第四章 第1节 直流变换器的控制电路

开关直流 变换器
D
u =48V
o
t on D T
f 1 T
u ＝1.2u ac
i
反馈控制回路
在通信高频开关电源中，用于产生驱动开 关管导通截止的驱动方波的控制电路可以是模 拟电路也可以是数字电路。
开关电源的控制电路：模拟控制、数字控制
模拟控制：脉冲宽度调制、脉冲频率调制
目前“控制电路”现状
第1节 直流变换器的控制电路
Q
t
t
Q
t
A、B两控制输出通道的 脉冲信号很小，往往需要功 率放大后，再驱动开关管。 这部分电路有很完善的集成 块电路。
控制输 出A
t
B
t
t on1 t1 t on2 t 2
4、无工频变压器开关电源中的隔离技术：
下面用两种不同的方框图说明无工频变压器开关电源的 机架和电网之间实现隔离的方法： a. 用隔离变压器的方法：
1. 取样电路和误差放大：
u0 uct
u负极 R1
R2 基 准
如果所需要的输出标准电压为u0
R2 u基准＝ u0 R 1＋R 2
经误差放大后，得直流输出uct标:
（1） 当输出＝u0时
u负极＝u基准 uct uct 标
（2） 当输出>u0时 （3） 当输出<u0时
u负极 u基准 uct uct 标
三、数字控制
传统的模拟控制使用比较器、误差放大器和模拟调变器等元器 件来调整电源输出电压以及功率因数校正，虽然这些为人熟知的电 路架构己经使用数十年，但是它们仍受到许多限制。
1、模拟控制电路因为使用许多元器件而需要很大空间。
2、这些元器件本身的值会随着使用时间、温度和其环境条件的变化 而变动，对系统稳定性和响应能力造成负面影响。
ust uct , u pwm 为高电位
Q
t
锯齿波送入翻转触发器(F/F)，产生两方 波 Q 与 Q 。将比较器的输出方波与 Q 相与，当两者同时为高电位时，输出才 是高电位。
控制输 出A
t
B
D
t
t on T
开关电源的输出电压与占空比 成正比。
u
t0
ust
t1
t2
uct
t
3. 驱动功放：
u pwm
2.脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation）PFM
保持方波的宽度ton不变，改变脉冲频率（即周期T）以稳定输出电压。使 用脉频调制的方式实现的反馈控制回路叫脉频调制器。
3.混合调制方式 靠同时改变方波的宽度ton和脉冲周期T（频率）来维持输出电压。
u
n?
ac
整流滤波
u
i
~220V 输入整流器 滤波器
开关功 率器件 Tr
输出整流器 滤波器 误差放大
输出
脉宽调制器 驱动电路 光电耦合器 基 准
取 样
脉宽调制器、驱动电路、开关功率器件、输入整流器、 滤波器是共地的，输入、输出之间的隔离是通过高频电源变压 器Tr和光电耦合器来实现的。
作业： 1、若主电路是开关稳压器，在脉冲宽度调制电路里是否还需增加电隔离？ 2、详述升压型稳压器是怎样进行自动稳压的，设其使用的是脉宽调制？
3、模拟控制的控制响应特性是由分立元器件的值决定的，因此无法 为所有电源值或负载点提供最优化的控制响应。
4、模拟系统的测试和维修都非常困难。
用数字控制代替模拟控制，与模拟控制的原理一 样，数字控制也采用闭环回路反馈控制理论来稳定电 源输出电压，只不过数字控制是先将模拟参数（如输 入和输出电压以及电流等）转换成数字信号，然后完 全在数字域里对这此参数进行必要的处理(即将输出电 压转换成数字数据并传送给一个数字控制器)，再由数 字控制器利用这些信息计算出新的控制输出。
直流变换器 Tr1 ~220V 输入整流器 滤波器 输出u0
ui
开关功 率器件 Tr2 脉宽调制器 驱动电路
输出整流器 滤波器
取 样
输出整流器、滤波器、取样、脉宽调制器和驱动电路共 地。输入与输出之间的隔离是通过高频变压器Tr1和驱动变 压器Tr2来实现的。它适用于任何形式的开关电源的设计。 b. 用光电耦合器的方法：
u负极 u基准 uct uct 标
2. 脉宽调制原理：
控制输出A
upwm
比较
u
t0
ust
t1
t2
uct ust
振荡器
uct
t
控制输出B 与门
Q
Q
F/F
u pwm
Q
在ust与uct的交点t1处，ust＝ ห้องสมุดไป่ตู้ct
t
在t0~t1期间， ust
t
uct , u pwm 0 低电位
在t1~t2期间，
相较模拟控制器，数字控制的优点： 1、能实现更复杂的控制算法，例如更实时改变控制响应 特性能让电源在各种输入电压或负载点下都能达到最理 想的快速相应结果。 2、数字化电源还具备完整的可编程能力，这使它们的修 改非常容易。 3、数字控制可以省下原本需要外接的临界值设定和时序 元器件，不但节省成本和电路板面积，还能避免分立无 派元件的生产变异、温度梯度和元器件公差等问题。 4、它还能发挥各种经济优势，包括更低成本、更大的最 终产品市场。 5、在电源中引入数字控制技术以后，很容易设计出可以 根据经常变化的系统状态， 比以前更加精准地改变输出 特性的电源。 6、数字控制还能让硬件平台重复使用、加快产品上市日 程，例如可以利用一种硬件平台通过修改软件来设计多 种电源产品。
15
单片机 数字信号处理器（DSP） 可编程逻辑器件
16
Ui
振荡器
Uo
开关脉冲
Uref
比较器
U采样
采样电压
GND
如图是脉频调制方式的基本电路图。它的原理是：采样电压加在比较器 的负输入端，预设值(我们要求的输出电压如48V）为比较器的参考电压Uref加 在比较器的正输入端。 当输出电压低于预设值时， Uref＞U采样，比较器输出高电平。该高电平进入 触发器，使触发器开通，振荡器输出的方波通过触发器传到开关管，驱动功 率开关管。 当输出电压高于预设值时， Uref＜U采样，比较器输出低电平。该低电平进入 触发器，使触发器闭锁，从而振荡器输出的方波不能通过触发器，功率管处 于断开状态。这样，驱动开关管的脉冲宽度不变而开关周期变长，使占空比 减小，从而起到稳压的作用。
一、脉冲宽度调制
变换器主电路
ui
开关器件
开关电源主电路
u0
驱动功放
A B
upwm
uct
比较器 误差放大 基 准 振荡器 锯齿波振荡器
取 样
分频逻辑
脉宽调制器(反馈控制回路）
反馈控制电路的作用： 1、产生驱动开关管的矩形方波
t on D T
2、随着输出电压的变化，控制电路能实时改变驱动方波的占空比D，实现稳压。
二、脉冲频率调制
VD Up Us Ns i VD
i0
Np
PFM控制脉冲
C0
RL
U0
Ui
iVT
ib
VT UVT
Uo
Uref
图4-21 脉冲频率调制的基本波形图
t on D T
脉冲频率调制(PFM)为定宽调频式，保持开关S的导通时间ton不变 (即将脉冲宽度固定），通过改变开关周期T（即改变开关频率），来 调节占空比的。在电路设计上要用固定脉宽发生器来代替脉宽调制器 中的锯齿波发生器，并利用电压/频率转换器（如压控振荡器VCO）改 变频率。如图4-21所示的工作波形，在轻负载情况下变换器只有比较 稀的脉冲群，在脉冲群与脉冲群之间功率管都关断，电路空闲不工作 ，电感电流为零，在这个过程中输出电容向负载供电；当输出电容放 电使电压低于预值电压（我们要求的输出电压），变换器重新工作再 产生一些脉冲群使得输出电容被充电。
第四章
第1节 开关变换器控制电路
高频开关稳压: 高频开关直流变换器中:
u0 f ( D, ui ) u0 f ( D, n, ui )
D越大，输出电压越大；D越小，输出电压越小 。
1.脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）PWM
方波的周期T保持不变，改变脉冲宽度ton来稳定输出电压。使用脉宽调制 的方式实现的反馈控制回路叫脉宽调制器。