第四章 第1节 直流变换器的控制电路

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。
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
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＝ uct
t
在t0~t1期间， ust
t
uct , u pwm 0 低电位
在t1~t2期间，
15
单片机 数字信号处理器（DSP） 可编程逻辑器件
16
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。
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 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。
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。
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
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
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
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。
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：
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。
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。