畢業(yè)設(shè)計(jì)--開(kāi)機(jī)預(yù)偏置電壓?jiǎn)栴}研究

1、<p><b>　　摘要</b></p><p>　　隨著社會(huì)的發(fā)展以及人們生活水平的提高，市場(chǎng)對(duì)電子產(chǎn)品的需求越來(lái)越大，由于所有的電子產(chǎn)品都需要有電源對(duì)其供電，電源的性能和安全可靠性就顯得至關(guān)重要。電源的高效率、低功耗、小體積、高可靠性已經(jīng)成為大勢(shì)所趨，在這種情況下，對(duì)電子產(chǎn)品電源安全性能的考慮是必要的。當(dāng)電路由于各種原因出現(xiàn)反向電流時(shí)，若反向電流過(guò)大，不僅可能燒壞元器件，也可能

2、對(duì)負(fù)載正常運(yùn)行造成影響和安全隱患，甚至威脅人們的財(cái)產(chǎn)和生命安全。由此可見(jiàn)，對(duì)變換器反向電流的研究從各個(gè)角度來(lái)說(shuō)都是很有價(jià)值的。</p><p>　　本文主要闡述的是DC-DC變換器開(kāi)機(jī)過(guò)程中的反向電流問(wèn)題，對(duì)于DC-DC變換器來(lái)說(shuō)，當(dāng)主電路開(kāi)關(guān)管占空比很小，且輸出有一定預(yù)偏置電壓時(shí)，可能導(dǎo)致輸出電流反向累積，逐漸增大。在基本理論知識(shí)的基礎(chǔ)上，為了防止過(guò)大的反向電流對(duì)負(fù)載正常運(yùn)行造成的影響和安全隱患，本文在電路中增

3、加了脈沖阻止電路，使電路在檢測(cè)到電流反向時(shí)阻止續(xù)流開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通脈沖傳遞至續(xù)流開(kāi)關(guān)管，以阻止續(xù)流開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通，從而使反向電流無(wú)法通過(guò)續(xù)流開(kāi)關(guān)管形成通路，即無(wú)法持續(xù)增大，從而達(dá)到有效遏制反向電流的目的。</p><p>　　關(guān)鍵詞：直流-直流變換器 反向電流 脈沖阻止 預(yù)偏置 </p><p><b>　　Abstract</b></p>&

4、lt;p>　　As the society develops and people’s standard of living improves, more and more electronic products are needed in the markets. Due to the demand of sources to power electronic products, it’s crucial to possess

5、a high function and reliability for a power supply. To realize the demand of the public, sources of high efficiency, low power loss, small volume as well as high reliability have represented the general trend, so it’s ne

6、cessary to lucubrate its safety performance. If by any chance, there b</p><p>　　As for the DC-DC converter, with a dinky duty ratio and pre-bias voltage, the circuit can own an increasing reverse output curr

7、ent. Elaborated on the basic theoretical knowledge, to prevent the reverse current increasing problem, when reverse current detected, a pulse blocking circuit is introduced to prevent the freewheel triode from conducting

8、, so as to stop the loop of the reverse current, so the current will be unable to become bigger, that is the purpose to curb the reverse current problem.</p><p>　　Keywords: DC-DC converter reverse current

9、 pulse block pre-bias</p><p><b>　　目錄</b></p><p><b>　　摘要Ⅱ</b></p><p>　　Abstract3</p><p>　　第一章 緒論5</p><p>　　1.1 直流變換器國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r

10、5</p><p>　　1.2 開(kāi)關(guān)電源發(fā)展趨勢(shì)6</p><p>　　第二章 PSPICE仿真平臺(tái)7</p><p>　　2.1 PSPICE發(fā)展與優(yōu)勢(shì)7</p><p><b>　　2.2模擬功能8</b></p><p>　　第三章 DC-DC變換器基本原理10</p>

11、;<p>　　3.1 DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)10</p><p>　　3.1.1 boost型DC-DC轉(zhuǎn)換器10</p><p>　　3.1.2 buck 型DC-DC轉(zhuǎn)換器11</p><p>　　3.1.3 buck/boost型DC-DC轉(zhuǎn)換器12</p><p>　　3.1.4 電源控制技術(shù)13</p&g

12、t;<p>　　3.2 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)14</p><p>　　3.2.1 準(zhǔn)諧振電路18</p><p>　　3.2.2 零開(kāi)關(guān)PWM20</p><p>　　3.3 變換器開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路23</p><p>　　3.3.1 驅(qū)動(dòng)電路要求23</p><p>　　3.3.2幾種MOSFET驅(qū)動(dòng)電

13、路介紹及分析23</p><p>　　第四章 變換器開(kāi)機(jī)問(wèn)題解決方法研究30</p><p>　　4.1 預(yù)偏置時(shí)DC變換器出現(xiàn)的反向電流問(wèn)題30</p><p>　　4.2 預(yù)偏置時(shí)輸出電流理論分析31</p><p>　　4.3 預(yù)偏置開(kāi)機(jī)問(wèn)題的PSpice 軟件模擬32</p><p>　　4.4預(yù)偏置

14、時(shí)開(kāi)機(jī)問(wèn)題解決方案33</p><p>　　4.4.1 添加簡(jiǎn)單脈沖阻止電路34</p><p>　　4.4.2 添加改進(jìn)的脈沖阻止電路35</p><p>　　第五章 結(jié)論38</p><p><b>　　致謝39</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)40&l

15、t;/b></p><p><b>　　第一章 緒論</b></p><p>　　1.1 直流變換器國(guó)內(nèi)外發(fā)展?fàn)顩r</p><p>　　直流-直流變換器是直流電源二次側(cè)核心部分，我國(guó)的直流電源技術(shù)研究，從理論到實(shí)驗(yàn)、仿真，與世界水平比較是不低的，在一些方面還常有突破，但是在產(chǎn)品方面，結(jié)構(gòu)和工藝的差距就明顯了?，F(xiàn)在看來(lái)，我國(guó)電源企業(yè)據(jù)統(tǒng)

16、計(jì)有幾千家。有條件的企業(yè)能實(shí)現(xiàn)整機(jī)系統(tǒng)集成、全自動(dòng)化的生產(chǎn)，產(chǎn)品體積小，具有明顯優(yōu)勢(shì)，若價(jià)格便宜又能大量供貨，自然就會(huì)占領(lǐng)市場(chǎng)。而那些中小企業(yè)或者被兼并或者自然淘汰。 </p><p>　　現(xiàn)在我國(guó)一些大公司生產(chǎn)的直流開(kāi)關(guān)電源，性能完全可以和進(jìn)口產(chǎn)品競(jìng)爭(zhēng)，因而已有一定數(shù)量的出口。在國(guó)內(nèi)的研究領(lǐng)域已出現(xiàn)了一些可喜的動(dòng)向，如對(duì) 0.8V/50A電源模塊的開(kāi)發(fā)研究，合理選擇優(yōu)化的電路拓?fù)涫侵匾?，工藝結(jié)構(gòu)可能更重要。因

17、為如此低的電壓和大電流輸出，如果用器件間的導(dǎo)線聯(lián)接將很難達(dá)到技術(shù)要求，因此迫使原來(lái)作電路拓?fù)溲芯康娜瞬坏貌豢紤]器件的更合理布局，同時(shí)采用集成的工藝結(jié)構(gòu)，以盡量減小內(nèi)部導(dǎo)線的壓降損耗。這也說(shuō)明作電路拓?fù)溲芯康娜藛T，要了解和研究系統(tǒng)集成的知識(shí)。某些境外公司在國(guó)內(nèi)設(shè)置的電源技術(shù)研究開(kāi)發(fā)機(jī)構(gòu)，近年來(lái)也投入技術(shù)力量與資金，成立了系統(tǒng)集成的有關(guān)內(nèi)容，作為應(yīng)用基礎(chǔ)研究的重點(diǎn)，并加大資助強(qiáng)度，這將對(duì)我國(guó)電力電子系統(tǒng)集成的研究起到非常好地導(dǎo)向作用[1]。

18、</p><p>　　自20世紀(jì)50年代，美國(guó)宇航局以小型化重量輕為目標(biāo)而為搭載火箭開(kāi)發(fā)首個(gè)開(kāi)關(guān)電源以來(lái)，在半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展中，開(kāi)關(guān)電源逐步取代了傳統(tǒng)技術(shù)制造的相控穩(wěn)壓電源，并廣泛應(yīng)用于電子整機(jī)設(shè)備中。隨著集成電路的發(fā)展，直流-直流開(kāi)關(guān)電源逐漸向集成化方向發(fā)展，趨于小型化和模塊化。近20年來(lái)，集成開(kāi)關(guān)電源沿兩個(gè)方向發(fā)展。第一個(gè)方向是對(duì)開(kāi)關(guān)電源的控制電路實(shí)現(xiàn)集成化。1977年國(guó)外首先研制成脈寬調(diào)制(PWM)控制器集

19、成電路，美國(guó)Motorola公司、Silicon General公司、Unitrode公司等相繼推出一系列PWM芯片。近些年來(lái)，國(guó)外研制出開(kāi)關(guān)頻率達(dá)1MHz的高速PWM、PFM芯片。第二個(gè)方向是實(shí)現(xiàn)中、小功率開(kāi)關(guān)電源單片集成化。1994年，美國(guó)電源集成公司(Power Integrations)在世界上率先研制成功三端隔離式PWM型單片開(kāi)關(guān)電源，其屬于AC/DC電源變換器。之后相繼推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOP

20、Switch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列產(chǎn)品。意-法半導(dǎo)體公司最近也開(kāi)發(fā)出VIPer100、VIPer100A、</p><p>　　1.2 開(kāi)關(guān)電源發(fā)展趨勢(shì)</p><p>　　目前市場(chǎng)上開(kāi)關(guān)電源中功率管多采用雙極型晶體管，開(kāi)關(guān)頻率可達(dá)幾十千赫，為提高開(kāi)關(guān)頻率，須采用高速開(kāi)關(guān)器件。對(duì)于兆赫以上開(kāi)關(guān)頻率的電源可利用諧振電路，這種工作方式

21、稱(chēng)為諧振開(kāi)關(guān)方式。它可以極大地提高開(kāi)關(guān)速度，理論上開(kāi)關(guān)損耗為零，噪聲也很小，這是提高開(kāi)關(guān)電源工作頻率的一種方式。采用諧振開(kāi)關(guān)方式的兆赫級(jí)變換器已經(jīng)實(shí)用化。直流開(kāi)關(guān)電源的技術(shù)追求和發(fā)展趨勢(shì)可以概括為以下四個(gè)方面。</p><p>　　一、小型化、薄型化、輕量化、高頻化———開(kāi)關(guān)電源的體積、重量主要是由儲(chǔ)能元件（磁性元件和電容）決定的，因此開(kāi)關(guān)電源的小型化實(shí)質(zhì)上就是盡可能減小其中儲(chǔ)能元件的體積；在一定范圍內(nèi)，開(kāi)關(guān)頻率

22、的提高，不僅能有效地減小電容、電感及變壓器的尺寸，而且還能夠抑制干擾，改善系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。因此，高頻化是開(kāi)關(guān)電源的主要發(fā)展方向。</p><p>　　二、高可靠性———開(kāi)關(guān)電源使用的元器件比連續(xù)工作電源少數(shù)十倍，因此提高了可靠性。從壽命角度出發(fā)，電解電容、光耦合器及排風(fēng)扇等器件的壽命決定著電源的壽命。所以，要從設(shè)計(jì)方面著眼，盡可能使用較少的器件，提高集成度。這樣不但解決了電路復(fù)雜、可靠性差的問(wèn)題，也增加了保護(hù)等功

23、能，簡(jiǎn)化了電路，提高了平均無(wú)故障時(shí)間。</p><p>　　三、低噪聲———開(kāi)關(guān)電源的缺點(diǎn)之一是噪聲大。單純地追求高頻化，噪聲也會(huì)隨之增大。采用部分諧振轉(zhuǎn)換回路技術(shù)，在原理上既可以提高頻率又可以降低噪聲。所以，盡可能地降低噪聲影響是開(kāi)關(guān)電源的又一發(fā)展方向。</p><p>　　四、采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)和控制———采用CAA和CDD技術(shù)設(shè)計(jì)最新變換拓?fù)浜妥罴褏?shù)，使開(kāi)關(guān)電源具有最簡(jiǎn)結(jié)構(gòu)和最佳工

24、況。在電路中引入微機(jī)檢測(cè)和控制，可構(gòu)成多功能監(jiān)控系統(tǒng)，可以實(shí)時(shí)檢測(cè)、記錄并自動(dòng)報(bào)警等。</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源的發(fā)展從來(lái)都是與半導(dǎo)體器件及磁性元件等的發(fā)展休戚相關(guān)的。高頻化的實(shí)現(xiàn)，需要相應(yīng)的高速半導(dǎo)體器件和性能優(yōu)良的高頻電磁元件。發(fā)展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，開(kāi)發(fā)高頻用的低損磁性材料，改進(jìn)磁元件的結(jié)構(gòu)及設(shè)計(jì)方法，提高濾波電容的介電常數(shù)及降低其等效串聯(lián)電阻等，對(duì)于開(kāi)關(guān)電源小型化始終產(chǎn)生著巨大的

25、推動(dòng)作用。</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源被譽(yù)為高效能電源，它代表著穩(wěn)壓電源的發(fā)展方向，現(xiàn)已成為穩(wěn)壓電源的主流產(chǎn)品。采用了高頻變壓器和控制集成電路的開(kāi)關(guān)電源更具有效率高、輸出穩(wěn)定、可靠性高等特性，是今后電源的發(fā)展趨勢(shì)。</p><p>　　開(kāi)關(guān)電源產(chǎn)品的主要特點(diǎn)是體積小、重量輕、效率高，正在向著模塊化、擴(kuò)大輸出電壓范圍、提高輸入端功率因數(shù)、抗電磁干擾性強(qiáng)以及附加備用電池的方向發(fā)展。在開(kāi)關(guān)電源

26、領(lǐng)域，正展開(kāi)一系列的技術(shù)更新，例如功率因數(shù)的校正、相位調(diào)制、高頻電源、零電壓和零電流轉(zhuǎn)換以及單片式調(diào)節(jié)器等。這些改進(jìn)，使開(kāi)關(guān)電源的性能和效率大為提高，使其應(yīng)用范圍大大拓寬，尤其是在新興的通信領(lǐng)域大有用武之地[1]。</p><p>　　第二章 PSPICE仿真平臺(tái)</p><p>　　2.1 PSPICE發(fā)展與優(yōu)勢(shì)</p><p>　?。?）起源與發(fā)展 <

27、/p><p>　　用于模擬電路仿真的 SPICE（Simulation Program with Integrated Circuit Emphasis）軟件于1972年由美國(guó)加州大學(xué)伯克利分校的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)小組利用FORTR AN語(yǔ)言開(kāi)發(fā)而成，主要用于大規(guī)模集成電路的計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)。SPICE的正式版SPICE 2G在1975年正式推出，但是該程序的運(yùn)行環(huán)境至少為小型機(jī)。1985年，加州大學(xué)伯克利分校用C語(yǔ)言對(duì)S

28、PICE軟件進(jìn)行了改寫(xiě)， 并由MICROSIM公司推出。1988年SPICE被定為美國(guó)國(guó)家工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。與此同時(shí)，各種以SPICE為核心的商用模擬電路仿真軟件，在SPICE的基礎(chǔ)上做了大量實(shí)用化工作，從而使SPICE成為最為流行的電子電路仿真軟件。</p><p>　　PSPICE采用自由格式語(yǔ)言的5.0版本自80年代以來(lái)在我國(guó)得到廣泛應(yīng)用，并且從6.0版本開(kāi)始引入圖形界面。1998年著名的EDA商業(yè)軟件開(kāi)發(fā)商O(píng)RC

29、AD公司與Microsim公司正 式合并，自此Microsim公司的PSPICE產(chǎn)品正式并入ORCAD公司的商業(yè)EDA系統(tǒng)中。不久之后，ORCAD公司已正式推出了ORCAD PSPICE Release 10.5，與傳統(tǒng)的SPICE軟件相比，PSPICE 10.5在三大方面實(shí)現(xiàn)了重大變革：首先，在對(duì)模擬電路進(jìn)行直流、交流和瞬態(tài)等基本電路特性分析的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了蒙特卡羅分析、最壞情況分析以及優(yōu)化設(shè)計(jì)等較為復(fù)雜的電路特性分析；第二，不但能夠

30、對(duì)模擬電路進(jìn)行，而且能夠?qū)?shù)字電路、數(shù)/模混合電路進(jìn)行仿真；第三，集成度大大提高，電路圖繪制完成后可直接進(jìn)行電路仿真，并且可以隨時(shí)分析觀察仿真結(jié)果。PSPICE軟件的使用已經(jīng)非常流行。在大學(xué)里，它是工科類(lèi)學(xué)生必會(huì)的分析與設(shè)計(jì)電路工具；在公司里，它是產(chǎn)品從設(shè)計(jì)、實(shí)驗(yàn)到定型過(guò)程中不可缺少的設(shè)計(jì)工具。</p><p><b>　?。?）組成</b></p><p>　　PS

31、PICE是計(jì)算機(jī)輔助分析設(shè)計(jì)中的電路模擬軟件。它主要用于所設(shè)計(jì)的電路硬件實(shí)現(xiàn)之前，先對(duì)電路進(jìn)行模擬分析。用戶(hù)根據(jù)要求來(lái)設(shè)置不同的參數(shù)，分析電路的頻率響應(yīng)，測(cè)試電路的瞬態(tài)響應(yīng)，還可以對(duì)電路進(jìn)行交直流分析、噪聲分析、最壞情況分析等，使用戶(hù)的設(shè)計(jì)達(dá)到最優(yōu)效果。一個(gè)新產(chǎn)品的研制過(guò)程需要經(jīng)過(guò)工程估算、試驗(yàn)板搭試、調(diào)整，印刷板排版與制作，裝配與調(diào)試，性能測(cè)試，測(cè)試指標(biāo)不合格，再?gòu)恼{(diào)整開(kāi)始循環(huán)，直至指標(biāo)合格為止。而仿真技術(shù)可將“實(shí)驗(yàn)”與“修改”合二為

32、一。</p><p><b>　?。?） 優(yōu)越性</b></p><p>　　PSPICE軟件具有強(qiáng)大的電路圖繪制功能、電路模擬仿真功能、圖形后處理功能和元器件符號(hào)制作功能，以圖形方式輸入，自動(dòng)進(jìn)行電路檢查，生成圖表，模擬和計(jì)算電路。它的用途非常廣泛，不僅可以用于電路分析和優(yōu)化設(shè)計(jì)，還可用于電子線路、電路和信號(hào)與系統(tǒng)等課程的計(jì)算機(jī)輔助教學(xué)。與印制版設(shè)計(jì)軟件配合使用，還

33、可實(shí)現(xiàn)電子設(shè)計(jì)自動(dòng)化。被公認(rèn)是通用電路模擬程序中最優(yōu)秀的軟件，具有廣闊的應(yīng)用前景。這些特點(diǎn)使得PSPICE受到廣大電子設(shè)計(jì)工作者、科研人員和高校師生的熱烈歡迎，國(guó)內(nèi)許多高校已將其列入電子類(lèi)本科生和碩士生的輔修課程。</p><p>　　在電路系統(tǒng)仿真方面，PSPICE可以說(shuō)獨(dú)具特色，是其他軟件無(wú)法比擬的，它是一個(gè)多功能的電路模擬試驗(yàn)平臺(tái)，PSPICE軟件由于收斂性好，適于做系統(tǒng)及電路級(jí)仿真，具有快速、準(zhǔn)確的仿真能

34、力。</p><p>　　a)圖形界面友好，易學(xué)易用，操作簡(jiǎn)單</p><p>　　由Dos版本的PSPICE到Windows版本的PSPICE，使得該軟件由原來(lái)單一的文本輸入方式而更新升級(jí)為輸入原理圖方式，使電路設(shè)計(jì)更加直觀形象。只要熟悉Windows操作系統(tǒng)就很容易學(xué)，利用鼠標(biāo)和熱鍵一起操作，既提高了工作效率，又縮短了設(shè)計(jì)周期。在PSPICE中，對(duì)元件參數(shù)的修改很容易，它只需存一次盤(pán)、

35、創(chuàng)建一次連接表，就可以實(shí)現(xiàn)一個(gè)復(fù)雜電路的仿真。</p><p>　　b)功能強(qiáng)大，集成度高</p><p>　　在PSPICE內(nèi)集成了許多仿真功能，如：直流分析、交流分析、噪聲分析、溫度分析等 ，用戶(hù)只需在所要觀察的節(jié)點(diǎn)放置電壓（電流）探針，就可以在仿真結(jié)果圖中觀察到其“電壓（或電流）-時(shí)間圖”。而且該軟件還集成了諸多數(shù)學(xué)運(yùn)算，不僅提供基本的數(shù)學(xué)運(yùn)算，還提供了正弦、余弦、絕對(duì)值、對(duì)數(shù)、指數(shù)

36、等基本的函數(shù)運(yùn)算。另外，用戶(hù)還可以對(duì)仿真結(jié)果窗口進(jìn)行編輯，如添加窗口、疊加圖形等 ，還具有保存和打印圖形的功能，這些功能都給用戶(hù)提供了制作所需圖形的一種快捷、簡(jiǎn)便的方法。</p><p><b>　　2.2模擬功能</b></p><p>　　PSPICE程序的主要功能有非線性直流分析、非線性暫態(tài)分析、線性小信號(hào)交流分析、靈敏度分析和統(tǒng)計(jì)分析。</p>

37、<p><b>　?。?） 直流分析</b></p><p>　　非線性直流分析功能簡(jiǎn)稱(chēng)直流分析。它是計(jì)算直流電壓源或直流電流源作用于電路時(shí)電路的工作狀態(tài)。對(duì)電路進(jìn)行的直流分析主要包括直流工作點(diǎn)分析、直流掃描分析和轉(zhuǎn)移函數(shù)分析。</p><p>　　直流工作點(diǎn)是電路正常工作的基礎(chǔ)。通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行直流工作點(diǎn)的分析，可以知道電路中各元件的電壓和電流，從而知道電路

38、是否正常工作以及工作的狀態(tài)。一般在對(duì)電路進(jìn)行仿真的過(guò)程中，首先要對(duì)電路的靜態(tài)工作點(diǎn)進(jìn)行分析和計(jì)算。</p><p>　　直流掃描分析主要是將電路中的直流電源、工作溫度、元件參數(shù)作為掃描變量，讓這些參量以特定的規(guī)律進(jìn)行掃描，從而獲取這些參量變化對(duì)電路各種性能參數(shù)的影響。直流掃描分析主要是為了獲得直流大信號(hào)暫態(tài)特性。</p><p>　　與直流掃描分析相類(lèi)似的還有溫度分析。在這種分析過(guò)程中，將

39、電路的溫度作為掃描變量進(jìn)行分析。因?yàn)殡娐返闹饕骷奶匦远际桥c溫度有關(guān)的，所以這就為分析電路在環(huán)境變化是的工作情況提供了一種非常有用的工具。通過(guò)這種分析，我們可以預(yù)測(cè)電路某些特殊環(huán)境如極端溫度條件或極端電源電壓條件下電路的工作情況，從而在進(jìn)行電路設(shè)計(jì)時(shí)采取必要的預(yù)防措施。</p><p><b>　?。?） 暫態(tài)分析</b></p><p>　　非線性暫態(tài)分析簡(jiǎn)稱(chēng)為暫

40、態(tài)分析。暫態(tài)分析計(jì)算電路中電壓和電流隨時(shí)間的變化，即電路的時(shí)域分析。時(shí)域分析是指在某一函數(shù)激勵(lì)下電路的時(shí)域響應(yīng)特性。通過(guò)時(shí)域分析，設(shè)計(jì)者可以清楚地了解到電路中各點(diǎn)的電壓和電流波形以及它們的相位關(guān)系，從而知道電路在交流信號(hào)作用下的工作狀況，檢查它們是否滿足電路設(shè)計(jì)的要求。</p><p><b>　?。?）交流分析</b></p><p>　　線性小信號(hào)交流分析簡(jiǎn)稱(chēng)為交

41、流分析。它是在交流小信號(hào)的條件下，對(duì)非線性元件選擇合適的線性模型將電路在直流工作點(diǎn)附近線性化，范圍內(nèi)對(duì)電路輸入計(jì)算出電路的幅頻特性、相頻特性、輸入電阻、輸出電阻等。這種分析等效于電路的穩(wěn)態(tài)分析即頻域分析。頻域分析用于分析電路的頻域響應(yīng)即頻率響應(yīng)特性。</p><p>　　小信號(hào)轉(zhuǎn)移特性分析主要分析在小信號(hào)輸入的情況下，電路的各種轉(zhuǎn)移函數(shù)，通常分析的是電路的電壓放大倍數(shù)。</p><p>　

42、　在模擬電路中，無(wú)源器件和有源器件均會(huì)產(chǎn)生噪聲，主要包括電阻上產(chǎn)生的熱噪聲，半導(dǎo)體器件產(chǎn)生的散粒噪聲和閃爍噪聲。通過(guò)噪聲分析可以計(jì)算出各器件在某一輸出節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生的總噪聲以及某一輸入節(jié)點(diǎn)的等效輸入噪聲。從而可以分析一個(gè)電路產(chǎn)生噪聲的主要來(lái)源，采取一定的電路設(shè)計(jì)措施來(lái)減小噪聲的影響。</p><p><b>　?。?） 靈敏度分析</b></p><p>　　靈敏度分析包括

43、直流靈敏度分析和蒙特卡羅分析兩種。</p><p>　　直流靈敏度分析業(yè)稱(chēng)為靈敏度分析。它是在工作點(diǎn)附近將所有的元件線性化后，計(jì)算各元器件參數(shù)值變化時(shí)對(duì)電路性能影響的敏感程度。通過(guò)對(duì)電路進(jìn)行靈敏度分析，可以預(yù)先知道電路中的各個(gè)元件對(duì)電路的性能影響的重要程度。對(duì)于那些對(duì)電路性能有重要影響的元件，要在電路的生產(chǎn)或元件的選擇時(shí)給予特別的關(guān)注。</p><p><b>　?。?）仿真步驟

44、</b></p><p>　　1)放置所需元件（包括電源）；</p><p><b>　　2)連接導(dǎo)線；</b></p><p>　　3)設(shè)定要執(zhí)行的模擬內(nèi)容；</p><p>　　4）設(shè)定Probe；</p><p><b>　　5）執(zhí)行模擬。</b></

45、p><p>　　6）利用Probe觀察模擬結(jié)果。</p><p>　　第三章 DC-DC變換器基本原理</p><p>　　3.1 DC-DC轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)</p><p>　　3.1.1 boost型DC-DC轉(zhuǎn)換器</p><p>　　boost型DC-DC轉(zhuǎn)換器是一種升壓型DC-DC變換電路，輸出電壓大于輸入電壓。VT的

46、占空比Dy必須小于1。輸入電流連續(xù)[2]。</p><p>　　圖1 boost型DC-DC轉(zhuǎn)換器</p><p>　　boost變換器的參數(shù)計(jì)算與器件選擇：流過(guò)電感L的電流最大值</p><p><b>　　(1)</b></p><p>　　其中為輸入電流，為負(fù)載電流，為占空比，為開(kāi)關(guān)頻率。</p>

47、<p>　　開(kāi)關(guān)管VT和續(xù)流二極管D承受的最大電壓為。開(kāi)關(guān)管VT和續(xù)流二極管D的電壓定額為</p><p><b>　　(2) </b></p><p>　　開(kāi)關(guān)管VT和續(xù)流二極管D的電流定額為</p><p><b>　　(3)</b></p><p><b>　　濾波電感的計(jì)

48、算，由</b></p><p><b>　　(4) </b></p><p><b>　　得濾波電感量為</b></p><p><b>　　(5)</b></p><p>　　濾波電容的計(jì)算，如果輸出電壓脈動(dòng)很小，則輸出脈動(dòng)電壓由下式?jīng)Q定：</p>

49、<p><b>　　(6)</b></p><p><b>　　濾波電容量為</b></p><p><b>　　(7)</b></p><p>　　3.1.2 buck 型DC-DC轉(zhuǎn)換器</p><p>　　buck 型DC-DC轉(zhuǎn)換器是一種降壓型DC-DC變換電

50、路，輸出電壓小于或等于輸入電壓。輸入電流斷續(xù)。</p><p>　　圖2 buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器</p><p>　　buck變換器的參數(shù)計(jì)算與器件選擇：流過(guò)電感L的電流最大值</p><p><b>　　(8)</b></p><p>　　其中為負(fù)載電阻，為負(fù)載電流，為占空比，為開(kāi)關(guān)周期。開(kāi)關(guān)管VT和續(xù)流二極管D

51、承受的最大電壓為。開(kāi)關(guān)管VT和續(xù)流二極管D的電壓定額為</p><p><b>　　(9)</b></p><p>　　開(kāi)關(guān)管VT和續(xù)流二極管VD的電流定額為</p><p><b>　　(10)</b></p><p><b>　　濾波電感的計(jì)算，由</b></p>

52、;<p><b>　　(11)</b></p><p><b>　　得濾波電感量為</b></p><p><b>　　(12)</b></p><p>　　當(dāng)=0.5時(shí)，L最大。</p><p>　　濾波電容的計(jì)算，電容C在一個(gè)開(kāi)關(guān)周期內(nèi)的充電電荷為</p

53、><p><b>　　(13)</b></p><p><b>　　輸出脈動(dòng)電壓為</b></p><p><b>　　(14)</b></p><p><b>　　濾波電容量為</b></p><p><b>　　(15)&

54、lt;/b></p><p>　　3.1.3 buck/boost型DC-DC轉(zhuǎn)換器</p><p>　　Buck/Boost型是一種升降壓型DC-DC變換電路，輸出電壓大于或小于輸入電壓。輸出電壓極性和輸入電壓極性相反。輸入電流斷續(xù)[3]。</p><p>　　圖3 buck/boost型轉(zhuǎn)換器</p><p>　　功率開(kāi)關(guān)管 Vt

55、導(dǎo)通時(shí)，隔離二極管 D因承受反向偏壓而關(guān)斷。輸入電源電壓 Uin加在貯能電感 L 兩端，電感電流為</p><p><b>　　(16)</b></p><p>　　功率開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通結(jié)束（t=ton）時(shí)，流過(guò)電感中的電流達(dá)到最大值，即</p><p><b>　　(17)</b></p><p>　　

56、功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷時(shí)，電感兩端產(chǎn)生反向電壓，即下端為正，上端為負(fù)。隔離二極管D因承受正向電壓而導(dǎo)通，忽略 D的正向電壓降，電感兩端的電壓即為輸出電壓 Uo，即</p><p><b>　　(18)</b></p><p>　　功率開(kāi)關(guān)管關(guān)斷期間，電感 L 中的貯能通過(guò)負(fù)載電阻 RL和濾波電容 C 釋放，iL由最大值開(kāi)始下降：</p><p><

57、;b>　　(19)</b></p><p>　　當(dāng) VT關(guān)斷結(jié)束（t=ton+toff）時(shí)，電感電流下降到最小值，即</p><p><b>　　(20)</b></p><p>　　將電感電流的最小值代入表達(dá)式中，可得</p><p><b>　　(21)</b></p&g

58、t;<p>　　由上式可見(jiàn)，當(dāng)占空比 大于 0.5 時(shí)，輸出電壓高于輸入電壓；當(dāng)占空比小于 0.5 時(shí)，輸出電壓低于輸入電壓，因此，該電路稱(chēng)為升壓/降壓型 DC-DC 轉(zhuǎn)換器[4]。</p><p>　　3.1.4 電源控制技術(shù)</p><p>　　（1） PWM控制 </p><p>　　PWM控制就是對(duì)脈沖的寬度進(jìn)行調(diào)制的技術(shù)。即通過(guò)對(duì)一系列脈沖

59、的寬度進(jìn)行調(diào)制來(lái)等效地獲得所需要波形(含形狀和幅值)。在采樣控制理論中有一條重要的結(jié)論：沖量相等而形狀不同的窄脈沖加在慣性環(huán)節(jié)上時(shí)，其效果基本相同，沖量即窄脈沖的面積。效果基本相同是指環(huán)節(jié)的輸出響應(yīng)波形基本相同。上述原理稱(chēng)為面積等效原理。以正弦PWM控制為例。把正弦半波分成N等分，就可把其看成是N個(gè)彼此相連的脈沖列所組成的波形。這些脈沖寬度相等，都等于 N，但幅值不等且脈沖頂部不是水平直線而是曲線，各脈沖幅值按正弦規(guī)律變化。如

60、果把上述脈沖列利用相同數(shù)量的等幅而不等寬的矩形脈沖代替，使矩形脈沖的中點(diǎn)和相應(yīng)正弦波部分的中點(diǎn)重合，且使矩形脈沖和相應(yīng)的正弦波部分面積(沖量)相等，就得到PWM波形。各PWM脈沖的幅值相等而寬度是按正弦規(guī)律變化的。根據(jù)面積等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。對(duì)于正弦波的負(fù)半周，也可以用同樣的方法得到PWM波形?？梢?jiàn)，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。</p><p><b>　?。?）PFM

61、控制</b></p><p>　　PFM是一種脈沖調(diào)制技術(shù)，調(diào)制信號(hào)的頻率隨輸入信號(hào)幅值而變化，其占空比不變。由于調(diào)制信號(hào)通常為頻率變化的方波信號(hào)，因此，PFM也叫做方波FM，PWM是頻率的寬和窄的變化,PFM是頻率的有和無(wú)的變化, PWM是利用波脈沖寬度控制輸出,PFM是利用脈沖的有無(wú)控制輸出.其中PWM是目前應(yīng)用在開(kāi)關(guān)電源中最為廣泛的一種控制方式，它的特點(diǎn)是噪音低、滿負(fù)載時(shí)效率高且能工作在連續(xù)導(dǎo)電

62、模式，現(xiàn)在市場(chǎng)上有多款性能好、價(jià)格低的PWM集成芯片，如UCl842／2842／3842、TDAl6846、TL494、SGl525／2525／3525等；PFM具有靜態(tài)功耗小的優(yōu)點(diǎn)，但它沒(méi)有限流的功能也不能工作于連續(xù)導(dǎo)電方式，具有PFM功能的集成芯片有MAX641、TL497等；</p><p>　　其基本工作原理就是當(dāng)輸出電壓Vo升高時(shí)，控制器輸出信號(hào)的脈沖寬度不變而周期變長(zhǎng)，使占空比減小，Vo降低。最近幾年

63、PFM控制方式在開(kāi)關(guān)電源中使用日益增多，具有以下優(yōu)點(diǎn)：在輕負(fù)載下效率很高，工作頻率高，頻率特性好，電壓調(diào)整率高。存在以下缺點(diǎn)：負(fù)載調(diào)整范圍窄，濾波成本高[5]。</p><p>　　（3） PWM/PFM控制</p><p>　　對(duì)于額定功率時(shí)工作在PWM模式的開(kāi)關(guān)電源，也可以通過(guò)切換至PFM模式提高待機(jī)效率，即固定開(kāi)通時(shí)間，調(diào)節(jié)關(guān)斷時(shí)間，負(fù)載越低，關(guān)斷時(shí)間越長(zhǎng)，工作頻率也越低。將待機(jī)信號(hào)

64、加在其PW/引腳上，在額定負(fù)載條件下，該引腳為高電平，電路工作在PWM模式，當(dāng)負(fù)載低于某個(gè)閾值時(shí)，該引腳被拉為低電平，電路工作在PFM模式。實(shí)現(xiàn)PWM和PFM的切換，也就提高了輕載和待機(jī)狀態(tài)時(shí)的電源效率。通過(guò)降低時(shí)鐘頻率和切換工作模式實(shí)現(xiàn)降低待機(jī)工作頻率，提高待機(jī)效率，可保持控制器一直在運(yùn)作，在整個(gè)負(fù)載范圍中，輸出都能被妥善的調(diào)節(jié)。即使負(fù)載從零激增至滿負(fù)載的情況下，能夠快速反應(yīng)，反之亦然。輸出電壓降和過(guò)沖值都保持在允許范圍內(nèi)[7]。&l

65、t;/p><p><b>　　（4） PSM控制</b></p><p>　　PSM調(diào)制方式是開(kāi)關(guān)電源中一種新的控制方式，稱(chēng)為脈沖跨周調(diào)制。將負(fù)載端反饋信號(hào)轉(zhuǎn)換為數(shù)字電平，在時(shí)鐘上升沿檢測(cè)該反饋信號(hào)電平?jīng)Q定是否在該時(shí)鐘周期內(nèi)工作，調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的導(dǎo)通時(shí)間，從而穩(wěn)定輸出電壓。其工作波為</p><p>　　圖4 PSM工作波形</p>&

66、lt;p>　　目前PSM控制方式已經(jīng)用于開(kāi)關(guān)電源，具有以下優(yōu)點(diǎn)：在負(fù)載較輕時(shí)率很高，工作頻率高，頻率特性好，功率管開(kāi)關(guān)次數(shù)少，適用于小功率電源管理IC。存在如下缺點(diǎn)：輸出紋波大，輸入電壓調(diào)整能力弱[6]。</p><p><b>　　3.2 軟開(kāi)關(guān)技術(shù)</b></p><p>　　開(kāi)關(guān)分為軟開(kāi)關(guān)和硬開(kāi)關(guān)，其中硬開(kāi)關(guān)的特點(diǎn)為：開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流均不為零，出現(xiàn)了重

67、疊，有顯著的開(kāi)關(guān)損耗。電壓和電流變化的速度很快，波形出現(xiàn)了明顯的過(guò)沖，從而產(chǎn)生了開(kāi)關(guān)噪聲。如圖開(kāi)關(guān)損耗與開(kāi)關(guān)頻率之間呈線性關(guān)系，因此當(dāng)硬電路的工作頻率不太高時(shí)，開(kāi)關(guān)損耗占總損耗的比例并不大，但隨著開(kāi)關(guān)頻率的提高，開(kāi)關(guān)損耗就越來(lái)越顯著。硬開(kāi)關(guān)電路及其導(dǎo)通與關(guān)斷過(guò)程波形圖如圖5至圖8所示[7]。</p><p>　　圖5 硬開(kāi)關(guān)降壓型電路圖 </p><p>　　圖6 硬開(kāi)關(guān)降壓型理想化波

68、形 </p><p>　　圖7 硬開(kāi)關(guān)關(guān)斷過(guò)程 </p><p>　　圖8 硬開(kāi)關(guān)開(kāi)通過(guò)程</p><p>　　對(duì)應(yīng)的軟開(kāi)關(guān)電路圖如圖9所示。</p><p>　　圖9 軟開(kāi)關(guān)降壓型電路圖</p><p>　　其特點(diǎn)：軟開(kāi)關(guān)電路中增加了諧振電感Lr和諧振電容Cr，與濾波電感L、電容C相比，Lr和Cr的值

69、小得多，同時(shí)開(kāi)關(guān)S增加了反并聯(lián)二極管，而硬開(kāi)關(guān)電路中不需要這個(gè)二極管。降壓型零電壓開(kāi)關(guān)準(zhǔn)諧振電路中，在開(kāi)關(guān)過(guò)程前后引入諧振，使開(kāi)關(guān)開(kāi)通前電壓先降到零，關(guān)斷前電流先降到零，消除了開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓、電流的重疊，從而大大減小甚至消除開(kāi)關(guān)損耗，同時(shí)，諧振過(guò)程限制了開(kāi)關(guān)過(guò)程中電壓和電流的變化率，這使得開(kāi)關(guān)噪聲也顯著減小。其電壓、電流波形圖如圖10至圖12所示[8]。 </p><p><b>　　圖10 理想化波形

70、</b></p><p>　　圖11 軟開(kāi)關(guān)關(guān)斷過(guò)程 </p><p>　　圖12 軟開(kāi)關(guān)開(kāi)通過(guò)程 </p><p>　　3.2.1 準(zhǔn)諧振電路</p><p>　?。?） 零電壓準(zhǔn)諧振</p><p>　　在基本Buck變換器電路中加入Lr、Cr，變成并聯(lián)電容型零電壓開(kāi)關(guān)，構(gòu)成零電壓型準(zhǔn)諧振Buck

71、變換器，如下圖所示。</p><p>　　圖13 零電壓型準(zhǔn)諧振Buck變換電路</p><p>　　零電壓型準(zhǔn)諧振Buck變換器也可分為六個(gè)工作階段，如圖14所示。</p><p>　　圖14 零電壓準(zhǔn)諧振工作波形圖</p><p>　　選擇開(kāi)關(guān)VT1的關(guān)斷時(shí)刻為起始點(diǎn)。</p><p>　　t0之前，開(kāi)關(guān)管Q1處

72、于導(dǎo)通狀態(tài)，二極管D處于截止?fàn)顟B(tài)，Cr上的電壓UCr=0，流過(guò)Lr的電流為輸出電流Io。</p><p>　　t0-t1階段，開(kāi)關(guān)管VT1在t0時(shí)刻關(guān)斷，輸出電流Io流過(guò)電容Cr，對(duì)Cr充電，Cr兩端的電壓VCr線性上升，二極管D還是處于截止?fàn)顟B(tài)，D兩端的電壓UD下降。當(dāng)VCr上升到輸入電壓Uin時(shí)，二極管D兩端的電壓UD下降到零，D導(dǎo)通，這個(gè)階段結(jié)束。</p><p>　　t1-t2階段

73、，t1時(shí)刻VCr=Uin，UD=0，二極管D導(dǎo)通，電感Lr和電容Cr開(kāi)始諧振，開(kāi)關(guān)管VT1上的電壓UCr為正弦波，UCr上升，iLr下降。當(dāng)UCr諧振到峰值，iLr下降到零，這個(gè)階段結(jié)束。 </p><p>　　t2-t3階段，t2時(shí)刻，iLr=0，LrCr繼續(xù)諧振，iLr改變方向，UCr下降，當(dāng)UCr=Vin時(shí)，iLr達(dá)到反向諧振峰值，這個(gè)階段結(jié)束。

74、 </p><p>　　t3-t4階段，t3時(shí)刻以后，UCr繼續(xù)下降，iLr反向減小，直到UCr=0，這個(gè)階段結(jié)束。</p><p>　　t4-t5階段，UCr箝位在零，Q1的反并聯(lián)二極管VD導(dǎo)通，iLr反向線性減小，直到iLr=0，這個(gè)階段結(jié)束。這個(gè)階段Q1在零電壓導(dǎo)通。 </

75、p><p>　　t5-t6階段，Q1已導(dǎo)通，iLr線性上升，直到t6時(shí)刻，iLr=Io，D關(guān)斷。一個(gè)周期結(jié)束。</p><p>　　調(diào)節(jié)這個(gè)時(shí)間段長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)輸出電壓，這種調(diào)節(jié)方式也是調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)周期實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，不過(guò)是Q1的關(guān)斷時(shí)間固定，不能小于t0-t4時(shí)間段[9]。</p><p>　?。?） 零電流準(zhǔn)諧振</p><p>　　在基本Buck變換器電

76、路中加入Lr、Cr，變成串聯(lián)電感型零電流開(kāi)關(guān)，構(gòu)成零電流型準(zhǔn)諧振Buck變換器，如圖15所示。在分析過(guò)程中，假定電感Lf很大，輸出電流為恒電流Io。其工作波形如圖16所示。</p><p>　　圖15 零電流型準(zhǔn)諧振Buck變換電路</p><p>　　圖16 零電流型準(zhǔn)諧振工作波形圖</p><p>　　t0-t1階段，開(kāi)關(guān)管Q1在t0時(shí)刻導(dǎo)通，由于電感Lr的作

77、用，Q1在零電流下導(dǎo)通。由于iLr<Io，iLr 在Vin的作用下線性上升。t1時(shí)刻，iLr上升到輸出電流Io，這個(gè)階段結(jié)束。 </p><p>　　t1-t2階段，t1時(shí)刻，iLr上升到輸出電流Io，二極管D截止，電感Lr和電容Cr開(kāi)始諧振，通過(guò)開(kāi)關(guān)管Q1上的電流iLr近似為正弦波，加在二極管VD上的電壓和諧振電容上的電壓一樣，也是正弦波，其峰值達(dá)到兩倍的輸入電壓。iLr上升后下降，ta時(shí)刻，iLr下降到

78、零后，iLr通過(guò)Q1的反并聯(lián)二極管VD繼續(xù)向反方向諧振，并將能量反饋給輸入電源。tb時(shí)刻當(dāng)iLr再次諧振回到零，這個(gè)階段結(jié)束。在ta到tb時(shí)間段內(nèi)，VT1是以零電流關(guān)斷。</p><p>　　t2-t3階段，在這一個(gè)時(shí)間段，開(kāi)關(guān)管Q1已斷開(kāi)，二極管D還處于截止?fàn)顟B(tài)，輸出電流Io通過(guò)Cr流通，電容Cf處于線性放電狀態(tài)。</p><p>　　t3-t4階段，t3時(shí)刻Cr上的電壓為零，二極管D導(dǎo)

79、通，輸出電流Io通過(guò)二極管D續(xù)流，電容電壓被箝位在零，這時(shí)有：iLr=0。VCr=0。這個(gè)時(shí)間段長(zhǎng)度取決于開(kāi)關(guān)周期。調(diào)節(jié)這個(gè)時(shí)間段長(zhǎng)度可調(diào)節(jié)輸出電壓，這種調(diào)節(jié)方式是調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)周期實(shí)現(xiàn)調(diào)壓，也就是調(diào)頻調(diào)壓。Q1的導(dǎo)通時(shí)間固定，不能小于t0-ta時(shí)間段。</p><p>　　3.2.2 零開(kāi)關(guān)PWM</p><p>　　零開(kāi)關(guān) PWM 轉(zhuǎn)換器可分為零電壓開(kāi)關(guān) PWM 轉(zhuǎn)換器和零電流開(kāi)關(guān)PWM 轉(zhuǎn)

80、換器[10]。該類(lèi)轉(zhuǎn)換器是在準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器的基礎(chǔ)上，加入一個(gè)輔助開(kāi)關(guān)管，來(lái)控制諧振元件的諧振過(guò)程，實(shí)現(xiàn)恒定頻率控制，即實(shí)現(xiàn) PWM 控制。與準(zhǔn)諧振轉(zhuǎn)換器不同的是，諧振元件的諧振工作時(shí)間與開(kāi)關(guān)周期相比很短，一般為開(kāi)關(guān)周期的1/10~1/5。</p><p><b>　　零電壓開(kāi)關(guān)PWM：</b></p><p>　　下圖為零電壓開(kāi)關(guān)PWM電路圖</p>&l

81、t;p>　　圖17 零電壓開(kāi)關(guān)PWM</p><p>　　其中，VT1為主開(kāi)關(guān)管，VT2為輔助開(kāi)關(guān)管，Lr與 Cr分別為諧振電感與諧振電容。下圖為該轉(zhuǎn)換器在一個(gè) PWM 周期內(nèi)的工作波形：</p><p>　　圖18 零電壓PWM一個(gè)周期工作波形圖</p><p>　　ZVS PWM 轉(zhuǎn)換器可以實(shí)現(xiàn)恒頻控制的 ZVS，而且電流應(yīng)力小，但電壓應(yīng)力較大。由于電感串

82、聯(lián)在主回路中，實(shí)現(xiàn) ZVS 的條件與電源電壓及負(fù)載的變化有關(guān)。</p><p><b>　　零電流開(kāi)關(guān)PWM：</b></p><p>　　下圖為零電流PWM轉(zhuǎn)換器電路圖</p><p>　　圖19 零電流PWM轉(zhuǎn)換器</p><p>　　其中，VT1為主開(kāi)關(guān)管，VT2為輔助開(kāi)關(guān)管，VDT1和 VDT2分別為與主開(kāi)關(guān)管

83、與輔助開(kāi)關(guān)管反并聯(lián)的場(chǎng)效應(yīng)管的體內(nèi)二極管，Lr與 Cr分別為諧振電感與諧振電容。下圖為該轉(zhuǎn)換器在一個(gè) PWM 周期內(nèi)的工作波形：</p><p>　　圖20 零電流PWM一個(gè)周期工作波形圖</p><p>　　Buck 型 ZCS-PWM 電路的最大優(yōu)點(diǎn)是實(shí)現(xiàn)了恒頻控制的 ZCS 工作方式，且主開(kāi)關(guān)管與輔助開(kāi)關(guān)管的電壓應(yīng)力小，在一個(gè)周期內(nèi)承受的最大電壓為電源電壓，但續(xù)流二極管承受的電壓應(yīng)力

84、較大，最大時(shí)為兩倍的電源電壓，而且由于諧振電感在主電路中，使得實(shí)現(xiàn) ZCS 的條件與電源電壓和負(fù)載變化有關(guān)[11]。</p><p>　　3.3 變換器開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　3.3.1 驅(qū)動(dòng)電路要求</p><p>　　直流開(kāi)關(guān)電源由于體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點(diǎn),應(yīng)用已越來(lái)越普及。MOSFET由于開(kāi)關(guān)速度快、易并聯(lián)、所需驅(qū)動(dòng)功率低等優(yōu)點(diǎn)已成為開(kāi)關(guān)電

85、源最常用的功率開(kāi)關(guān)器件之一。而驅(qū)動(dòng)電路的好壞直接影響開(kāi)關(guān)電源工作的可靠性及性能指標(biāo)。一個(gè)好的MOSFET驅(qū)動(dòng)電路的要求是：（1）開(kāi)關(guān)管開(kāi)通瞬時(shí),驅(qū)動(dòng)電路應(yīng)能提供足夠大的充電電流使MOSFET柵源極間電壓迅速上升到所需值,保證開(kāi)關(guān)管能快速開(kāi)通且不存在上升沿的高頻振蕩;（2）開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通期間驅(qū)動(dòng)電路能保證MOSFET柵源極間電壓保持穩(wěn)定使可靠導(dǎo)通;（3）關(guān)斷瞬間驅(qū)動(dòng)電路能提供一個(gè)盡可能低阻抗的通路供MOSFET柵源極間電容電壓的快速泄放

86、,保證開(kāi)關(guān)管能快速關(guān)斷;（4）關(guān)斷期間驅(qū)動(dòng)電路最好能提供一定的負(fù)電壓避免受到干擾產(chǎn)生誤導(dǎo)通;</p><p>　　（5）另外要求驅(qū)動(dòng)電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,損耗小,最好有隔離[12]。 </p><p>　　3.3.2幾種MOSFET驅(qū)動(dòng)電路介紹及分析 (1) 不隔離的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　(a) 簡(jiǎn)單的小功率驅(qū)動(dòng)

87、電路 （b）開(kāi)關(guān)速度要求較高的驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　　圖21 常用的不隔離的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路 圖21（a）為常用的小功率驅(qū)動(dòng)電路,簡(jiǎn)單可靠成本低。適用于不要求隔離的小功率開(kāi)關(guān)設(shè)備。圖21(b)所示驅(qū)動(dòng)電路開(kāi)關(guān)速度很快,驅(qū)動(dòng)能力強(qiáng),為防止倆個(gè)MOSFET管直通,通常串接一個(gè)0.5～1Ω小電阻用于限流,該電路適用于不要求隔離的中功率開(kāi)關(guān)設(shè)備。這兩種電路結(jié)構(gòu)特簡(jiǎn)單[13]。功率MOSFET屬于電壓型控制器件

88、,只要柵極和源極之間施加的電壓超過(guò)其閾值電壓就會(huì)導(dǎo)通。由于MOSFET存在結(jié)電容,關(guān)斷時(shí)其漏源兩端電壓的突然上升將會(huì)通過(guò)結(jié)電容在柵源兩端產(chǎn)生干擾電壓。常用的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路的關(guān)斷回路阻抗小,關(guān)斷速度較快,但它不能提供負(fù)壓,故其抗干擾性較差。為了提高電路的抗干擾性,可在此種驅(qū)動(dòng)電路的基礎(chǔ)上增加一級(jí)由V1、V2、R組成的電路,產(chǎn)生一個(gè)負(fù)壓,電路原理圖如圖22(a)所示。 </p><p>　　(a) 雙電源互補(bǔ)驅(qū)動(dòng) （

89、b）單電源互補(bǔ)驅(qū)動(dòng) </p><p>　　圖22 提供負(fù)壓的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)</p><p>　　當(dāng)V1導(dǎo)通時(shí),V2關(guān)斷,兩個(gè)MOSFET中的上管的柵、源極放電,下管的柵、源極充電,即上管關(guān)斷、下管導(dǎo)通,則被驅(qū)動(dòng)的功率管關(guān)斷;反之V1關(guān)斷時(shí),V2導(dǎo)通,上管導(dǎo)通,下管關(guān)斷,使驅(qū)動(dòng)的管子導(dǎo)通。因?yàn)樯舷聝蓚€(gè)管子的柵、源極通過(guò)不同的回路棄、放電,包含有V2的回路由于V2會(huì)不斷退出飽和直至關(guān)斷,對(duì)

90、于S1而言導(dǎo)通比關(guān)斷要慢,對(duì)于S2而言導(dǎo)通比關(guān)斷要快,而兩管發(fā)熱程度也不完全一樣,S1比S2要嚴(yán)重。該驅(qū)動(dòng)電路的缺點(diǎn)是需要雙電源,且由于R的取值不能過(guò)大,否則會(huì)使V1深度飽和,影響關(guān)斷速度,所以R上會(huì)有一定的損耗。還有一種與其相類(lèi)似的電路如圖22(b)所示,改進(jìn)之處在于它只需要單電源。其產(chǎn)生的負(fù)壓由5.2V的穩(wěn)壓管提供。同時(shí)PNP管換成NPN管。在該電路中的兩個(gè)MOSFET中,上管的發(fā)熱情況要比下管較輕,其工作原理同上面分析的驅(qū)動(dòng)電

91、路</p><p>　　(2) 隔離的驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　?。╝）正激式驅(qū)動(dòng)電路 （b）等值電路 圖23 正激式驅(qū)動(dòng)電路</p><p>　?。╝） 去磁繞組導(dǎo)通 （b）去磁繞組不導(dǎo)通</p><p>　　圖24 正激式驅(qū)動(dòng)電路工作波形</p><p>

92、　　正激式驅(qū)動(dòng)電路 電路原理圖如圖23(a)所示,N3為去磁繞組,S2為所驅(qū)動(dòng)的功率管。R2為防止功率管柵極、源極端電壓振蕩的一個(gè)阻尼電阻。因變壓器漏感較小,且從速度方面考慮,一般R2較小,故在分析中忽略不計(jì)。其工作波形分為兩種情況,一種為去磁繞組導(dǎo)通的情況,見(jiàn)圖24（a）;一種為去磁繞組不導(dǎo)通的情況,見(jiàn)圖24(b)。等值電路圖如圖23(b)所示,脈沖變壓器的副邊并聯(lián)—電阻R1,它做為正激式變換器的假負(fù)載,用于消除關(guān)斷期間輸出電壓

93、發(fā)生振蕩而誤導(dǎo)通,見(jiàn)圖25[14]。</p><p>　　圖25 正激式驅(qū)動(dòng)不加負(fù)載時(shí)的實(shí)驗(yàn)波形</p><p>　　同時(shí)它還可作為功率MOSFET關(guān)斷時(shí)的能量泄放回路。該驅(qū)動(dòng)電路的導(dǎo)通速度主要與被驅(qū)動(dòng)的S2柵源極等效輸入電容的大小、S1的驅(qū)動(dòng)信號(hào)的速度以及S1所能提供的電流大小有關(guān)。由仿真及分析可知,占空比D越小、R1越大、L越大,磁化電流越小,U1值越小,關(guān)斷速度越慢。該電路具有

94、以下優(yōu)點(diǎn)：①電路結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠,實(shí)現(xiàn)了隔離驅(qū)動(dòng)。②只需單電源即可提供導(dǎo)通時(shí)正、關(guān)斷時(shí)負(fù)壓。③占空比固定時(shí),通過(guò)合理的參數(shù)設(shè)計(jì),此驅(qū)動(dòng)電路也具有較快的開(kāi)關(guān)速度。該電路存在的缺點(diǎn)：一是由于隔離變壓器副邊需要一個(gè)假負(fù)載防震蕩,故該電路損耗較大;二是當(dāng)占空比變化時(shí)關(guān)斷速度變化加大。脈寬較窄時(shí),由于是貯存的能量減少導(dǎo)致MOSFET柵極的關(guān)斷速度變慢。表1為不同占空比時(shí)關(guān)斷時(shí)間toff（驅(qū)動(dòng)電壓從10伏下降到0伏的時(shí)間）內(nèi)變化情況。表1不同占空比時(shí)

95、toff的變化情況</p><p>　　（a）D<0.5 （b） D>0.5 </p><p>　　圖26 有隔離變壓器的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)</p><p>　　b. 有隔離變壓器的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)電路 如圖26(a)所示,V1、V2為互補(bǔ)工作,電容C起隔離直流的作用,T1為高頻、高磁率的磁環(huán)或磁罐。占空比D<0.5,導(dǎo)通時(shí)隔離變壓器上

96、的電壓為(1－D)Ui、關(guān)斷時(shí)為DUi,若主功率管S可靠導(dǎo)通電壓為12V,則隔離變壓器原副邊匝比N1/N2為12/(1－D)/Ui。為保證導(dǎo)通期間GS電壓穩(wěn)定C值可稍取大些。實(shí)驗(yàn)波形見(jiàn)圖27(a)。該電路具有以下優(yōu)點(diǎn)：①電路結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)單可靠,具有電氣隔離作用。當(dāng)脈寬變化時(shí),驅(qū)動(dòng)的關(guān)斷能力不會(huì)隨著變化。②該電路只需一個(gè)電源,即為單電源工作。隔直電容C的作用可以在關(guān)斷所驅(qū)動(dòng)的管子時(shí)提供一個(gè)負(fù)壓,從而加速了功率管的關(guān)斷,且有較高的抗干擾能力

97、。</p><p>　?。╝）D<0.5 (b)D>0.5 圖27 有隔離變壓器的互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)的實(shí)驗(yàn)波形</p><p>　　但該電路所存在的一個(gè)較大缺點(diǎn)是輸出電壓的幅值會(huì)隨著占空比的變化而變化。當(dāng)D較小時(shí),負(fù)向電壓小, 該電路的抗干擾性變差,且正向電壓較高,應(yīng)該注意使其幅值不超過(guò)MOSFET柵極的允許電壓。當(dāng)D大于0.5時(shí)驅(qū)

98、動(dòng)電壓正向電壓小于其負(fù)向電壓,此時(shí)應(yīng)該注意使其負(fù)電壓值不超過(guò)MOSFET柵極的允許電壓。所以該電路比較適用于占空比固定或占空比變化范圍不大以及占空比小于0.5的場(chǎng)合。 圖26(b)為占空比大于0.5時(shí)適用的驅(qū)動(dòng)電路,其中Z2為穩(wěn)壓二極管,此時(shí)副邊繞組負(fù)電壓值較大,Z2的穩(wěn)壓值為所需的負(fù)向電壓值,超過(guò)部分電壓降在電容C2上,其實(shí)驗(yàn)波形見(jiàn)圖27(b)[15]。</p><p>　　變換器開(kāi)機(jī)問(wèn)題解決方法研究

99、</p><p>　　4.1 預(yù)偏置時(shí)DC變換器出現(xiàn)的反向電流問(wèn)題</p><p>　　隨著電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)和信息技術(shù)的飛速發(fā)展，低壓、大電流的DSP、微處理器等大規(guī)模集成芯片越來(lái)越多的應(yīng)用到各個(gè)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中，導(dǎo)致：</p><p>　　1、 能大大提高DC/DC開(kāi)關(guān)電源的效率和熱性能的同步整流器已經(jīng)廣泛的應(yīng)用到各種DC/DC開(kāi)關(guān)電源中。</p>

100、<p>　　2. 系統(tǒng)必須有不同的電壓同時(shí)供電，使電路在有預(yù)偏置時(shí)由于同步整流的存在，產(chǎn)生輸出啟動(dòng)波形不單調(diào)、重新啟動(dòng)或甚至損壞模塊的現(xiàn)象。</p><p>　　在直流-直流變換器領(lǐng)域，普遍采用同步整流技術(shù)，但是采用同步整流技術(shù)的直流-直流變換器中的能量能夠雙向流動(dòng)，比如buck變換器，當(dāng)輸出電壓大于輸入電壓與占空比的乘積時(shí)，電流將會(huì)由輸出端流向輸入端，如果把buck變換器的輸入端看做輸出端，而

101、把輸出端看做輸入端，此時(shí)，buck變換器實(shí)際上是一個(gè)boost變換器。</p><p>　　電流反向流動(dòng)的現(xiàn)象普遍存在，在實(shí)際應(yīng)用中可能造成問(wèn)題，尤其是變換器在預(yù)偏置的情況下開(kāi)機(jī)時(shí)，即在變換器輸出端已經(jīng)存在一定電壓的情況下開(kāi)機(jī)時(shí)，反向電流可能會(huì)非常大，因?yàn)樵诖蟛糠肿儞Q器中，為了獲得平滑的啟動(dòng)效果，會(huì)設(shè)置軟啟動(dòng)電路，使變換器開(kāi)機(jī)后變換器內(nèi)驅(qū)動(dòng)電壓的占空比逐漸增大，所以在變換器剛開(kāi)機(jī)時(shí)驅(qū)動(dòng)電壓的占空比很小，此時(shí)就會(huì)產(chǎn)

102、生反向電流，在驅(qū)動(dòng)電壓的占空比增大到足以使輸入電壓和輸出電壓達(dá)到平衡之前，反向電流會(huì)不斷增大，反向電流太大可能會(huì)造成變換器的器件應(yīng)力過(guò)大而導(dǎo)致失效，縮短直流-直流變換器的使用壽命。此外，也會(huì)造成輸出電壓跌落過(guò)大而導(dǎo)致負(fù)載電路不能保持正常運(yùn)行。</p><p>　　4.2 預(yù)偏置時(shí)輸出電流理論分析</p><p>　　圖28 經(jīng)典BUCK變換器 </p><p>　　

103、如圖28所示，大部分變換器為了獲得平滑啟動(dòng)的效果，會(huì)設(shè)置軟啟動(dòng)電路，使開(kāi)機(jī)后變換器開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)電壓占空比從一個(gè)很小值逐漸增大[14]。由于Q1和Q2驅(qū)動(dòng)電壓信號(hào)相反，啟動(dòng)階段，在如圖的開(kāi)關(guān)管Q1導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓約等于輸入電壓，輸入電壓大于預(yù)偏置電壓，此時(shí)，輸出電流為正向，即圖中IL所示方向。開(kāi)關(guān)管Q1關(guān)斷時(shí)，偏置電壓可以看做電壓源，此時(shí)由于開(kāi)關(guān)管Q2導(dǎo)通，電源通過(guò)電感L和開(kāi)關(guān)管Q2放電，電流IL從Q1關(guān)斷時(shí)刻的電流值開(kāi)始減小。因?yàn)閱?dòng)時(shí)

104、驅(qū)動(dòng)電壓占空比很小，一個(gè)周期內(nèi)，低電平持續(xù)的時(shí)間比高電平持續(xù)的時(shí)間多的多， 導(dǎo)致一個(gè)周期結(jié)束，即下一次Q1導(dǎo)通，Q2關(guān)斷時(shí)，電流IL為負(fù)值，然后在Q1導(dǎo)通、Q2關(guān)斷整個(gè)階段，輸入電壓經(jīng)過(guò)Q1和電感L放電，電流有恢復(fù)正向流動(dòng)的趨勢(shì)，IL反向電流減小。但是因?yàn)轵?qū)動(dòng)電壓占空比很小，直到Q1導(dǎo)通結(jié)束時(shí)，電流IL還沒(méi)有恢復(fù)到正向，此后Q1又關(guān)斷，Q2又導(dǎo)通，電流在還沒(méi)有恢復(fù)到正向的情況下，又開(kāi)始反向增大。以此類(lèi)推，輸出電流IL在Q1與Q2的交替導(dǎo)

105、通與關(guān)斷中，不斷反向增大，導(dǎo)致啟動(dòng)結(jié)束時(shí)，輸出的反向電流很大，理論分析輸出電流IL波形如圖29所示。</p><p>　　圖29 輸出電流理論波形</p><p>　　從圖中可以 看出，剛開(kāi)機(jī)階段，電路輸出電流為正，由于占空比較小，正向電流只維持非常短的時(shí)間，此后電流會(huì)反向流動(dòng)，并逐漸反向增大，這種情況下，如果不能及時(shí)采取措施限制反向電流，極有可能對(duì)電路造成很大影響。</p>

106、<p>　　4.3 預(yù)偏置開(kāi)機(jī)問(wèn)題的PSpice 軟件模擬</p><p>　　buck變換器的PSPICE環(huán)境下的仿真電路如圖30所示。開(kāi)關(guān)管Q1、Q2驅(qū)動(dòng)電壓波形如圖31、圖32所示。</p><p>　　圖30 PSpice 中buck變換器原理圖</p><p>　　圖30所示電路中，Q1為變換器主開(kāi)關(guān)管，Q2為續(xù)流開(kāi)關(guān)管，Q1和Q2的驅(qū)動(dòng)脈&

107、lt;/p><p>　　沖占空比之和為1，L1為輸出電感，流過(guò)電感的電流為輸出電流IL。</p><p>　　圖31 Q1驅(qū)動(dòng)電壓波形</p><p>　　如圖31所示，開(kāi)機(jī)時(shí)，主開(kāi)關(guān)管驅(qū)動(dòng)脈沖占空比非常小，每個(gè)周期內(nèi)導(dǎo)通時(shí)間較短，大部分時(shí)間處于關(guān)斷狀態(tài)。</p><p>　　如圖32所示，續(xù)流開(kāi)關(guān)管Q2的驅(qū)動(dòng)脈沖占空比較大，每個(gè)周期內(nèi)大部分處

108、于導(dǎo)通狀態(tài)。由于預(yù)偏置電壓的存在，續(xù)流開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)間很長(zhǎng)，導(dǎo)致預(yù)偏置電壓通過(guò)續(xù)流開(kāi)關(guān)管放電，出現(xiàn)反向電流。</p><p>　　圖32 Q2驅(qū)動(dòng)電壓波形</p><p>　　圖33是PSPICE軟件下BUCK變換器有預(yù)偏置電壓時(shí)的輸出電流波形，其中IL為流過(guò)變換器輸出電感的輸出電流。 </p><p>　　圖33 預(yù)偏置時(shí)buck變換

109、器輸出電流波形</p><p>　　由圖中可以看到，初始階段，電流從零逐漸正向增加，很快又減小，直至減至負(fù)值-4A左右，此后電流有所上升，但仍反向，之后繼續(xù)反向增大， 在350us時(shí)，已達(dá)到-8A左右。曲線總體趨勢(shì)為下降，與圖29所示理論曲線相吻合。</p><p>　　4.4預(yù)偏置時(shí)開(kāi)機(jī)問(wèn)題解決方案

110、 </p><p>　　過(guò)大的反向電流可能會(huì)引起電路中元器件劇烈發(fā)熱，大大縮短直流-直流變換器的使用壽命，燒毀器件和負(fù)載設(shè)備，造成很大的經(jīng)濟(jì)損失，甚至引起元器件絕緣等功能喪失，造成安全隱患， 對(duì)工業(yè)、科研生產(chǎn)都會(huì)產(chǎn)生不利影響[15]。 </p><p>　　鑒于以上種種弊端，應(yīng)設(shè)法阻止輸出電流的層層累積效應(yīng)，以保護(hù)電路和設(shè)備。在電路中增設(shè)脈沖阻止電路，通