo，即
（18）
功率开关管关断期间，电感L中的贮能通过负载电阻RL和滤波电容C释放，iL由最大值开始下降：
（19）
当VT关断结束（t=ton+toff）时，电感电流下降到最小值，即
（20）
将电感电流的最小值
代入
表达式中，可得
（21）
由上式可见，当占空比
大于0.5时，输出电压高于输入电压；当占空比小于0.5时，输出电压低于输入电压，因此，该电路称为升压/降压型DC-DC转换器[4]。
3.1.4电源控制技术
（1）PWM控制
PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。
即通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需要波形（含形状和幅值）。
在采样控制理论中有一条重要的结论：
冲量相等而形状不同的窄脉冲加在惯性环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。
效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。
上述原理称为面积等效原理。
以正弦PWM控制为例。
把正弦半波分成N等分，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。
这些脉冲宽度相等，都等于 N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。
如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积（冲量）相等，就得到PWM波形。
各PWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。
根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。
对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。
可见，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。
（2）PFM控制
PFM是一种脉冲调制技术，调制信号的频率随输入信号幅值而变化，其占空比不变。
由于调制信号通常为频率变化的方波信号，因此，PFM也叫做方波FM，PWM是频率的宽和窄的变化,PFM是频率的有和无的变化,PWM是利用波脉冲宽度控制输出,PFM是利用脉冲的有无控制输出.其中PWM是目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制方式，它的特点是噪音低、满负载时效率高且能工作在连续导电模式，现在市场上有多款性能好、价格低的PWM集成芯片，如UCl842／2842／3842、TDAl6846、TL494、SGl525／2525／3525等；PFM具有静态功耗小的优点，但它没有限流的功能也不能工作于连续导电方式，具有PFM功能的集成芯片有MAX641、TL497等；
其基本工作原理就是当输出电压Vo升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小，Vo降低。
最近几年PFM控制方式在开关电源中使用日益增多，具有以下优点：
在轻负载下效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高。
存在以下缺点：
负载调整范围窄，滤波成本高[5]。
（3）PWM/PFM控制
对于额定功率时工作在PWM模式的开关电源，也可以通过切换至PFM模式提高待机效率，即固定开通时间，调节关断时间，负载越低，关断时间越长，工作频率也越低。
将待机信号加在其PW/引脚上，在额定负载条件下，该引脚为高电平，电路工作在PWM模式，当负载低于某个阈值时，该引脚被拉为低电平，电路工作在PFM模式。
实现PWM和PFM的切换，也就提高了轻载和待机状态时的电源效率。
通过降低时钟频率和切换工作模式实现降低待机工作频率，提高待机效率，可保持控制器一直在运作，在整个负载范围中，输出都能被妥善的调节。
即使负载从零激增至满负载的情况下，能够快速反应，反之亦然。
输出电压降和过冲值都保持在允许范围内[7]。
（4）PSM控制
PSM调制方式是开关电源中
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