新型单片开关电源的设计.pdf

新型单片开关电源的设计新型单片开关电源的设计 西北工业大学金雍羊彦毕强（西安710072）西北工业大学金雍羊彦毕强（西安710072） 摘要：本文介绍反激式变换器的基本设计规则，同时以西门子TDA1683x系列电流型单片开关 电源为例，介绍一种新型单片开关电源的原理、设计和实验结果。 关键词：反激式变换器单片开关电源 A Design of the New Pattern Single－ chip Switching Power Supply Abstract:This paper introduces the basic rule of the Backward Converter,presents the principle, design method and experimentation result of a new pattern Single－ chip Switching power Supply by a system made of TDA1683x,a series of electric current Single－ chip Switching power Supply produced by SIEMENS company. Keywords:Backward converter Single－ chip switching power supply 1引言 由Buck－Boost推演而得反激变换原理如图1所示，由于电路简单，且能高效提供直流输出，对多路输出特别有效，因此广泛用于电力电子装置的内部电源。 图1反激式变换器原理 在反激式变换器中，一般有两种工作模式：完全能量转换型（电感电流不连续）和不完全能量转换型（电感电流连续）。这两种工作方式的小信号传递函数是极不相同的，动态分 析时要作不同处理。当变换器输入电压在一个较大范围内发生变化，或负载在较大范围内变化时，必然跨越两种工作方式。因此反激式变换器常要求能在完全和不完全能量转换方 式下稳定工作。本文介绍的TDA1683x是一种电流型IC，因此当使用于反激式变换器中时，可以使能量完全转换型的许多设计问题简化。在不完全能量转换型中，由于传递函数“右 半平面零点”，在高频段引入180相位改变，则电流方式控制不能消除固有不稳定问题，这就要求控制环增益偏离低频段，并要求能降低瞬态响应速度，这些都要通过调整PID常 数来实现。同时，能量不完全转换型的传递函数带有低输出阻抗的两个极点系统，输出负载加大时，脉宽仅需轻微增加即可，可以使输出的负载能力增加。在设计过程中，恰当掌 握磁性参数，可使电源工作在较大动态范围内。 在采用不完全能量传递方式时，由于出现直流分量，需加气隙，以便增加其动态范围，增加其输出功率。同时在设计时选小的△B，从而可以降低损耗，提高电源的稳定性。一般设 变压器传递功率可用下式表示：式中：Ve表示磁体体积，Lp表示气隙长度，Ip1、Ip2为导通周期始、末的瞬时电流值。显然气隙的存在提高了传递的功率 （图2阴影部分）。 （a）当磁心气隙很小时，反激变换器中变压器的磁化曲线及传递能量 (b)当磁心气隙很大时，反激变换器中变压器的磁化曲线及传递能量 图2 值得注意的是，增加气隙对由于负载引起的磁饱和有明显的抑制作用，但对于因输入电压过高或开关频率过低引起的磁饱和是无用的。 总之，外加的伏秒值、匝数和磁心面积决定了B轴上的△Bac、直流电流的平均值、匝数和磁路长度决定了H轴上Hac值的位置。为了防止磁饱和，必须有足够的线圈数和磁心面积来 平衡外加的伏秒值，必须有足够的气隙来平衡直流分量。这在变压器设计中是非常重要的。 在实际设计中，是通过改变初级电感和调整气隙大小来选择能量传递方式的。经验证明，一个合适的气隙可以使电流瞬时值、效率、噪音都比较合适。气隙的确定，除计算外，还 需实际调整，使上面指标达到最佳。 2工作原理 西门子公司最新推出的TDA1683x系列电流型单片开关电源，具有体积小、外围电路简单、温度范围宽的特点，很适用于逆变电源、变频器等电力电子设备的工作电源。这种电流型 控制器件工作原理如图3所示。流经MOS管电流的大小和一个给定电压值进行比较，其输出确定了MOS管的导通时间；其中输出电压与给定电压相关。为了简化外部电路，MOS管的电 流检测电阻直接集成在IC内部。同时，确定单片电源频率的振荡电阻和电容，也集成于IC内。为了尽量降低温度对芯片工作的影响，采取了专门的温度补偿措施，并尽量降低电阻 的误差。 下面，以TDA16833为例分析其内部结构的功能。 图3TDA16831－9系列电流型单片开关电源工作原理 （1）起动电路（UVLO）：该部分接于外部Vcc端。当Vcc电压高于固定的开通门限电压时，UVLO工作，bias电路和软起动电路闭合。一旦Vcc电压低于关闭门限电压时，则电路关 闭。此时电路的电流消耗被限制到最小。 （2）电流源（bias）：该电路给内部提供一个恒定的电流，用以限流和定时、软起动等。 想在职场和商战中如鱼得水吗? 想在职场和商战中如鱼得水吗? 超过 12 万笔 超过 12 万笔 管理资料下载管理资料下载 企业管理资料、管理制度、管理表格、推行方 案、视频教材、行业报告、创业计划、学习课 件、英语教材、商务资源、企业信息化方案 (SAP,CRM,ERP..)、培训教材、演示演示文稿、 咨询报告、 电子书籍、 企划方案、 投资金融….. 提升管理能力的快捷方式 大量管理资 料下载 您好: 资料搜索网--庆祝突破百万名会员, 加入金牌会员空前优惠, 管理光盘赠送!! 12 万笔资料下载! 请把握时机加入 谢谢 中国最大的资料库下载 管理资料光盘 珍贵经典的管理资料, 至少节省您 5 年时间 经理人光盘 美容行业大全光盘 模具经理大全光盘 电子电路电子书大全( PCB 行业光盘大全 连锁行业光盘大全 英语学习光盘(三) 制鞋行业光盘大全 英语学习光盘(二) 现场班组长管理大全光盘 设备管理大全光盘 电信行业大全光盘 WM5 软件及电子小说大全光盘 财务课程教材学习光盘 工程管理光盘 室内设计装修光盘 采购经理大全光盘 行业光盘 分类光盘 实用工具光盘 学习光盘 GPS 软件大全 A-手机用 儿童学习光盘大全 GPS 软件大全 A-PPC 用 英语学习光盘(一) 家电行业管理大全 酒店行业管理大全 服装企业管理大全 物流企业管理大全 房地产企业管理大全 汽车维修大全光盘 财务经理大全光盘 生产经理大全光盘 品质经理大全光盘 管理制度大全光盘 管理表格大全光盘 人力資源經理大全光盘 营销經理大全光盘 （3）软起动（Softstart）：此功能只限于TDA16836/7。当芯片起振后，在软起动电容电压上升过程中，MOS管的导通时间逐步增加，避免了MOS管导通时间瞬时增至最大值带来的 不良影响，例如防止功率变压器电流饱和，限制输出滤波电容形成的浪涌电流以及输出的瞬时过冲电压等。特别是芯片的供电是由功率变压器辅助绕组提供时，输出的过冲电压造 成的影响会很大。这时，当输出功率较大时，变压器产生的过冲电压往往会超过Vcc的最高允许值。 （4）振荡器(osc)：该部分有一个分频触发器，该触发器可以将振荡频率降至一半，形成开关频率。同时，它能使最大占空比Dmax=0.5。必要时，可利用辅助电路，使Dmax=0.75。 （5）误差放大器(pwmop)：放大进入的MOS电流信号，并将其转换成电压。一般情况下，当对MOS管进行斩波操作时，会在电流信号前形成一个尖峰脉冲，从而使比较结果失效，这 点在轻负载时尤为显著。该放大器提供了前沿消隐功能，实际电流信号经过外部偏置而限制了这种现象 （6）比较器(comparator)：该比较器把被放大了的MOS管电流信号pwmrmp和由Vout来的参考信号进pwmin行比较。当电流信号大于参考信号时，MOS管关闭。图中还有一个辅助比较 器，设置了非常低的门限电压，用来实现0％占空比。 （7）逻辑控制(logpwm)：该电路由一个RS触发器和一个与非门组成。该部分控制着MOS管的导通与关断。使MOS管导通的条件是使下面诸条件全部成立：软起动开始、pwmin信号超 过最低门限、pwmin信号高于pwmrmp、过电流关闭无效、过热关闭无效，以及tff电路输出起动脉冲。使MOS管关断的条件是使下面任一条件成立：pwmrmp超过pwmin或者占空比超 过0.5，或者pwmcs超过Imax、或者硅片的温度超过Tmax，或者UVLO低于最低门限。RS触发器的作用是，确保在每一个周期内只进行一次开通操作。 3专用驱动电源的设计 西门子的TDA1683x系列单片开关电源凭借其独到的性能，可应用于可靠性要求较高的电力电子驱动系统。下面针对IPM模块（CTM－series）电源的设计简介如下。 3．1电路原理 电路原理如图4所示。适用于3kW以下三相变频器供电的要求。由于外围元件少，电路简单，可靠性很高。TDA16832本身无须散热器。 图4变频空调开关电源电路原理图 3．2硬件设计与调试 （1）逆变变压器：采用TOKIN专用于逆变器电源的IVT－28P变压器，排列次序如图4中所示。该变压器由于结构的特殊性，保障了各绕组间可承受AC1500V（1min）的耐压试验。 （2）输出波形（见图5）：图中（a）为输入电压AC220V，负载为3RL[注]时的波形；图（b）为输入电压AC240V，负载为RL时的波形。在如上两种情况下，电源均未工作在连续 电流模式。 (a) (b) 图5输出波形 4结束语 该开关电源由于采用了TDA16832单片开关电源，在满足变频空调逆变电源要求的同时，负载有4只继电器，工作可靠稳定，发热量小，无需散热器。同时外围电路简单，调试非常方 便，简化了研制周期。 [注]：RL为电源实验时的一个负载单元，3RL为3倍负载单元。 参考资料 1张占松等，开关电源的原理与设计，电子工业出版社，1998年6月 2SIEMENS,TechnicalProductInformation，Edition9.21999年3．TOKIN,Tromsformers/ChokeCoils1998年