毕业设计PWM芯片电路设计及在开关电源中的应用.docx

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毕业设计PWM芯片电路设计及在开关电源中的应用

毕业设计（论文）

PWM芯片电路设计及在开关电源中的应用

二O一O年六月

摘要

论文在开关电源技术发展现状基础上，提出一种峰值电流型PWM控制芯片的设计。

首先对芯片的工作原理和系统构成进行了研究和分析，包括开关电源变换器的整个控制回路。

控制回路包括误差放大器，基准电压源，振荡器，比较器和保护电路等，完成了具体电路的设计，给出了所有的电路图。

其次对芯片的在开关电源中的一些外部应用电路进行举例和应用分析。

关键词：

PWM控制；运算放大器；基准电压源；振荡器

ABSTRACT

Basedontheresearchonmodernpowersupplytechnology,apeakcurrentmodePWMcontrollerchipwereproposed.Anditsprinciplesandsystemarchitecturewerestudiedandanalyzed,whichincludesitsmainloopandcontrolloop.Finishedthesystemdesign,thefunctionalblocksincludedamplifier,reference,oscillator,comparator,fastovercurrentprotection,allcircuitsweregiven.Andtheexamplesaboutthischipusedinpowersupplytechnologywerealsogiven.

Keywords:

PWMcontrol;Amplifier;Reference;Oscillator

第1章引言

1.1背景、现状和发展趋势

近几年变频调速技术获得不断的进步和发展特别是在家用电器行业方面的应用。

低廉、节能、高效、静音以及高可靠性的变频产品成为趋势，各种新型的PWM控制芯片不断涌现。

数字化的PWM控制芯片相对模拟PWM控制芯片（如TL494,SG3525,UC3844等），因其抗干扰、抗温漂等方面的优点成为主流产品。

典型PWM调速控制芯片特点随着微处理器技术的发展，其与PWM技术相结合，形成了各类特色的控制方案，主要可分为以下几类:

（1）采用单一的通用微处理器（单片机）来产生SPWM。

该方案只须采用单个芯片，功能强、灵活、易于保密，但所有的PWM信号的产生均需占用CPU大量的工作时间，软件开发周期长，通用性差，不利于产品的更新换代。

（2）采用专用大规模集成电路产生SPWM信号。

如Mullard公司的HEF4752,无须微处理器配合，属于纯硬件实现方法，使用简单，省去编写软件的麻烦，开发周期短，但欠灵活性，难以实现更多的功能。

（3）采用微处理器和专用大规模集成电路相结合的方式，可以兼具灵活、简单、易于开发、功能勿、一展的特点，如Siemens公司的SEL4520,Mitel公司的SA4828等，但成本较高。

（4）采用专用调速控制芯片。

此类芯片内部集成有PWM发生器、A/D转换器、EPROM/EEPROM或快速可擦写存储器FlashMemory等适用于电动泪L调速的外围硬件设备，大大减少CPU的十预时间，保证CPU可以实现更多复杂的控制功能。

这类芯片很多，如东芝公司的八位单片机TMP88CK49/CM49,Motorola公司的八位单片机MC68HC708MP16,Intel公司的16位微处理器8XC196MC。

特别是高速运算能力DSP核的嵌入常见的如TI公司的TM5320F24X系列、AD公司的ADMCF32X系列，使得此类芯片完全可以实现高性能的控制算法，如磁场定向控制、无速度传感器矢量控制等。

1.2PWM控制型开关电源电路原理

近年来，脉宽调制（PWM）控制技术得到较快速发展，用PWM控制开关变换器，即PWM开关电源。

PWM控制方式的开关电源因为电路简单，控制方便而获得普遍应用。

相对传统的线性电源而言，开关电源具有体积小，成本低，效率高等显著优点。

在电源领域内开关电源的应用越来越广泛。

1.2.1开关电源的基本工作原理

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世界比率，维持稳定输出电压的一种电源。

PWM开关电源的换能电路将输入的直流电压转换成脉冲电压，再将脉冲电压经LC滤波转换成直流电压[9]。

开关稳压电源的电路原理框图如图1-1所示。

开关电源包括主电路和控制电路两部分。

虚线框内是控制电路部分，是本文所要设计的芯片。

交流电压经整流电路及滤波电路整流滤波后，变成含有一定脉动成份的直流电源，该电压通过功率转换电路进入高频变换器被转换成所需电压值的方波，最后再将这个方波电压经整流滤波变为所需要的直流电压。

反馈控制电路为脉冲宽度调制器（PWM），它主要由取样器、比较器、振荡器、脉宽调制及基准电压等电路构成。

这部分电路目前已集成化，制成了各种开关电源专用集成电路。

控制电路用来调整高频开关元件的开关时间比例，以达到稳定输出电压的目的。

开关电源的功率调整器件处于开关工作状态。

作为开关而言，导通时，压降很小，几乎不消耗能量，关断时漏电流很小，也几乎不消耗能量，所以开关电源的公路转换效率可达80%以上。

开关电源的滤波电感的体积和重量也因为工作频率提高而减小，所需的滤波电容也减小。

1.2.2PWM电路的分类

PWM控制型的开关电源可分为两类型，一种是电压控制型，它只对输出电压采样，作为反馈信号进行闭环控制。

采样脉宽调制（PWM）技术，调节输出电压。

从控制的角度看，这是一种单环控制系统。

另一种是电流控制型，在PWM电压控制的基础上，增加一个电流反馈环节，使其成为双环控制系统，从而提高了电源性能。

图1-2为电压控制型开关电源的原理图。

电源输出电压V0的采样值与参考电压进行比较放大，得到误差信号Ve，它与锯齿波信号比较后，由脉宽比较器输出占空比随输出电压变化的PWM波，从而控制输出电压保持稳定。

这就是控制的原理，它是一个单环控制系统[14]。

图1-2电压控制型开关电源原理图

图1-3为电流型开关电源的原理图。

它是一个双环控制系统，有一个内环，一个外环—电压环。

其工作原理是：

恒频时钟脉冲、置位锁存器，输出高电平信号。

驱动开关管导通。

随着开关管中的电流脉冲逐步增大，当电流在采样电阻RS上的电压幅值VS达到Ve电平时。

脉冲比较器翻转，锁存器复位，驱动信号变低，开关管关断。

电路就是这样逐个的检测和调节电流脉冲。

图1-3电流型脉宽调制器原理框图

1.3本文的主要工作

20多年来，集成开关电源沿着集成化方向发展，首先是对开关电源的核心单元—控制电路实现集成化。

1977年国外首先研制成脉宽调制（PWM）控制器集成电路，美国摩托罗拉公司、硅通用公司、尤尼德公司等相继推出一批PWM芯片，典型产品有MC3520,SG3524,芯片。

90年代以来，国外又研制出开关频率达1MHZ的高速PWM、PFM90（脉冲频率调制）芯片，典型产品有UC1825、UC1864。

本文的主要工作是设计开关电源的芯片电路，该集成电路采用PWM工作方式，需要较少的外部元件即能构成完整的开关电源，工作频率1MHz，并具有过流保护功能。

第一章介绍开关电源的背景、现状和发展趋势，同时介绍了开关电源的原理，并对本文的章节进行安排。

第二章介绍开关电源控制电路的原理和基本结构。

第三章介绍控制芯片各个模块电路原理，所设计的具体电路。

第四章介绍控制芯片几种典型的开关电源中的应用。

第五章总结该电路的设计工作。

第2章PWM控制芯片电路的原理

2.1PWM控制芯片原理

电流控制的PWM技术是一种新颖的控制技术，1967年由美国BOSE公司提出。

该技术由不同路线方案来实现，其共同特点是：

利用电感电流的反馈直接去控制功率开关的占空比，以实现峰值电流对电压反馈的跟踪。

电流型控制分为峰值电流控制、平均电流控制和滞环电流控制。

（1）峰值电流控制

峰值电流控制是最常用的电流型控制方式。

以Buck变换器为例，峰值电流型控制系统原理如图2-1。

每1个开关周期开始，由时钟信号CLK经过触发器，驱动开关VF导通，当电流iVF的检测信号峰值达到电流给定值Ve时，触发器翻转，开关VF关断。

因此只要系统中电流稍有变化，占空比可以较快产生调节作用，使输出电压V0接近给定Vr。

峰值电流型PWM控制的优点是：

消除了输出滤波电感在系统传递函数中产生的极点，使系统传递函数由二阶降为一阶，解决了系统有条件的环路稳定问题；具有良好的线性调整率和快速的动态响应；固有的逐个开关周期的峰值电流限制，简化了过载保护和短路保护；多个电源模块并联式易于实现均流。

缺点是：

不能准确控制电感的平均电流，回路增益对电网电压变化敏感，开关噪声容易造成开关管误动作等。

图2-1峰值电流控制系统原理框图

（2）平均电流型控制

图2-2以Buck变换器为例，给出平均电流控制的电路框图，电流给定信号Ve式电压调节器的输出，图中未画出电压环。

平均电流型控制方案需要检测电感电流iL,电流检测信号与电流给定Ve比较后，经过电流调节器生成控制信号VC，VC再与锯齿波调制信号比较，产生PWM脉冲。

电流调节器一般采用PI型补偿网络，可以滤除采样信号中的高频分量，与峰值电流控制相比，它直接控制电感电流的平均值，抗扰性好。

但是检测电感电流有时比较复杂，或检测元件损耗较大。

图2-2平均电流控制的电路框图

（3）滞环电流型控制

图2-3以Buck开关变换器为例，给出滞环电流型控制的电路框图，图中未画出电压环。

滞环电流型控制也是检测电感电流，与电流给定值Ve比较后，输入给滞环比较器或滞环逻辑元件。

为实现滞环电流型控制，滞环比较器中设定上限值Vemax和下限值Vemin。

当电感电流iL的检测信号下降到下限Vemin时，比较器输出高电平，使功率开关关断，电感电流下降。

被检测的电感电流决定了开关关断、开通时间。

滞环控制方式下，变换器是变频工作的，其开关频率一般随输入电压、输出电压和负载的变化而变化，因此输入、输出滤波器的设计比较复杂。

图2-3滞环电流型控制的电路框图

2.2PWM控制芯片电路的结构设计

芯片的主要特点是：

1.1MHz开关频率

2.50uA备用电流，100uA最大电流

3.在52kHz开关频率时所需电流低至2.3mA

4.逐周限流时间快至35ns

5.误差放大器的基准电压为2.5V

6.振荡器放电电流精确

7.新型的欠压锁定模块

所设计的PWM控制器，它主要包括欠压锁定电路，振荡器，电流比较器，电压调节器，误差放大器，过流保护和用做基准的参考电压部分。

内部结构功能框图如下图2-4。

Vout

图2-4芯片结构框图

1.振荡器

振荡器的工作频率和放电电流都是调整好的，并且严格设定了工作频率和死区的最小变化率。

振荡频率由外接电阻RT决定。

CT的放电电流由通过RT的电流和控制芯片内部的放电电流之差决定。

设计控制芯片内部的放电电流为8.2mA。

RT的阻值较大时，放电时间由控制芯片内部的放电电流和CT的容量决定。

RT的阻值较小时，对放电时间也有较大的影响。

在一个振荡周期内，电容CT充电时，输出脉冲最大占空比受振荡器的可控死区限制。

2.电压误差放大器

设计电压误差放大器的直流增益为90dB，增益带宽为1.5MHz。

内部的5V基准电压经分压后产生2.5V电压，该电压直接加在电压误差放大器的同向端。

开关电源的输出电压经过电阻分压后反馈到放大器的反响输入端。

设计放大器输出端输出的电流限制在1mA，放大器输出端吸入电流为10mA。

3.电流比较器

为了能够实现逐周控制，如此设计电流比较器：

在每个振荡周期开始时，输出端开通。