开关电源原理与设计中

开关电源原理与设计中内容摘要：

VOUT 和 ILOAD 进行控制。 这样做，我们就真正控制了快速电容器 (CFLY)所提供的充电量。 这也被称为预调制。 在这种模式下，操作频率和工作周期都是固定的。 一个 PWM架构的例子是 LM2771，图 6 显示出它的输出纹波。 它处于一个带有 COUT 的8mV 10mV的顺序中。 我们可以看到在 ILOAD 变化的情况下纹波可以持续。 一个 9mV的纹波输出可以与在感应开关稳压器中的纹波相媲美。 开关电容稳压器是种新兴技术，它结合了开关电容器和 LDO 的主要特性，也就是将在 LiIon 范围上的高效率和小尺寸结合到一个适用于便携式应用的简易解决方案中。 最 近拓朴技术的发展也使其通过被动元件的更小值来达到更低的噪声。 在便携式器件中的许多功能要求一个降压稳压器，更小的解决方案尺寸和更高的效率，这个开关电容稳压器解决方案正是一个理想的解决方案。 开关电源技术发展的十个关注点 上网时间： 20201006 来源：电子市场 中心议题：  介绍 开关 电源技术的三个发展阶段  详细列举开关电源技术发展的十个关注点 解决方案：  采用碳化硅 SiC 作为功率半导体器件晶片  使开关电源小型化的三个办法是高频化、应用压电变压器、采用新型 电容 器  开发和应用软开关技术，提高开关电源的效 率 上世纪 60 年代，开关电源的问世，使其逐步取代了线性稳压电源和 SCR 相控电源。 40 多年来，开关电源技术有了飞迅发展和变化，经历了功率半导体器件、高频化和软开关技术、开关电源系统的集成技术三个发展阶段。 功率半导体器件从双极型器件 (BPT、 SCR、 GTO)发展为 MOS 型器件 (功率 MOSFET、 IGBT、 IGCT 等 )，使电力电子系统有可能实现高频化，并大幅度降低导通损耗，电路也更为简单。 自上世纪 80 年代开始，高频化和软开关技术的开发研究，使功率变换器性能更好、重量更轻、尺寸更小。 高频化和软开关技术是过去 20 年国际电力电子界研究的热点之一。 上世纪 90 年代中期，集成电力电子系统和集成电力电子 模块 (IPEM)技术开始发展，它是当今国际电力电子界亟待解决的新问题之一。 关注点一：功率半导体器件性能 1998 年， Infineon 公司推出冷 mos 管，它采用 超级结 (SuperJunction)结构，故又称超结功率 MOSFET。 工作电压 600V～ 800V，通态 电阻 几乎降低了一个数量级，仍保持开关速度快的特点，是一种有发展前途的高频功率半导体器件。 IGBT 刚出现时，电压、电流额定值只有 600V、 25A。 很长一段时 间内，耐压水平限于 1200V～ 1700V，经过长时间的探索研究和改进，现在 IGBT 的电压、电流额定值已分别达到 3300V/1200A和 4500V/1800A，高压 IGBT 单片耐压已达到 6500V，一般 IGBT 的工作频率上限为 20kHz～ 40kHz，基于穿通 (PT)型结构应用新技术制造的 IGBT，可工作于 150kHz(硬开关 )和 300kHz(软开关 )。 IGBT 的技术进展实际上是通态压降，快速开关和高耐压能力三者的折中。 随着工艺和结构形式的不同，IGBT 在 20 年历史发展进程中，有以下几种类型：穿通 (PT)型、 非穿通 (NPT)型、软穿通 (SPT)型、沟漕型和电场截止 (FS)型。 碳化硅 SiC 是功率半导体器件晶片的理想材料，其优点是：禁带宽、工作温度高 (可达 600℃ )、热稳定性好、通态电阻小、导热性能好、漏电流极小、 PN 结耐压高等，有利于制造出耐高温的高频大功率半导体器件。 可以预见，碳化硅将是 21 世纪最可能成功应用的新型功率半导体器件材料。 关注点二：开关电源功率密度 提高开关电源的功率密度，使之小型化、轻量化，是人们不断努力追求的目标。 电源的高频化是国际电力电子界研究的热点之一。 电源的小型化、减轻重量对便携式电子设备 (如移动电话，数字相机等 )尤为重要。 使开关电源小型化的具体办法有： 一是高频化。 为了实现电源高功率密度，必须提高 PWM变换器的工作频率、从而减小电路中储能元件的体积重量。 二是应用压电变压器。 应用压电变压器可使高频功率变换器实现轻、小、薄和高功率密度。 压电变压器利用压电陶瓷材料特有的 电压 振动 变换和 振动 电压 变换的性质传送能量，其等效电路如同一个串并 联谐振电路，是功率变换领域的研究热点之一。 三是采用新型电容器。 为了减小电力电子设备的体积和重量，必须设法改进电容器的性能，提高能量密度，并研究开发适合于电力电子及电源系统用的新型电容器，要求电容量大、等效串联电阻 ESR 小、体积小等。 关注点三：高频磁与同步整流技术 电源系统中应用大量磁元件，高频磁元件的材料、结构和性能都不同于工频磁元件，有许多问题需要研究。 对高频磁元件所用磁性材料有如下要求：损耗小，散热性能好，磁性能优越。 适用于兆赫级频率的磁性材料为人们所关注，纳米结晶软磁材料也已开发应用。 高频化以后 ，为了提高开关电源的效率，必须开发和应用软开关技术。 它是过去几十年国际电源界的一个研究热点。 对于低电压、大电流输出的软开关变换器，进一步提高其效率的措施是设法降低开关的通态损耗。 例如同步整流 SR 技术，即以功率 MOS 管反接作为整流用开关 二极管 ，代替萧特基二极管 (SBD)，可降低管压降，从而提高电路效率。 关注点四：分布电源结构 分布电源系统适合于用作超高速集成电路组成的大型工作站 (如图像处理站 )、大型数字电子交换系统等的电源，其优点是：可实现 DC/DC 变换器组件模块化。 容易实现 N+1 功率冗余，提高系统可 *性。 易于扩增负载容量。 可降低 48V母线上的电流和电压降。 容易做到热分布均匀、便于散热设计。 瞬态响应好。 可在线更换失效模块等。 现在分布电源系统有两种结构类型，一是两级结构，另一种是三级结构。 关注点五： PFC 变换器 由于 AC/DC 变换电路的输入端有整流元件和滤波电容，在正弦电压输入时，单相整流电源供电的电子设备，电网侧 (交流输入端 )功率因数仅为 ～。 采用 PFC (功率因数校正 )变换器，网侧功率因数可提高到～ ，输入电流 THD 小于 10%。 既治理了电网的谐波污染，又提高了电源的整体效率。 这一技术称为有源功率因数校正 APFC 单相 APFC 国内外开发较早，技术已较成熟。 三相 APFC 的拓扑类型和控制策略虽然已经有很多种，但还有待继续研究发展。 一般高功率因数 AC/DC 开关电源，由两级拓扑组成，对于小功率 AC/DC 开关电源来说，采用两级拓扑结构总体效率低、成本高。 如果对输入端功率因数要求不特别高时，将 PFC 变换器和后级 DC/DC 变换器组合成一个拓扑，构成单级高功率因数 AC/DC 开关电源，只用一个主开关管，可使功率因数校正到 以上，并使输出直流电压可调，这种拓扑结构称为单管单级即 S4PFC 变换器。 关注点六：电压调节器模块 VRM 电压调节器模块是一类低电压、大电流输出 DCDC 变换器模块，向微处理器提供电源。 现在数据处理系统的速度和效率日益提高，为降低微处理器 IC 的电场强度和功耗，必须降低逻辑电压，新一代微处理器的逻辑电压已降低至 1V，而电流则高达 50A～ 100A，所以对 VRM的要求是：输出电压很低、输出电流大、电流变化率高、快速响应等。 关注点七：全数字化控制 电源的控制已经由模拟控制，模数混合控制，进入到全数字控制阶段。 全数字控制是一个新的发展趋势，已经在许多功率变换设备中得到应用。 但是过 去数字控制在 DC/DC 变换器中用得较少。 近两年来，电源的高性能全数字控制芯片已经开发，费用也已降到比较合理的水平，欧美已有多家公司开发并制造出开关变换器的数字控制芯片及软件。 全数字控制的优点是：数字信号与混合模数信号相比可以标定更小的量，芯片价格也更低廉。 对电流检测误差可以进行精确的数字校正，电压检测也更精确。 可以实现快速，灵活的控制设计。 关注点八：电磁兼容性 高频开关电源的电磁兼容 EMC 问题有其特殊性。 功率半导体开关管在开关过程中产生的 di/dt 和 dv/dt，引起强大的传导电磁干扰和谐波干扰。 有些情况 还会引起强电磁场 (通常是近场 )辐射。 不但严重污染周围电磁环境，对附近的电气设备造成电磁干扰，还可能危及附近操作人员的安全。 同时，电力电子电路 (如开关变换器 )内部的控制电路也必须能承受开关动作产生的 EMI 及应用现场电磁噪声的干扰。 上述特殊性，再加上 EMI 测量上的具体困难，在电力电子的电磁兼容领域里，存在着许多交 *科学的前沿课题有待人们研究。 国内外许多大学均开展了电力电子电路的电磁干扰和电磁兼容性问题的研究，并取得了不少可喜成果。 近几年研究成果表明，开关变换器中的电磁噪音源，主要来自主开关器件的开关作用所产生的 电压、电流变化。 变化速度越快，电磁噪音越大。 关注点九：设计和测试技术 建模、仿真和 CAD 是一种新的设计工具。 为仿真电源系统，首先要建立仿真模型，包括电力电子器件、变换器电路、数字和模拟控制电路以及磁元件和磁场分布模型等，还要考虑开关管的热模型、可 *性模型和EMC 模型。 各种模型差别很大，建模的发展方向是：数字 模拟混合建模、混合层次建模以及将各种模型组成一个统一的多层次模型等。 电源系统的 CAD，包括主电路和控制电路设计、器件选择、参数最优化、磁设计、热设计、 EMI 设计和印制 电路板 设计、可 *性预估、计算机辅 助综合和优化设计等。 用基于仿真的专家系统进行电源系统的 CAD，可使所设计的系统性能最优，减少设计制造费用，并能做可制造性分析，是 21 世纪仿真和 CAD 技术的发展方向之一。 此外，电源系统的热测试、 EMI 测试、可 *性测试等技术的开发、研究与应用也是应大力发展的。 关注点十：系统集成技术 电源设备的制造特点是：非标准件多、劳动强度大、设计周期长、成本高、可 *性低等，而用户要求制造厂生产的电源产品更加实用、可 *性更高、更轻小、成本更低。 这些情况使电源制造厂家承受巨大压力，迫切需要开展集成 电源模块 的研究开发，使电源产 品的标准化、模块化、可制造性、规模生产、降低成本等目标得以实现。 实际上，在电源集成技术的发展进程中，已经经历了电力半导体器件模块化，功率与控制电路的集成化，集成无源元件 (包括磁集成技术 )等发展阶。