自适应数字式开关稳压电源的设计

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3.0 陈辉 2024-11-19 4 4 2.67MB 74 页 15积分
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目 录
中文摘要
ABSTRACT
第一章 绪 论 ...............................................................................................................1
§1.1 研究背景及意义 .............................................................................................1
§1.1.1 线性电源和开关电源 .............................................................................1
§1.1.2 模拟开关电源和数字开关电源 .............................................................3
§1.2 该领域目前的国内外先进水平 .....................................................................6
§1.3 论文研究的主要内容及其框架 .....................................................................9
第二章 数字式开关电源设计及系统研究 .................................................................10
§2.1 电源主电路设计 ...........................................................................................10
§2.1.1 输入回路 ...............................................................................................10
§2.1.2 功率变换电路 .......................................................................................11
§2.2 电源控制电路设计 .......................................................................................13
§2.2.1 单片机系统 ...........................................................................................14
§2.2.2 电压采集电路 .......................................................................................20
§2.2.3 MOSFET 驱动电路 ...............................................................................20
§2.2.4 键盘和显示电路 ...................................................................................21
§2.2.5 辅助电路 ...............................................................................................21
§2.3 小结 ...............................................................................................................21
第三章 开关电源的数字控制系统及算法 .................................................................22
§3.1 数字 PID 控制 .............................................................................................. 22
§3.1.1 PID 概述 ................................................................................................ 22
§3.1.2 位置式 PID 控制算法 .......................................................................... 24
§3.1.3 增量式 PID 控制算法 .......................................................................... 25
§3.2 模糊控制 .......................................................................................................25
§3.2.1 模糊控制的基本原理 ...........................................................................26
§3.2.2 模糊控制器 ...........................................................................................26
§3.2.3 电源模糊控制器设计 ...........................................................................28
§3.3 模糊自适应 PID 控制 .................................................................................. 31
§3.4 算法的 C语言实现 ......................................................................................34
§3.5 小结 ...............................................................................................................34
第四章 数字式开关电源软件设计及算法仿真 .........................................................36
§4.1 PWM 控制技术 ............................................................................................ 36
§4.2 单片机控制技术 ...........................................................................................38
§4.3 开关电源程序设计 .......................................................................................39
§4.3.1 PWM 波的产生与调制 ......................................................................... 40
§4.3.2 AD 转换 ................................................................................................. 41
§4.3.3 LED 数码管的驱动与显示 ...................................................................42
§4.3.4 键盘输入 ...............................................................................................44
§4.4 算法仿真 .......................................................................................................44
§4.4.1 开关电源仿真模型的建立 ...................................................................46
§4.4.2 算法仿真结果及分析 ...........................................................................47
§4.5 小结 ...............................................................................................................50
第五章 反激式 80W 开关电源硬件设计 .....................................................................51
§5.1 模拟电源的电路设计及制作 .......................................................................51
§5.1.1 80W 模拟开关电源系统电路 ...............................................................51
§5.1.2 电路中主要部分介绍 ...........................................................................52
§5.1.3 电路参数设计与说明 ...........................................................................56
§5.1.4 电路搭建与调试 ...................................................................................59
§5.2 数字电源的电路设计 ...................................................................................59
§5.3 小结 ...............................................................................................................60
第六章 结论与展望 .....................................................................................................61
§6.1 控制器的改进 ...............................................................................................61
§6.2 控制算法的探讨 ...........................................................................................62
§6.3 关于数字电源时代 .......................................................................................63
附 录 .............................................................................................................................65
参考文献 .........................................................................................................................71
在读期间公开发表的论文和承担科研项目及取得成果 .............................................73
致 谢 .............................................................................................................................74
第一章 绪论
1
第一章 绪 论
§1.1 研究背景及意义
课题来源于电力电子工程实践设计及应用。电力电子技术作为一个学科仅有
半个世纪的历史，但由于它对国民经济有明显作用，受到国内外的普遍重视，因
而发展相当迅速，以致目前所用的技术，无论在功率器件、电路拓扑、控制方法
和系统性能等方面均与早期有明显差别。其中一个重要分支——电源是各种电路
的动力源泉，是电子设备所不可缺少的重要组成部分，通常被誉为“电路的心脏”。
所有的用电设备，包括电子仪器、电子仪表、家用电器等，对供电电压或电流都
有一定的要求，要求其具有良好的稳定性能，对于负载、工作点、网压等的变化
有较强的自适应能力。
§1.1.1 线性电源和开关电源
按稳定电源电路中功率管的工作方式划分，稳定电源可以分为开关电源与线
性电源两大类。线性电源是发展较早的一种电源，其功率管工作在线性放大区。
开关电源是在线性电源的基础之上发展起来的，并在很大程度上克服了线性电源
的缺陷，但其自身也有一定的不足。
⑴线性电源
线性稳定电源有一个共同的特点就是它的功率器件调整管工作在线性区，靠
调整管之间的电压降来稳定输出。由于调整管静态损耗大，需要安装一个很大的
散热器给它散热。而且由于变压器工作在工频（50Hz）上，所以重量较大。
该类电源优点是电源稳定度及负载稳定度较高，输出纹波电压较小，瞬态响
应速度较快，无高频开关噪声，成本低；缺点是体积大、较笨重、效率相对较低，
必须具有较大的输入和输出滤波电容，输入电压动态范围小，线性调整率低。这
类稳定电源又有很多种，从输出性质可分为稳压电源、稳流电源及集稳压、稳流
于一身的稳压稳流（双稳）电源。从输出值来看可分为定点输出电源、波段开关
调整式和电位器连续可调式几种。从输出指示上可分为指针指示型和数字显示型
等等。
⑵开关电源
与线性稳压电源不同的一类电源就是开关型直流稳压电源，它的电路形式主
要有单端反激式、单端正激式、半桥式、推挽式和全桥式。它和线性电源的根本
区别在于变压器不工作在工频而是工作在几十千 Hz 到几兆 Hz；开关管是工作在
饱和及截止区即开关状态，开关电源因此而得名。按照电子理论，所谓 AC/DC 就
是交流转换为直流；AC/AC 称为交流变交流，即为改变频率；DC/AC 称为逆变；
DC/DC 为直流变交流后再变为直流。为了达到转换的目的，电源变换的方法是多
自适应数字式开关稳压电源的设计
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样的。自 20 世纪 60 年代，人们研发出了二极管、三极管半导体器件后，就用半
导体器件进行转换。所以，凡是用半导体功率器件作开关，将一种电源形态转换
成另一种形态的电路，叫做开关变换电路。在转换时，以自动控制稳定输出并有
各种保护环节的电路，称为开关电源（Switching Power Supply）。开关电源在转换
过程中，用高频变压器隔离称之为离线式开关变换器（Off-line Switching
Converter），常用的 AC/DC 变换器就是离线式变换器。开关电源通常由六大部分
组成，如图 1.1 所示。
图1.1 开关电源工作原理框图
第一部分是输入电路，它包含有低通滤波和一次整流环节。220V 交流电直接
经低通滤波和桥式整流后得到未稳压的直流电压
i
V
，此电压送到第二部分进行功
率因数校正，其目的是提高功率因数，它的形式是保持输入电流与输入电压同相。
功率因数校正的方法有无源功率因数校正和有源功率因数校正两种。所谓有源功
率因数校正（Active Power Factor Correction，APFC），是指电源在校正过程中常采
用三极管和集成电路。开关电源电路常采用有源功率因数校正。第三部分是功率
转换，它是由电子开关和高频变压器来完成的，是把高功率因数的直流电压变换
成受到控制的、符合设计要求的高频方波脉冲电压。第四部分是输出电路，用于
将高频方波脉冲电压经整流滤波后变成直流电压输出。第五部分是控制电路，输
出电压经过分压、采样后与电路的基准电压进行比较、放大。第六部分是频率振
荡发生器，它产生一种高频波段信号，该信号与控制信号叠加进行脉宽调制，达
到脉冲宽度可调。有了高频振荡才有电源变换，所以说开关电源的实质是电源变
换。
开关电源的优点是体积小，重量轻，稳定可靠，电路形式灵活多样，选择余
地大；缺点相对于线性电源来说纹波较大，存在着较为严重的开关噪声和干扰，
成本高。它的功率可自几瓦—几千瓦均有产品。下面介绍几种开关电源：
①AC/DC 电源
第一章 绪论
3
该类电源也称一次电源，它自电网取得能量，经过高压整流滤波得到一个直
流高压，供 DC/DC 变换器在输出端获得一个或几个稳定的直流电压，功率从几瓦
—几千瓦均有产品，用于不同场合。属此类产品的规格型号繁多，据用户需要而
定。通信电源中的一次电源（AC220 输入，DC48V 或24V 输出）也属此类。
②DC/DC 电源
在通信系统中也称二次电源，它是由一次电源或直流电池组提供一个直流输
入电压，经 DC/DC 变换以后在输出端获一个或几个直流电压。
③通信电源
通信电源实质上就是 DC/DC 变换器式电源，只是它一般以直流－48V 或－24V
供电，并用后备电池作 DC 供电的备份，将 DC 的供电电压变换成电路的工作电压，
一般它又分为中央供电、分层供电和单板供电三种，以后者可靠性最高。
④模块电源
随着科学技术飞速发展，对电源可靠性、容量/体积比要求越来越高，模块电
源越来越显示其优越性，它工作频率高、体积小、可靠性高，便于安装和组合扩
容，所以越来越被广泛采用。目前国内虽有相应模块生产，但因生产工艺未能赶
上国际水平，故障率较高。
DC/DC 模块电源目前虽然成本较高，但从产品漫长的应用周期的整体成本来
看，特别是因系统故障而导致的高昂的维修成本及商誉损失来看，选用该电源模
块还是合算的，在此还值得一提的是罗氏变换器电路，它的突出优点是电路结构
简单，效率高，输出电压、电流的纹波值接近于零。
开关电源的研究涉及新型功率开关器件的应用、自动控制技术、高频变压器
的设计和电路系统建模优化等方面，因此具有理论和学术意义。高频化是其发展
的方向，高频化使开关电源小型化，并使开关电源进入更广泛的应用领域，特别
是在高新技术领域的应用，推动了高新技术产品的小型化、轻便化。另外开关电
源的发展与应用在节约能源、节约资源及保护环境方面都具有重要的意义。所以
近几年来，开关电源成为电力电子界的热门课题。随着电力电子技术的不断创新，
使开关电源产业有着广阔的发展前景。要加快我国开关电源产业的发展速度，就
必须走技术创新之路，走出有中国特色的产学研联合发展之路，为我国国民经济
的高速发展做出贡献。
§1.1.2 模拟开关电源和数字开关电源
随着半导体工艺技术的不断升级，电路板上的元器件运行速度更快、体积更
小，而且还要求更多、更低的供电电压和更大的供电电流；此外，用户对电源的
故障修复时间、电源运行状态的感知与控制的要求越来越高，电源设计人员不再
自适应数字式开关稳压电源的设计
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满足于实时监控电流、电压、温度，还提出了诊断电源供应情况、灵活设定每个
输出电压参数的要求；再者随着电源系统的性能和功率的不断提高，实现电源性
能指标所必需的元件数量和成本也随之增加，这些需求已是今日的模拟解决方案
难以满足的。因此越来越多的控制需要通过具有成本效益的数字电路实现，数字
电源应运而生，其目标就是实现智能、高效的转换与控制及通信。
数字电源是采用数字方式实现电源的控制、保护回路与通信接口的新型电源
技术。可编程、响应性和数字环路控制是表征数字电源的 3个主要特征。因此在
未来的电源系统中，模拟与数字技术将共存相当一段时间。30 年前，电源行业转
向开关电源是一个很大的变化，而电源数字化趋势将会是一个更大的变化。
⑴模拟电源的优势与不足
目前，除了一些专门用于微处理器的转换器之外，市场上大多数砖形转换器、
中间总线转换器及负载点 POL 转换器仍采用模拟控制。这是因为许多模拟电源系
统经过了多年的检验，可靠性还是很高的。可尽管模拟电源解决方案的成本、性
能（如负载变化时的电源响应时间）、占板面积等指标都优于当前的数字电源解决
方案，但对开发人员来说，它完全是一种固定模式的黑盒应用，抑制了开发人员
发挥创造力的激情。对电源进行同步跟踪、电压排序、故障诊断及适应环境变化
的能力还是比较差的。
目前，许多高性能的 DC/DC 转换器仍通过简单的无源器件产生的模拟信号进
行设置和控制。即使是具有最先进拓扑结构的高性能转换器，也还需要使用外部
电阻、电容来确定诸如启动时间、输出点值及开关频率等参数。这些电阻、电容
的值都是设计调试时确定的，制造完成后不可轻易更改，因此自适应的电源管理
方案也就不可能实现。而且，为实现更多功能，就要设计更多的直接反馈电路，
所以模拟控制环路会变得非常复杂。
传统的模拟控制架构已经使用多年，但仍有不少缺陷。举例来说，模拟控制
电路因为使用许多元器件而需要很大空间，这些元器件本身的值还会随使用时间、
温度和其他环境条件的变化而变动，从而对系统稳定性和响应能力造成负面影响。
模拟控制的控制响应特性是由分立元器件的值决定的，它总是面向一个范围狭窄
的特定负载，因此无法为所有电压值或负载点提供最优化的控制响应。换句话说，
如果你需要一个可以在很多产品中重复使用而不必更换部件的设计平台，则模拟
方案难以胜任。除此之外，模拟系统的测试和维修都非常困难。
⑵数字电源的优势与不足
数字电源正是为了克服现代电源的复杂性而提出的，它实现了数字和模拟技
术的融合，提供了很强的适应性与灵活性，具备直接监视、处理并适应系统条件
第一章 绪论
5
的能力，能够满足几乎任何电源要求。数字电源还可通过远程诊断以确保持续的
系统可靠性，实现故障管理、过电压（流）保护、自动冗余等功能。由于数字电
源的集成度很高，系统的复杂性并不随功能的增加而增加过多，外围器件很少（数
字电源的快速响应能力还可以降低对输出滤波电容的要求），减少了占板面积，简
化了设计制造流程。同时，数字电源的自动诊断调节的能力使调试和维护工作变
得轻松。
数字电源管理芯片易于在多相以及同步信号下进行多相式并联应用，可扩展
性与重复性优秀，轻松实现负载均流，减少 EMI，并简化滤波电路设计。数字控
制的灵活性能把电源组合成串联或并联模型，形成虚拟电源。而且，数字电源的
智能化可保证在各种输入电压和负载点上都具有最优的功率转换效率。
相对模拟控制技术，数字技术的独特优势还包括在线可编程能力、更先进的
控制算法、更好的效率优化、更高的操作精确度和可靠性、优秀的系统管理和互
联功能。数字电源不存在模拟电源中常见的误差、老化（包括模拟器件的精度）、
温度影响、漂移、补偿等问题，无须调谐，可靠性好，可以获得一致、稳定的控
制参数。数字电源的运算特性使它更易于实现非线性控制（可改善电源的瞬态响
应能力）和多环路控制等高级控制算法，更新固件即可实现新的拓扑结构和控制
算法，更改电源参数也无须变更板卡上的元器件。数字控制还能让硬件平台重复
使用，通过设计不同固件即可满足各种最终系统的独特要求，从而加快产品上市，
减少开发成本、元器件库存与风险。
数字电源已经表现出相当多的优点，但仍有一些缺点需要克服。例如，模拟
控制对信号状态的反应是瞬时的，而数字电源需要一个采样、量化和处理的过程
来对负载的变化做出反馈，因此它对负载变化的响应速度目前还比不上模拟电源。
数字电源的占板面积要大于模拟电源，精度和效率也比模拟电源稍差。虽然数字
控制方法的优点在负载点（POL）系统中非常明显，但模拟电源在分辨率、带宽、
与功率元件的电压兼容性、功耗、开关频率和成本（在简单应用中）等方面仍然
占有优势。不过，如果考虑到数字电源解决方案具有的优点，使用模拟电路搭建
功能相似的电路，成本并不一定就比数字电源低。
数字电源中包含的技术无疑是复杂的，但它的使用并不一定就复杂。不过它
要求设计人员具有一定的程序设计能力，而目前的电源设计人员普遍都是模拟设
计为主，缺乏编程方面的训练。这对数字电源的推广也造成了一定的障碍。人们
对数字电源还有一个担心就是它还不像模拟电源那样经过多年应用的考验，因而
可靠性不高。但就像数字电路在概念上就优于模拟电路一样，可靠性是设计的问
题，而不是数字化的问题。不过，成本显然是约束数字电源广泛应用的一个主要
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6
因素。由于数字实现方式的成本看似高于相似的模拟实现方式，而且人们对于数
字电源产品的采用存在顾虑，所以从用户的角度来说，也只有当数字电源的成本
等于或低于模拟电源（因为成本是中国市场考虑的第一市场因素），同时又能提供
模拟电源做不到的许多先进功能的时候，数字电源才会被考虑。
综上所述，在简单易用、参数变更不多的应用场合，模拟电源产品更具优势，
因为其应用的针对性可以通过硬件固化来实现。而在可控因素较多、需要更快实
时反应速度、需要管理多个电源、复杂的高性能系统应用中，数字电源则具有优
势。数字电源的研究涉及新型功率开关器件的应用、数字电子技术、智能控制、
单片机控制技术、自动控制技术、高频变压器的设计和电路系统建模优化等方面，
因此具有理论和学术意义，若将其完善则经济效益和社会效益也会很显著。同时
该课题的研究可以熟悉了解先进的电源研发技术，清晰认识电源的制作流程，为
今后的实践积累相关的理论知识，并且提高理论实践结合的能力。
§1.2 该领域目前的国内外先进水平
数字电源有几种不同的含义，实现方式也各不相同。最简单的是数字检测，
包括监视开关电源的状态，如温度、输入/出电流、输入/出电压、开关频率（占空
比）等，并根据需求向主机报告。故障状态信息甚至时间标记等信息可以存储在
非易失性存储器中，并在将来某个时间上报这些信息；第二个定义是在“数字检
测”的基础上通过数字接口控制开关电源，一般是通过
CI2
或类似的数字总线控制
输出电压、开关频率、多通道电源的（上/下电）排序、上升斜率、跟踪、（软）启
动、裕度控制、故障保护等等。实际上，目前市场上的很多电源管理集成电路都
以这种方式工作；第三个定义是用数字电路彻底取代开关电源中的所有模拟电路，
这是真正的原生数字电源。只须编写几行简单的代码，一个核心数字电源集成电
路就可以配置成升压稳压器、降压稳压器、负输出、SEPIC、反激式或正激式转换
器，这样将使开关电源更容易设计、配置而且更稳定。但要实现这点从目前看来
是相当困难的，因为从物理定律上来说，电流是模拟信号，即使用 ADC 和DSP
取代误差放大器和脉冲宽度调制器的数字开关电源也仍然需要电压基准、电流检
测电路和 FET 驱动器，这些组件目前只有模拟形式的产品。此外电感器、变压器
以及电容器等模拟元器件在实现数字电源时也是不能没有的。
传统的模拟电源是以模拟控制环路为基础的，如果在模拟控制环路外添加模
拟量采样、量化电路，并辅以通信电路，即可构成上面第一个定义中所指的带数
字检测的比较初级的数字电源。
目前的数字电源大都是按照上面第二个定义（即数字控制+数字监视）实现的，
电源内部的模拟控制环路由数字控制环路替代。未来是属于数字电源的，但数字
摘要：

目录中文摘要ABSTRACT第一章绪论...............................................................................................................1§1.1研究背景及意义.............................................................................................1§1.1.1线性电源和开关电源....................................................

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