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 <∆ (10)

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

=-••

=