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。

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： sonT 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 VoVin 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 oin t o in T D LV 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LV 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⎰-==∆ssT T D s ot 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：56.0198110===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 LVT 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 211+=(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 21I I L <∆ (10)临界状态：o 21I I L =∆ (11)DCM 状态：o 21I I L >∆ (12)由式(2.5)和式(2.11)，可得在临界状态有o Lo s I R VT 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s22f 212LS 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 211s2D P V L O OC -•= (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(500001100110212=-••= 于是选择最接近的电感值50uH L =。

4.3纹波电压与最小滤波电容值由于电容的充放电，输出电压会有纹波分量。

当电感电流大于输出电流时，电容被充电；当电感电流小于输出电流时，电容对负载放电。

一个开关周期内，电容元件存储的电荷变化量Q ∆为2221SL T I Q •∆•=∆ (16) 将V C Q ∆=∆代入上式，再结合式（2.5），得纹波电压计算式21O 8)1(V V sLCf D -=∆ (17) 给定纹波电压为3%，根据式(17)可估算出为满足纹波指标所需要的最小电容值为11003.050000104.488)56.01(11026⨯=⨯⨯⨯⨯-⨯=∆-C V计算得：C=15.2uF 。

为了留有裕量，电容选择C=20 uF 。

5 PWM发生电路设计基于脉宽调制控制的开关电源系统，功率开关的动作受一个频率固定、且脉宽随负载及输入电压值而变动的脉冲波所控制。

即开关管导通的频率固定，而每次的导通时间Ton受负载和输入电压的控制。

开关电源通过调节占空比d达到维持输出电压的基本稳定。

采用PWM控制方式的开关电源，其控制电路又分两种：电压模式控制和电流模式控制。

电压控制模式仅利用输出电压作为反馈控制信号，系统中只存在一个电压反馈环路；电流控制技术指同时采用电流和负载电压作为控制信号，其中电感电流或负载电流反馈构成内环控制，而负载电压反馈构成外环控制，实现双闭环控制。

此处采用电流控制技术。

图5-1 PWM集成控制原理示意图5.1 UC3825芯片介绍美国TI公司设计的UC3825系列芯片是专门用于PWM控制的，其具有外围电路设计简单，功能强大等特点，所以此处选用UC3825进行PWM控制。

UC3825芯片为16脚长方形集成块，管脚功能见表5-1。

其内部电路主要由高频振荡器、PWM比较器、限流比较器、过流比较器、基准电压源、故障锁存器、软启动电路、欠压锁定、PWM锁存器、输出驱动器等组成。

其工作频率可达1MH Z,可用作电压或电流型PWM控制器。

表5-1 UC3825管脚功能表管脚1、2分别是误差放大器的反向和正向输入端，通常管脚2与芯片输出的参考电压相连，作为误差放大器的参考输入，管脚1输入主电路的电压反馈，同时误差放大器的输出也是开放给用户的。

误差放大器输出的幅值受到软启动电路的控制，当芯片检测到电路故障时，软启动电路工作，降低误差放大器的输出，因此限制了触发脉冲，即关断主电路的开关管，保护主电路不受损坏，直到故障消失形成所谓的“打嗝”状态，管脚7是斜坡信号输入端，可以将电流反馈信号引入，形成电流内环反馈。

管脚5、6可接振荡电阻和电容，根据电路频率的需要调节阻值和容值。

也可通过管脚4外加频率使芯片与外部频率同步。

管脚11、14为触发脉冲输出口，采用电流图腾输出，使得芯片可以直接驱动功率不大的开关管。

5.2 UC3825芯片外围电路设计5.2.1振荡频率的设计UC3825A/B型芯片可以通过管脚5和6自行设定的振荡频率，也可以工作在外加频率同步方式下，在此电源中，采用第二种方式：外部通过一个555定时器产生频率方波，然后通过管脚5和6使芯片的频率和555定时器的频率同步。

555定时器的外围电路以及和UC3825的接口电路如图所示。

图5-2 555定时器外围电路振荡频率由下式计算：3)21(7.01T 1f C R R ⨯+⨯==(18) 本设计中f=50KH Z ,根据上式选择合适的电阻和电容，即能达到要求。

5.2.2 尖峰电流消隐（LEB ）电路在电流源PWM 控制中，需解决电流反馈信号的噪音问题。

通常情况下，反馈信号都是由串联电阻分压检测或者是由电流传感器检测，这些方法在轻负载的情况下，存在严重的问题:当开关管导通时，在反馈信号的前沿将产生一个高脉冲噪音信号，这并不是我们所需要的反馈信号。

传统的解决方法是增加一个R-C 滤波网络，来滤掉噪音信号。

在低频大负载的情况下，该方法能够取得比较满意的效果，但是在高频轻载情况下，效果就十分的不理想了，甚至能够影响整个系统的稳定性，由于问题处在闭环系统的反馈环节，是无法通过反馈闭环来解决的。