开关电源原理

第二章 开关电源原理

2.1 开关电源的基本原理

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管的开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，简单结构如图2-1所示。

图2-1 开关电源基本电路

开关晶体管VT 串联在输入电压VI 和输出电压V o 之间，当晶体管VT 的基极输入开关脉冲信号时，VT 则被周期性地开关，即轮流交替处于饱和导通与截止。假定VT 为理想开关，则VT 饱和导通时基极。发射极之间的压降近似为零，输入电压Vi 经VT 加至输出端；反之，在VT 截止期间，输出为零。VT 经周期性开关后在输出端得到脉冲电压，且经滤波电路可得到其平均直流电压，输出电压如2-1式所示：

D V T T V V i on i o ⋅=⋅= （2-1）

on T 为开关导通时间，T 为开关周期，D 为占空比。由此可见，开关稳压电源可以通过改变开关脉冲占空比，即开关导通时间on T 来控制输出直流电压值[7]。

2.2 开关电源的工作流程

开关电源通常由六大部分组成，如图2-2所示。

第一部分是输入电路，它包含有低通滤波和一次整流环节。

220V 交流电经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压Vi ，此电压送至第二部分进行功率因数校正，其目的是提高功率因数，它的形式是保持输入电流与输入电压同相。第三部分是功率转换，它是由电子开关和高频变压器来完成的，是把高功率因数的直流电压变换成符合设计要求的高频方波脉冲电压。第四部分是输出电路，用于将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。第五部分是控制电路，输出电压经过分压、采样后与电路的基准电

压进行比较、放大。第六部分是频率振荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达到脉冲宽度可调。有了高频振荡才有电源变换，所以说开关电源的实质是电源变换[8]。

图2-2 开关电源工作原理框图

2.3 开关电源的调制方式

开关电源电路的调制方式主要有：PWM、PFM、PSM三种调制方式。脉冲宽度调制（PWM）方式[9]，其开关频率恒定，通过调整导通脉冲的宽度来改变占空比，从而实现对输出能量的控制，称之为“定频调宽”；脉冲频率调制（PFM）方式[10]，其脉冲宽度恒定，通过调节开关频率改变占空比，从而实现对输出能量的控制，称之为“定宽调频”；脉冲跨周期调制（PSM）方式[11]，脉冲宽度恒定，选择性的跳过某些工作周期的方式调节输出能量的大小。

2.3.1 PWM调制

PWM调制方式是开关电源中最常采用的控制方式，通过负载端反馈信号与内部产生的锯齿波进行比较，输出一路恒频变宽的方波信号对开关管进行控制，根据负载状况实时调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。其工作波形如图2-3所示。

图2-3 PWM的工作原理图

目前PWM控制方式是开关电源中使用最普遍的，具有以下优点：在负载较重的情况下效率很高，电压调整率好，线性度高，输出纹波小，适用于电流或者电压控制模式。存在以下缺点：输入电压调制能力弱，频率特性较差，轻负载下效率下降。

2.3.2 PFM调制

PFM是开关电源中经常使用的调制方式。通过负载端反馈信号与基准信号进行比较，输出误差信号对工作频率进行调节，然后输出一路恒宽变频的方波信号对开关管进行控制，根据负载状况实时调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。其工作波形如图2-4所示。

目前PFM控制方式在开关电源中使用已经比较普遍，这种控制方式具有以下优点：在负载较轻时效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高，适用于电流或者电

压控制模式。存在以下缺点：负载调整范围窄，滤波成本高。

图2-4 PFM的工作原理

2.3.3 PSM调制

PSM（Pulse Skipping Mode）调制方式是开关电源中一种新的控制方式，称为脉冲跨周调制。将负载端反馈信号转换为数字电平，在时钟上升沿检测该反馈信号电平决定是否在该时钟周期内工作，调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。其工作波形图如图2-5所示。

图2-5 PSM 的工作原理

目前PSM控制方式已经用于开关电源，具有以下优点：在负载较轻时率很高，工作频率高，频率特性好，功率管开关次数少，适用于小功率电源管理IC。存在如下缺点：

输出纹波大，输入电压调整能力弱。

2.4 开关电源控制方式

我们通常使用的开关电源都是基于PWM的调制方式，所以我们着重分析PWM方式下的控制技术。PWM控制技术主要分为两种：一种是电压模式PWM控制技术，另一种是电流模式PWM控制技术[12]。

2.4.1电压模式PWM控制器

开关电源最初采用的是电压模式PWM技术，基本工作原理如图2-6所示。输出电压V o与基准电压相比较后得到误差信号VE。此误差电压与锯齿波发生器产生的锯齿波信号进行比较，由PWM比较器输出占空比变化的矩形波驱动信号，这就是电压模式PWM控制技术的工作原理。由于此系统是单环控制系统，其最大的缺点是没有电流反馈信号。由于开关电源的电流都要流经电感，因此相应的电压信号会有一定的延迟。然而对于稳压电源来说，需要不断地调节输入电流，以适应输入电压的变化和负载的需求，从而达到稳定输出电压的目的。因此，仅采用采样输出电压的方法是不够的，其稳压响应速度慢，甚至在大信号变化时，会因为产生振荡而造成功率开关管的损坏等故障发生，这是电压模式PWM控制技术的最大不足之处。

图2-6电压模式PWM控制技术原理

2.4.2电流模式PWM控制器

电流模式PWM控制技术是针对电压模式PWM控制技术的缺点而发展起来的。所谓电流模式PWM控制，就是在PWM比较器的输入端直接用输出电感电流检测信号与

误差放大器的输出信号进行比较，实现对输出脉冲占空比的控制，使输出电感的峰值电流跟随误差电压变化。这种控制方式可以有效地改善开关电源的电压调整率和电流调整率，也可以改善整个系统的瞬态响应。电流模式PWM控制技术的工作原理如图2-7所示[9]。

电流型PWM控制技术主要分为峰值电流控制技术和平均电流控制技术，这两种控制技术检测并反馈的是一个导通周期内电流变化的峰值和平均值。

峰值电流控制技术：峰值电流模式控制是直接控制峰值输出侧电感电流的大小，然后间接地控制PWM的脉冲宽度。因为峰值电感电流容易检测，而且在逻辑上与平均电感电流大小变化一致。但是，峰值电感电流的大小不能与平均电感电流的大小一一对应，因为在占空比不同的情况下，相同的峰值电感电流可以对应不同的平均电感电流，而平均电感电流的大小才是唯一决定输出电压大小的因素。当系统PWM占空比D>50％时，固定频率峰值电流模式控制方式存在着固有的开环不稳定现象，需要引入适当的斜坡补偿，去除不同占空比对平均电感电流大小的扰动，使得所控的峰值电感电流最后收敛于平均电感电流。当外加斜坡补偿信号的斜率增加到一定程度时，峰值电流模式控制就会转化为电压模式控制。因为若将斜坡补偿信号完全用振荡电路中的三角波代替，就成为电压模式控制，只不过此时的电流信号可以认为是一种电流前馈信号。峰值电流模式控制是双闭环控制系统(外环为电压环，内环为电流环)，电流内环是瞬时快速按照逐个脉冲工作的。在该双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态变化，因而电压外环仅需控制输出电压，不必控制储能电路。因此，峰值电流模式控制具有比电压模式控制大得多的带宽。