1 开关电源的设计 杨晓康 摘 要:本论文主要介绍了开关电源在实际中的应用及 Buck 、Boost、Buck- Boost、Cuk 四种拓扑结构，其中重点介 绍了 Buck 变换器的拓扑结构。TL494 是 单片 PWM 控制器在实际当中的应用，在 论文的第三部分介绍了它的工作原理及 应用要点。 关键字:DC-DC PWM 控制器 Buck 变换器The design of the switch power supply Yang XiaoKang Abstract:This thesis primarily introduced the switch power supplied is in the application and the Buck, Boost, Buck- Boost, Cuk of the actual inside four kinds of rush toward the construction, among them the point introduced the Buck transformation the to rush toward the construction.The TL494 is a part of the third for application for pwm controller at actually center, in the thesis of single sliced to introduce the principle and application important point of its work. Keywords:DC- DC PWM controller Buck transformation 一、概论 电源有如人体的心脏，是所有电设备的动力。但电源却不像心脏那样形式单一。因为， 标志电源特性的参数有功率、电源、频率、噪声及带载时参数的变化等等；在同一参数要 求下，又有体积、重量、形态、效率、可靠性等指标，人可按此去“塑造”和完美电源， 因此电源的形式是极多的。 一般电力要经过转换才能符合使用的需要。转换的例子有：交流转换成直流，高电压 变成低电压，大功率中取小功率等等。 按电力电子的习惯称谓，AD-DC称为整流，DC-AC称为逆变，AC-AC称为交流-交流直 接变频（同时也变压） ，DC-DC称为直流直流变换。广义地说，凡用半导体功率器件作为 开关，将一种电源形式转变为另一形态的主电路都叫做开关变换器电路；转变时用自动控 制闭环稳定输出并有保护环节则称为开关电源(Switching Power Supply)。开关电源主 要组成部分是DC-DC变换器，因为它是转换的核心，设计频率变换，目前DC-DC变换中所 用的频率提高最快。它在提高频率中碰到的开关过程、损失机制，为提高效率而采用的方 法，也可为其它转换方法参考。 值得指出，常见到离线是开关变换器（off-line Switching Converter）名称，是 AC-AC变换，也常称为开关整流器；它不单是整流的意义，而且整流又作了DC-DC变换。2 所说离线并不是变换器与市电线路无关的意思，只是变换器中因有高频变压器隔离，故称 离线。 把直流电压变换为另一种直流电压最简单方法是串一个电阻，这样不涉及变频的问题， 显得很简单，但是效率低。用一个半导体功率器作为开关，使带有滤波器（L或/和C）的 负载线路与直流电压一会相接，一会断开，则负载上也得到另一直流电压。这就是DC-DC 的基本手段，类似于“斩波” （Chop）作用。 一个周期Ts内，电子开关接通时间ton所占整个周期Ts的比例，称接通占空比 D，D=ton/Ts;断开始间toff所占Ts比例，称断开占空比D,D=toff/Ts。很明显，接 通占空比越大，负载上电压越高；1/Ts=fs称开关频率，fs越高，负载上电压也越高。这 种DC-DC变换器中的开关都在某一固定频率下（如几百赫兹）工作，这种保持开关频率恒 定但改变接通时间长短（即脉冲的宽度） ，使负载变化时，负载上电压变化不大的方法，称 脉宽调制法（Pulse Width Modulation,简表为PWM） 。由于电子开关按外加控制脉冲而 通断，控制与本身流过的电流、二端所加的电压无关，因此，电子开关称为“硬开关” 。很 明显，由于硬开关开断和接通时，开关上同时存在电压、电流，损耗是比较大的，但无论 如何比串电阻变换方法小的多。这就是开关电源的优点之一。 凡用脉宽调制法方式控制电子开关的开关变换器，称为PWMK开关变换器。它是以使 用“硬开关”为主要特征的。 另一类乘之为软开关。凡用控制方法使电子开关在其两端电压为零时导通电流，或使 流过电子开关电流为零使关断，此开关开关称为软开关。软开关的开通、关断损耗理想值 为零。 为了满足电子开关商电压或电流值为零的条件，可用谐振（Resonance）方法。在开 关电源电路中加的不是正弦电压，而是直流电压。直流电压加在串联的LC时，电路中电流 按正弦规律无阻尼振荡，其频率即电路的谐振频率，或称振荡频率。利用谐振现象，电子 开关器件两端电压按正弦规律振荡，当振荡到零时，使电子开关导通流过电流，此法称为 零电压开通（ZeroVoltageSwitching简称ZVS） 。同理流过电子开关器件的电流振荡到 零时，使电子开关断开，此法称为零电流关断（ZeroCarrowtSwitching简称ZCS） 。 利用谐振现象，使电子开关器件上电压或电流按正弦规律变化，以创造零电压开通或 零电流关断的条件，以这种技术为主导的变换器称为谐振变换器。它有串联和并联谐振变 换器两种。 由于正向盒反向LC回路值不一样，即振荡频率不同，电流幅度值也不同，所以振荡 不对称。一般正向正弦半波大过负向正弦半波，所以常称为准谐振。无论是串联LC，或是 并联LC都会产生准谐振。 谐振回路，参数可以超过两个。例如三个或更多，称为多谐振荡变换器。为保持输出 电压不随输入电压变化而变化，不随负载变化而变化（或基本不变） ，谐振、准谐振和多谐 振变换器主要靠调整开关频率，所以是调频系统。 调频系统不如PWM开关那么易控制，加上谐振、准谐振、多谐振电路谐振电压（或电 流）峰值高，开关受的应力大，因此这几年热门的研究课题是零开关PWM变换器和零转 换PWM变换器。 DCCD可分成PWM式、谐振式和它们的结合式。每一种方式中从输入与输出之间是否 有变压器隔离，可以分成有隔离、无隔离两类。每一类中游又六中拓扑：Buck、Buck Booct、Cuk、Sepvc 和Zeta。 无论哪一种CDDC变换器，主回路使用的元件知识电子开关、电感和电容。电子开 关只是快速的开通、快速的关断这两种状态，并且快速的进行转换。主回路也不是绝对不 出现电阻元件。出现的前提是极有利于控制性能而又不引起多大的损耗。而且限于几十瓦3 以下的小功率变换器中应用。一般其阻值在毫欧级，其上得到的mv电压可用来作为当前工 作周期进行电流控制或保护的信号。 二、基本的PWM变换器主电路拓扑 （一） Buck变换器Buck变换器别名为降压变换器、串联开关稳压电源、三断开关降压稳压器。 图（a）由单刀双掷开关S，电感元件L和电容C组成的示意图。图（b）由以占空比D工 作的晶体管Tr、二极管D1、电感L、电容C组成的Buck变换器电路图。电路完成把直流 电压Vs转换成直流电压Vo的功能。 Buck工作原理： 1假定：为分析稳态特性，简化推导公式的过程，特作如下几点假设： （1）开关晶体管、二极管均为理想元件。也就是可以瞬间也“导通”和“截止” ，而且 “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。电感工作在线性而未饱和，寄生电阻为零，电容的等效串联 电阻为零。 （3）输出电压中的纹波电压与输出电压的比值小到可以忽略。 2工作过程： 当开关S在位置时，有图(a)所示的电流is=il流过电感线圈L，在电感线圈L未饱和 前，电流线性增加，在负载R上流过电流Io，两断输出电压Vo，极性上正下负。当 isIo时，电容在充电状态。这时 二极管D1承受反向电压；当开关S大至B时，如图 (b)所示，由于线圈L中的磁场将改变线圈两端的电压极性，一保持其电流il不变。负 载R两端电压仍是上正下负。在il0,开关打开时，is=0,故is是脉动的，但输出电流Io，在L、D1、C作 用下却是连续的、平稳的。 图（4）中，设开关周期为Ts，闭合时间为t1=D1Ts，断开时间t2-t1=D2tS；D11,称 D1为接通占空比，D21,称D2为断开时间的占空比。 主要概念一关系式 1电感电流连续一不连续下面分析一下开关闭合和断开的情况与输出电压的关系。在图（4）中，设开关周 期为Ts,闭合时间为t1=D1Ts,断开时间t2-t1=D2Ts;D11,称D1为接通时间占空比， 体现了开关接通时间占周期的百分比值，D21,称D2为断开时间的占空比,体现了开关 断开时间占周期的百分值。根据假定（1）很明显，D1+D2=1。在输入输出不变的前提下，当开关在位市，波形如2-3所示，电感电流线性上升， 其增量为： 式中： 电流增量；Vs 输入电源电压(V)；Vo 输出电压(V)；4L电感(H)；Ts开关周期S；D1开关接通占空比。 当开关S在B位时，如图2-3(a)t2-t1时间段所示，iL电流增量为： 由于稳太时这两个电流变化量相等，即 ，所以： 又因为D1+D2=1整理得：Vo=VsD1 式(1.2.3)表明，输出电压Vo随占空比D1而变化，由于D11，故VoVs，Vo/Vs是电 压增益，表示为M，在本线路中：M=Vo/Vs=D1 如图2.4所示，电压增益M由开关接通时占空比D1决定，即变换器有很好的控制特性。当电感L较小时，负载电阻较大，或Ts较大时，将出现电感电流以下将到0，新 的周期却尚未开始的情况。当新的周期来到时，电感电流从0开始，线性增加。这种 工作方式称电感电流不连续的模式。波形图如图2-3(b)。此时，当开关S在位置A时， 占空比D1： 当开关S在位置B时 由于 ，所以： 整理得：式中D2晶体管开断、二极管导通时间占空比(S)。注意，二极管导通占空比用D2表示之。相应晶体管导同占空比用D1表之，如图 （b此时D1+D2=1,。由图2-3（b）iL图形可知， ，稳态负载电流Io即是iL等腰面积在Ts时间内的平 均值，而且等于Vo/Vr。即5 解得 式中 是儲能电感L与负载电阻R周期时间Ts乘机的比率。它是无量纲参数。 由（1.2.7）可得 考虑到(1.2.5)可得 即 解得 将(1.2.9)代入(1.2.6)得到不连续状态下Buck变换器的电压增益M： 相应图形如2-5。 从(1.2.10)式可得到占空比确定的电压增益。如果把(1.2.9) (1.2.10) 式演算 也可以得到从电压增益确定占空比。 2.连续与不连续状态之间有个临界状态，其发生条件为： 连续条件临界条件 不连续条件 考虑式和式，临界状态时 整理得 (1.2.14)为临界条件的L/R表达式。该时L即定义为临界电感，可表为Lc, 式中 =t2-t1开关管Tr关断时间(S)；Vo输出电压(V)；fs 开关工作频率1/Ts(Hz)；Po变换器输出功率Po=IoVo(W)。 3.纹波电压 Vo 流经电容的电流ic是(il-Io)，ic在电容两端产生的电压 Vo称为纹波电压。其波形 如图2-6所示。当ic为t的线性函数时：