PWM開關(guān)電源及技術(shù)改進(jìn)

薛 鋒

鎮(zhèn)江高等?？茖W(xué)校電子與信息，江蘇 鎮(zhèn)江 212003

隨著電力電子技術(shù)與集成電路技術(shù)的高速發(fā)展，電力電子設(shè)備的體積不斷減小， 為與之相適應(yīng)，要求SMPS的體積與重量應(yīng)相應(yīng)減小，而提高開關(guān)頻率并保持較高的效率就是主要的途徑。為達(dá)到這一目標(biāo)，開關(guān)電源中普遍采用軟開關(guān)技術(shù)，如移相全橋電路。移相全橋電路是目前應(yīng)用最廣泛的軟開關(guān)電路之一，它的特點(diǎn)是電路簡單，同硬開關(guān)全橋電路相比，并沒有增加輔助開關(guān)等元件，而是僅僅增加了一個(gè)諧振電感，就使電路中四個(gè)開關(guān)器件都能在零電壓條件下開通。這就達(dá)到了提高開關(guān)頻率并保持較高效率的目的。為達(dá)到更好的控制要求，采用電流模式PWM結(jié)構(gòu)。

1 PWM開關(guān)電源工作原理

基于PWM技術(shù)的SMPS主要電路是由輸入干擾濾波器、整流濾波電路、高頻逆變電路、變壓器、高頻整流電路、輸出整流濾波電路、PWM控制器電路以及相應(yīng)的輔助保護(hù)電路等構(gòu)成。

PWM開關(guān)電源的基本工作原理就是在輸入電壓變化、內(nèi)部參數(shù)變化、外接負(fù)載變化時(shí)，控制電路通過被控制信號與基準(zhǔn)信號的差值進(jìn)行閉環(huán)反饋，調(diào)節(jié)主電路開關(guān)器件的導(dǎo)通脈沖寬度，使得開關(guān)電源的輸出電壓或電流等被控制信號穩(wěn)定。PWM的開關(guān)頻率一般為恒定，控制取樣信號有：輸入電壓、輸出電流 、開關(guān)器件峰值電流等。這些信號可構(gòu)成單環(huán)、雙環(huán)或多環(huán)反饋系統(tǒng) ，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流及恒定功率的目的，同時(shí)還可實(shí)現(xiàn)過流保護(hù)、均流等功能。

2 PWM開關(guān)電源的優(yōu)點(diǎn)及存在問題

PWM開關(guān)電源最顯著的優(yōu)點(diǎn)就是效率高。因功率器件工作在開關(guān)狀態(tài)，功耗小，故其可直接對市電進(jìn)行整流濾波，之后通過功率開關(guān)管調(diào)整，不需工頻變壓器，但功率開關(guān)管開關(guān)頻率高，所用變壓器為高頻變壓器。功率相同的前提下，高頻變壓器比工頻變壓器要輕小很多，所需的散熱器件也小。此外功率開關(guān)管開關(guān)頻高，所需的電感電容數(shù)值較小。

圖1 傳統(tǒng)電流模PWM 控制的升壓型開關(guān)電源結(jié)構(gòu)

同時(shí)它還是一個(gè)很強(qiáng)的干擾源。干擾主要來自開關(guān)器件的高頻通斷和輸出整流二極管反向恢復(fù)。電磁干擾信號通過空間輻射和電源線的傳導(dǎo)而干擾鄰近的敏感設(shè)備。功率開關(guān)管的快速通斷給開關(guān)電源帶來高效益的同時(shí)，也帶來了更強(qiáng)的高頻輻射。

如上所述，目前絕大多數(shù)的SMPS電路中應(yīng)用的是控制相對穩(wěn)定的電流模PWM結(jié)構(gòu)。由圖1可看出，輸出電壓經(jīng)電阻分壓器分壓的反饋電壓與基準(zhǔn)電壓差值經(jīng)誤差放大器放大后，產(chǎn)生電壓控制脈寬，此電壓輸入到PWM比較器的反相端，斜坡補(bǔ)償信號與電感電流采樣信號疊加后所產(chǎn)生的電壓信號接至PWM比較器的同相端，比較后的輸入信號經(jīng)過觸發(fā)器輸出以控制Boost型開關(guān)穩(wěn)壓器的占空比，從而達(dá)到控制輸出電壓的目的。電流?？刂齐娐分杏须妷悍答伃h(huán)路和電流反饋環(huán)路，由于引入反饋，對輸出電壓有前饋調(diào)節(jié)作用，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。電流內(nèi)環(huán)還使開關(guān)穩(wěn)壓器易于實(shí)現(xiàn)并聯(lián)運(yùn)行，有利于實(shí)現(xiàn)變換器的模塊設(shè)計(jì)。

電流模PWM控制器有環(huán)路穩(wěn)定性好，暫態(tài)閉環(huán)響應(yīng)較快，對輸入電壓的變化和輸出負(fù)載的變化的瞬態(tài)響應(yīng)均快，簡單自動(dòng)的磁通平衡功能，自動(dòng)均流并聯(lián)功能等優(yōu)點(diǎn)。但也有不可避免的缺點(diǎn)：閉環(huán)響應(yīng)不如平均電流模式控制理想，占空比大于50%的開環(huán)不穩(wěn)定性，存在難以校正的峰值電流與平均電流的誤差等。雖然在邏輯上變化一致，但峰值電流與平均電流的大小不能對應(yīng)，會產(chǎn)生亞諧波震蕩。對這種情況，在占空比大于50%時(shí)，一般采用斜坡補(bǔ)償?shù)姆椒▉砜朔巳秉c(diǎn)。但實(shí)際中，由于輸出級電感和電容的存在，當(dāng)開關(guān)穩(wěn)壓器的負(fù)載發(fā)生變化時(shí)，誤差放大器必須調(diào)整自己的補(bǔ)償以使系統(tǒng)達(dá)到穩(wěn)定。但實(shí)際電路中大都采用集成控制器件，不可能根據(jù)負(fù)載的變化及時(shí)對誤差放大器作出調(diào)整，而且系統(tǒng)的自適應(yīng)能力差，傳統(tǒng)機(jī)構(gòu)過于復(fù)雜使其使用受到一定的限制。

3 PWM開關(guān)電源技術(shù)優(yōu)化

圖2 新的電流模PWM 控制的升壓型開關(guān)電源結(jié)構(gòu)

針對高頻輻射問題，要降低輻射干擾，可應(yīng)用電壓緩沖電路。電感在功率開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)能避免集電極電流突然增大，同時(shí)也可以減少整流電路中沖擊電流的影響。傳統(tǒng)PWM控制自適應(yīng)能力差的缺陷，對電流模PWM比較器進(jìn)行了相應(yīng)的改進(jìn)，改進(jìn)后的電路如圖2。此結(jié)構(gòu)把誤差放大、峰值電流檢測和斜坡補(bǔ)償這三個(gè)環(huán)節(jié)和為一個(gè)求和比較器來實(shí)現(xiàn)，從而使穩(wěn)壓器轉(zhuǎn)換結(jié)構(gòu)變得簡單，該系統(tǒng)減少了誤差放大器這個(gè)串聯(lián)環(huán)節(jié)，避免了信號在經(jīng)過誤差放大器時(shí)產(chǎn)生的時(shí)延和誤差，提高了速度和精度，并且使控制結(jié)構(gòu)簡化，成品率和可靠性也得到提高，成本降低。

三對差分對的輸入分別是：檢測電感電流大小的電壓采樣信號與基準(zhǔn)電壓信號，斜坡補(bǔ)償信號對，反饋信號與基準(zhǔn)電壓信號。如圖2，在內(nèi)部時(shí)鐘上升沿到來時(shí)，打開開關(guān)管，此時(shí)有電流流過電感，電感電流線性上升，一旦電壓采樣信號、斜坡補(bǔ)償信號和反饋信號觸發(fā)求和比較器放生反轉(zhuǎn)就關(guān)斷開關(guān)管，電感開始續(xù)流，給輸出電容和負(fù)載提供電流。

以此，簡化了傳統(tǒng)電流模PWM控制電路的復(fù)雜結(jié)構(gòu)，將誤差放大器和PWM比較器歸結(jié)為一個(gè)求和比較器來實(shí)現(xiàn)對電流模開關(guān)穩(wěn)壓器的自適應(yīng)控制，省略了誤差放大器，提高了輸出電壓信號的速度和精度，同時(shí)也改善了其自適應(yīng)性。

4 結(jié)論

本文在對PWM開關(guān)電源結(jié)構(gòu)原理進(jìn)行闡述之后，重點(diǎn)對電流模PWM控制電路的優(yōu)點(diǎn)及不足作出分析，并進(jìn)行了相應(yīng)的技術(shù)改進(jìn)方案。簡化了傳統(tǒng)PWM控制電路的結(jié)構(gòu)，把誤差放大、峰值電流檢測和斜坡補(bǔ)償和為一個(gè)求和比較器以實(shí)現(xiàn)對電流模開關(guān)穩(wěn)壓器的自適應(yīng)控制，提高了輸出電壓的速度和精度。而且改進(jìn)后電路結(jié)構(gòu)簡單，使芯片面積減小，同時(shí)提高了成品率。具有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]曾芳.電力電子技術(shù)[M].人民郵電出版社，2010.

[2]王兆安，張明勛.電力電子設(shè)備設(shè)計(jì)和應(yīng)用手冊[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2002.

[3]陳盧，戴鐵軍.高效率高精度開關(guān)電源脈寬調(diào)制芯片的實(shí)現(xiàn)[J].清華大學(xué)學(xué)報(bào)，1999.