ACDC电源设计03.docx
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ACDC电源设计03
摘要
随着电力电子技术的发展，电力电子设备与人们的工作、生活关系日益密
切，而任何电子设备都离不开可靠的电源。
进入90年代开关电源相继进入各种
电子、电器设备领域，如程控交换机、通讯、电子检测设备电源，控制设备电
源等。
开关电源中核心的部分就是控制IC，由于其具有高集成度、高性价比、
最简外围电路、高效率等优点，所以得到了广泛应用。
本文设计了一种新型电流模式开关电源控制电路。
该电路工作频率为
40KHz，内部集成耐压650V的功率LDMOS，同时在轻载下提供跳周期模式，
具有很低的待机功耗。
并具有动态自供电、过流保护、过温保护等功能。
该电
路结合外部MOSFET应用于5W--100W的产品中。
本文首先阐述了开关电源的工作原理，然后详细介绍了本电路的整体工作
原理，重点介绍了基准源电路、电压调节器电路、振荡器电路、热关断电路、
高压电流源电路的工作原理，并利用仿真工具对电路进行了仿真。
最后对结合
外部电路，对整个电路进行了系统级仿真。
仿真结果表明本文基本完成了设计工
作，达到了设计要求。
关键词：
开关电源，PWM，电流模式，动态自供电
ABSTRACT
Withthedevelopmentofelectricandelectronictechnology,theelectricandelectronicequipmentshavebeenusedbroadlyinourworkandlife．EveryelectronicequipmentCallnotworkwithoutreliablepower．In1990stheswitchingpowerhadbeenusedinallkindsoffields，suchasexchanger,communicationandcontrolequipments．Thecoreofswitchingpoweriscontrolintegratedcircuits．Becauseithasthecharacteristicsofhighintegration，mostcosteffective，simpleperipherycircuitandhighefficiency．SOithasbeenusedbroadly．
Anewtypecurrent-modelcontrollerisdesignedinthisdissertation．．Itsoperatingfrequencyis40kHz，includingapowerLDMOSwhichbreakdownvoltageis650V．Itsoutputdrivecurrentisoutputdrivecurrent110mA，Meanwhile，itCanworkinasocalled“skip—cycle”modewhentheloadislight，SOthatitspowerdissipationcouldbeverylowthen．ThewholecircuitincludesDynamicSelf-Supply（DSS）circuit,overcurrentprotectioncircuitandtemperatureshutdowncircuit．Thecircuitisappliedintheproductswhichpowerfrom5wto100w．
Thisdissertationfirstintroducesthebasictheoryofswitchingpower．，thentheoperatingtheoryofthiscircuithasbeendemonstrated．Followingthat，theoperatingprincipleandsimulationanalysisaboutreferencecircuit，voltageregulatorcircuit，comparatorscircuits，oscillatorcircuit，temperatureshutdowncircuithavebeenparticularlyexpounded．Atlast，thesystemlevelsimulationofthewholecircuit
includingtheexternalcircuitisprocessed．Simulationresultshavedeclaredthatthecircuit’Sfunctionhasbeenachievedandtheperformancecharacteristicshavebeenobtained．
Keywords：
Switchingpower,PWM，currentmodel，DSS
第一章绪论
随着电子技术的高速发展，电子系统的应用领域越来越广泛，电子设备的种类也越来越多，电子设备与人们的工作、生活的关系日益密切。
任何电子设备都离不开可靠的电源，它们对电源的要求也越来越高。
电子设备的小型化和低成本化使电源以轻、薄、小和高效率为发展方向。
20世纪50年代，美国宇航局以小型化、重量轻为目标，为搭载火箭开发了开关电源。
在近半个多世纪的发展过程中，开关电源因体积小、重量轻、效率高、发热量低、性能稳定等优点而逐渐取代了传统技术制造的连续工作电源，并广泛应用于电子整机与设备中。
1．1稳压电源的发展
稳压电源的发展历史可以追溯到几十年前，可分为下列几个时期：
1）电子管稳压电源时期（1950年代）。
此时期主要为电子管直流电源和磁饱和交流电源，这种电源体积大、耗能多、效率低。
2）晶体管稳压电源时期（1960年代一1970年代中期）。
随着晶体管技术的的发展，晶体管稳压电源得到迅速发展，电子管稳压电源逐渐被淘汰。
3）低性能稳压电源时期（1970年代～1980年代末期）。
出现了晶体管自激式开关稳压电源，工作频率在20kHz以下，工作效率60％左右。
随后压控功率器件的出现，促进了电源技术的极大发展，它可使兆瓦级的逆变电源设计简化，可取代需要强迫换流的晶闸管，目前仍在使用。
功率MOSFET的出现，构成了高频电力电子技术，其开关频率可达100kHz以上，并且可并联大电流输出。
4）高性能的开关稳压电源时期（1990年代～至今）。
随着新型功率器件和脉宽调制（PWM）电路的出现和各种零电压、零电流变换拓扑电路的广泛应用，出现了小体积、高效率、高可靠性的混合集成DC／DC电源。
1．2线性电源和开关电源
目前常用的直流稳压电源分线性电源和开关电源两大类。
线性稳压电源亦称串联调整式稳压电源，其稳压性能好，输出电压波纹很小，但它必须使用笨重的工频变压器与电网进行隔离，并且调整管的功率损耗较大，致使电源的体积和重量大，效率低。
开关电源（SPS）被誉为高效节能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现己成为稳压电源的主流产品。
开关电源内部关键元器件工作在高频开关状态，本身消耗的能量很低，电源效率可达80％～90‰比普通线性稳压电源效率提高近一倍。
开关电源亦称为无工频变压器的电源，它是利用体积很小的高频变压器来实现电压变换及电网隔离的，不仅能去掉笨重的工频变压器，还可采用体积较小的滤波元件和散热器，这就为研究与开发高效率、高密度、高可靠性、体积小、重量轻的开关电源奠定了基础。
近年来，为了实现功率调节和远程控制等功能，以及减小体积、减轻重量的需要，用智能高压功率集成电路驱动的开关电源得到了广泛应用和快速发展。
采用这种集成电路来调节和控制开关电源，不但外部电路简单，元件数目少，而且可以和微处理器直接接口或通过局域网（LAN）来实现编程或控制功能。
1．3开关电源
开关电源自从上世纪60年代问世以来，就在各个领域得到广泛的应用。
以计算机领域为例，苹果公司是最早在它的电脑中应用开关电源的公司之一，开关电源的应用也是苹果电脑价格低廉的一个重要原因。
而现在，几乎所有的计算机都采用各种开关电源技术来满足不同的需要。
开关电源中主要的组成部分有：
PWM控制器、功率开关管、变压器和反馈电路。
图1．1所示的就是一个开关电源电路。
它的输入部分由桥堆和输入电容组成，产生的未经调整的直流电压进入到变压器的原边，然后耦合到变压器的副边，通过在副边的反馈电路，把输出电压（或电流）的变化反馈到PWM控制器上，PWM控制电路根据反馈回来电压（或电流）值的大小来决定功率MOSFET开、关时间的长短，从而将输出电压（或电流）维持在一个稳定的值上。
也就是说，通过快速的开、关功率管，由MOSFET开、关时间的长短即占空比来调整存在变压器原边的能量，提供一个持续的稳定的输出电压。
根据反馈电路的不同，对输出的控制精度也不同。
早期的开关电源除了需要PWM控制器和功率开关管外，还包括大概40到80个分立元件构成一些辅助电路。
这不但增加了成本和体积，而且还使可靠性受到影响。
从提高开关电源的竞争力来说，提高控制电路和保护电路的可集成性，使电源系统的设计简单化成为一个关键的问题。
多年来，由于技术上的障碍（高压、大功率），开关式集成电源电路在集成化上一直得不到长足的进步，直到最近十年，大规模和超大规模集成电路技术迅猛发展，使集成电路的精细加工技术和高压大电流技术有机结合，催生出了一批全新的全控型功率器件，首先是功率MOSFET的问世，导致了中小型功率电源向高频化的发展；绝缘栅控双极晶体管（IGBT）的出现，也为大中型功率电源向高频发展带来机遇。
因此目前可以通过集成复杂的功能电路来进一步提高开关电源的性能和安全性，这包括热关断电路、限流电路、过／欠压保护电路等等。
由上述可见，与线性电源相比，开关电源输出精度高、转换效率高，性能
可靠。
除此之外，开关电源最大的优势还在于能够大幅度缩小变压器的体积和
重量，这是因为开关电源的变压器工作于50KHz到1MHz的高频条件下，而不是像线性电源中的那样工作于50Hz的低频状态，因此缩小了变压器的体积和重量，而这也就缩小了整个电子系统的体积和重量。
理论分析和实践经验表明，电气产品的变压器、电感和电容的体积和重量与供电频率的平方根成反比。
如果把工作频率从工频50Hz提高到20KHz，提高400倍，用电设备的体积和重量可以下降至工频设计的5％-一10％，其主要材料可节约90％或更高，可节电30％或更多。
因此，开关电源代替线性电源是大势所趋。
电源电路除了进一步向小型化和集成化方向发展以外，电源设计目前正进
一步地向着绿色化方向发展，目前各国特别是欧美等发达国家对节能要求越来
越高，而发电是造成环境污染的重要原因，因此节电可以减少对环境的污染：
其次这些电源不能对电网产生污染，许多开关电源会对电网造成污染，向电网
注入严重的高次谐波电流，使总功率因数下降，使电网电压耦合许多毛刺尖峰，
甚至出现缺角和畸变。
各种有源滤波器和有源补偿器的诞生，就产生了许多修
正功率因数的方法，这为批量生产各种绿色开关电源产品奠定了基础。
图1开关电源电路
1．4开关电源的分类
开关电源可分为DC／DC和AC／DC两大类，DC／DC变换器现已实现模块化，且设计技术及生产工艺在国内外均已成熟和标准化，并已得到用户的认可，但AC／DC的模块化，因其自身的特性使得在模块化的进程中，遇到较为复杂的技术和工艺制造问题。
以下分别对两类开关电源的结构和特性作以阐述。
1．4．1DC／DC变换
DC／DC变换是将固定的直流电压变换成可变的直流电压，也称为直流斩波。
斩波器的工作方式有两种，一是脉宽调制方式TS不变，改变ToN（通用），二是频率调制方式，ToN不变，改变Ts（易产生干扰）。
其具体的电路由以下几类：
1）Buck电路一降压斩波器，其输出平均电压Uo小于输入电压Ui，极性相同。
2）Boos电路一升压斩波器，其输出平均电压Uo大于输入电压Ui，极性相同。
3）Buck—Boost电路一降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui，极性相反，电感传输。
4）Cuk电路一降压或升压斩波器，其输出平均电压Uo大于或小于输入电压Ui极性相反，电容传输。
当今软开关技术使得DC／DC发生了质的飞跃，美国VICOR公司设计制造的多种ECI软开关DC／DC变换器，其最大输出功率有300W、600W、800W等，相应的功率密度为（6、2、10、17）W／corn3,效率为80％～90％。
日本NemieLambda公司最新推出的一种采用软开关技术的高频开关电源模块RM系列，其开关频率为200KHz""300KHz，功率密度已达到27W／tom3，采用同步整流器（MOSFET代替肖特基二极管），使整个电路效率提高到95％。
1．4．2AC／DC变换
AC／DC变换是将交流电压变换为直流电压，其功率流向可以是双向的，功
率流由电源流向负载的称为“整流"，功率流由负载返回电源的称为“有源逆变”。
AC／DC变换器输入为50／60Hz的交流电，因必须经整流、滤波，因此体积相对较大的滤波电容器是必不可少的，同时因遇到安全标准（如UL、CCEE等）及EMC指令的限制（如IEC、FCC、CSA），交流输入侧必须加EMC滤波及使用符合安全标准的元件，这样就限制AC／DC电源体积的小型化，另外，由于内部的高频、高压、大电流开关动作，使得解决EMC电磁兼容问题难度加大，也就对内部高密度安装电路设计提出了很高的要求。
由于同样的原因，高电压、大电流开关使得电源工作消耗增大，限制了AC／DC变换器模块化的进程，因此必须采用电源系统优化设计方法才能使其工作效率达到一定的满意程度。
AC／DC变换按电路的接线方式可分为半波电路、全波电路。
按电源相数可
分为单项、三相、多相。
按电路工作象限又可分为一象限、二象限、三象限、
四象限。
1．5开关电源国内发展现状
近年来，集成开关电源的沿着两个方向不断发展：
1）对开关电源的核心单元——控制电路实现集成化
1977年国外首先研制成功脉冲宽度调制（PwM）控制器集成电路。
美国摩托罗拉公司、硅通用公司（SiliconGeneral）、尤尼特德公司（Unitrode）等相继推出一批PWM芯片，典型产品有MC3520、MC3842、SG3524。
2005年凌特公司推出频率高达4MHz的DC／DC控制器LTC3417效率高达95％。
2）对中、小功率开关电源实现单片集成化。
此方向大致分两个阶段：
80年代初，意一法半导体有限公司（SGS．Thomson）
率先推出IA960系列单片开关式稳压器。
该公司于90年代又推出了IA970A系列。
其特点是将脉宽调制器、功率输出级、保护电路等集成在一个芯片。
1994年，美国动力（Power）公司在世界上首先研制成功三端隔离式脉宽调制型单片开关电源，被人们称誉为“顶级开关电源’’。
其第一代产品为TOPSwitch系列，第二代产品则是1997年问世的TOPSwitch-II系列。
1998年又推出了高效小功率、低价格的四端单片开关电源TinySwitch系列。
在这之后，Motorola公司于1999年又推出MC33370系列五端单片开关电源，亦称高压功率开关调节器。
目前，手机、数码相机、MP3播放器、以及个人电脑等便携式设备的需求量的逐年增大，带动适合于电池供电电源管理芯片的发展。
在国外凌特（Lineartech）TI、INTERSIL等公司根据市场需求，开发出了大量适合于便携式设备的电源管理芯片，如凌特公司的同步降压型稳压器LTC3412A，工作频率高达4MHz，效率高达95％，在输出电压低至0．8V时，输出电流高达3A。
INTERSIL公司的ISL88550A驱动两个外部N通道MOSFETS，从2V到25V的输入中产生低至0．7V的输出电压，输出电流高达20A，效率高达95％。
我国开关电源起源于1970年代末期，到1980年代中期，开关电源产品开始推广应用。
那时的开关电源产品采用的是频率为20kHz以下的PWM技术，其效率只能达到60％"70％。
经过20多年的不断发展，新型功率器件的研发为开关电源的高频化奠定了基础，功率MOSFET和IGBT的应用使中小功率开关电源工作频率高达到400kHz（AC／DC）和1MHz（DC／DC）。
软开关技术的出现，真正实现了开关电源的高频化，它不仅可以减少电源的体积和重量，而且提高了开关电源的效率。
目前，采用软开关技术的国产开关电源，其效率已达到93％。
但是，目前我国的开关电源技术与世界上先进的国家相比仍有较大的差距。
1．6开关电源的发展趋势
1）小型化、轻量化和高频化。
开关电源的体积、重量主要由储能元件（磁性元件和电容）决定，因此，开关电源的小型化实质上就是尽可能减小储能元件的体积。
在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感以及变压器的尺寸，而且还可抑制干扰、改善电源系统的动态性能。
因此，高频化是开关电源的主要发展方向。
2）高效率和高可靠性。
开关电源使用的元器件一般少于线性工作电源，因此提高了可靠性。
电容、
光电耦合器以及功率MOS等元器件的寿命决定开关电源的寿命。
因此，要尽可能采用较少的元器件，提高集成度。
另外，开关电源的工作效率高，会使自身发热
减少、散热容易，从而实现高功率密度、高可靠性。
3）低噪声和良好的动态响应。
开关电源的缺点之一是噪声大。
单纯追求高频化，噪声也会随之增大。
采用
部分谐振转换电路技术，既可以提高频率，又可以降低噪声。
4）低电压、大电流、高功率。
低电压、大电流、高功率变换技术，已将电压从3．3V降至1．0V电流已达几十至几百安培。
同时，电源的输出指标，如纹波、精度、效率、启动时间、启动过冲以及动态特性等，也得到进一步提高。
它的研究内容非常广泛，包括电路拓扑结构、动态问题（尤其是负载的大信号动态问题）、同步整流技术、控制技术以及其它相关技术的研究。
诸如布线、磁集成、新兴电容、封装和高频大功率器件等技术。
从目前至今后一段时间内。
它都是电力电子界的热点。
1．7本文的工作
本文的主要工作是设计一种电流模式开关电源控制电路，它可以通过直流干线进行自我供电，不需要额外的变压器，我们称之为动态自供电。
通过监视反馈线的情况，控制电路能检测到输出负载的情况，并立即调整输出功率的大小，即便输出端短路也能对整个电路进行保护。
一旦短路消失，控制器即恢复正常工作。
它的待机功耗很低，如果开关电源在正常负载条件下具有良好的效率，当输出功率减小时，其效率开始下降，采用跳过一些不需要的开关周期的方法，可以大大减小在轻负载时的功率消耗。
该控制器电路可以广泛应用于低功耗电源设计中，可以简化适配器和辅助电源的设计。
第一章主要是通过查阅有关文献资料，对论文所涉及的领域进行概括性的
介绍，从而对我们的研究工作有一个总体的概念。
第二章主要介绍了开关电源的控制理论，分析阐述了PFM和PWM的基本原理，着重介绍了PWM开关电源的控制方法，对电压型控制和电流型控制进行了详细的说明。
第三章主要对内部电路进行了原理分析。
介绍了整个电路的工作过程，对
动态自供电、跳周期模式进行了理论分析。
第四章主要对电路的各个子模块进行分析仿真。
通过对仿真结果的分析表
明，各个子模块电路基本达到设计要求。
第五章对整个论文进行了总结。
第二章控制技术介绍
2．1控制技术
为将开关电源输出稳定在一定值，需要有控制模块对输出调整。
开关电源控制技术按调制方式可分为：
脉频调制（PFM）和脉宽调制（PWM）。
各种调制方式都有其优缺点，可根据实际需要选择。
2．1．1脉频调制（PFM）
经典PFM，也叫跨脉冲调制（PSM，以开关管控制信号，略过一部分时钟周期而得名）。
经典脉频调制是一种最简单的控制技术，在该方式下时钟被固定为50％占空比，通过电压反馈实现开关频率的控制。
当输出电压低于一定值时，固定时钟将控制开关开启与关闭，直到输出上升到调整值；当输出高于调整值时，开关管将关闭直到输出下降到调整值以下。
图2经典PFM调试方式原理图
图2为一种经典PFM调制方式原理图，输出通过电阻分压反馈至比较器COM输入端与VREF比较，当低于VREF时，CLK将通过RS触发器直接控制开关管，当高于VREF时则屏蔽一部分时钟，使开关管关闭。
通过这样的方式，能量由VIN传递到VOUT。
经典PFM模式的电感选择复杂，电压纹波很大，噪声频谱随负载变化很大。
电流限制脉频调制不同于PFM调制，此调制方式运用峰值电感电流限制一个最小关闭时间和最大开启时间。
工作于此模式下，一旦输出电压低于调整值，开关管将开启直到电感电流达到设计值，此时开关管将关闭一定时间（最小关闭时间），电感电流开始下降，当该段时间结束时，反馈电路通过对输出电压采样，比较输出电压此时是否低于调整值，若低于则开启开关管，否则继续关闭开关管。
电流限制脉频调制的电感电流峰值固定，电感容易选择，同时纹波相对于经典PFM小，但噪声频谱仍然随负载变化。
图3为最小关闭时间电流限制脉频调制的原理图。
图3最小关闭时间电流限制脉频调制的原理图
2．1．2脉宽调制（PWM）
脉宽调制指固定时钟频率，通过调节开关管控制信号的占空比D实现对输出压的调整。
PWM技术在较宽的负载范围内都具有较高效率，此外因为频率恒定，噪声频谱相对窄，利用简单的低通滤波技术便可得低纹波输出电压。
因此PWM技术普遍应用于通信技术中。
PWM调制方式根据反馈采样的不同可分为：
电压模式和电流模式。
在下面两节中将分别详细介绍。
2．2电压模式控制
电压模式控制是最早应用于开关电源中的一种模式。
图2．3所示
图4电压模式控制
如图4输出电压通过电阻分压与基准电压VREF比较，其差值通过ERRORAMP放大为VE，并作为PWM比较器PWMCOM的输入端，PWMCOM另一端则是由时钟产生的斜升电压。
PWMCOM输出VS控制开关管，在一个周期内，VE越大，占空比越大，则开关管开启时间越长；VE越小，占空比越小，则开关管开启时间越短。
电压模式控制具有以下优点：
1）单环控制，设计简单；2）较大的斜坡幅
度将；3）低输出阻抗。
同时具有以下缺点：
1）响应慢；2）补偿复杂。
2．3电流模式控制
针对于电压模式的缺点，电流模式控制发展起来，电流模式控制可分为峰
值电流模式控制（PCM），和以其为基础发展起来的平均电流模式，通常情况下所指电流模式为峰值电流模式控制。
图2．4所示为PWM峰值电流模式控制原理图。
这里PWMCOM的输入端由电压模式控制中的斜升电压，换成对开关管电流采样值所转换成的电压，因而电流模式控制是双环控制，其中电压环为外环，电流控制为内环。
图5PWM峰值电流模式控制图
图5所示电流模式控制具有如下优点：
1）由于输入前馈，有较好的开环线形调整：
2）单极点系统，具有良好的小信号稳定性能，较好补偿；3）优异的动态特性。
缺点如下：
1）当占空比高于0．5时出现次谐波不稳定状况，需要有斜坡补偿；2）噪声抑制差；3）负载调整差；4）峰值电流与平均电流有很大的误差。
第三章整体电路分析与设计
本文所设计的电路为AC／DC型开关电源控制集成电路，加以简单的外围电路就可以构成完整的AC／DC开关电源系统。
本章首先结合整体电路介绍该芯片的工作过程，然后再对部分子电路模块进行介绍。
最后再对芯片的两个主要功能分别加以介绍。
3．1整体电路中
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