[信息与通信]DCDC变换器.ppt

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1、3-1,第2讲 DC/DC变换电路,Application:(1)Switch-mode Power Supply(2)DC Motor Drive(3)DC Source Converter Classification:Voltage Source to Voltage Source Voltage Source to Current Source Current Source to Voltage Source Current Source to Current Source,3-2,第2讲 DC/DC变换电路,3-3,第2讲 DC/DC变换电路,控制方式:(1)PWM-Pulse Wi

2、dth Modulation T不变，变ton 脉冲宽度调制（PWM）(2)调频调制(Adjust Frequency Modulation)ton不变，变T 频率调制。(3)复合调制(Complex Modulation)ton和T都可调，改变占空比复合型基本的DC-DC Converter：Buck Chopper Boost Chopper Buck-Boost Chopper Cuk Chopper,3-4,2.1.1 降压斩波电路,电路结构,全控型器件 若为晶闸管，须有辅助关断电路。,续流二极管,负载出现的反电动势,典型用途之一是拖动直流电动机，也可带蓄电池负载。,降压斩波电路（Bu

3、ck Chopper),3-5,2.1.1 降压斩波电路,工作原理,图3-1 降压斩波电路得原理图及波形,t=0时刻驱动V导通，电源E向负载供电，负载电压uo=E，负载电流io按指数曲线上升。t=t1时控制V关断，二极管VD续流，负载电压uo近似为零，负载电流呈指数曲线下降。通常串接较大电感L使负载电流连续且脉动小。电压源 电流源的变换,3-6,2.1.1 降压斩波电路,数量关系,电流连续,负载电压平均值：,（2-1）,（2-2）,tonV通的时间 toffV断的时间 a-导通占空比,电流断续，Uo被抬高，一般不希望出现。,负载电流平均值：,3-7,2.1.1 降压斩波电路,同样可以从能量传递

4、关系出发进行的推导,由于L为无穷大，故负载电流维持为Io不变,电源只在V处于通态时提供能量，为,在整个周期T中，负载消耗的能量为,输出功率等于输入功率，可将降压斩波器看作直流降压变压器。,一周期中，忽略损耗，则电源提供的能量与负载消耗的能量相等。,3-8,2.1.2 升压斩波电路,升压斩波电路（Boost Chopper）,保持输出电压,储存电能,电路结构,1)升压斩波电路的基本原理,3-9,2.1.2 升压斩波电路,工作原理,假设L和C值很大。V处于通态时，电源E向电感L充电，电流恒定I1，电容C向负载R供电，输出电压Uo恒定。V处于断态时，电源E和电感L同时向电容C充电，并向负载提供能量。

5、电流源 电压源的变换,图3-2 升压斩波电路及工组波形,a)电路图,b)波形,3-10,2.1.2 升压斩波电路,数量关系,设V通态的时间为ton，此阶段L上积蓄的能量为设V断态的时间为toff，则此期间电感L释放能量为稳态时，一个周期T中L积蓄能量与释放能量相等：,（2-21）,（2-20）,化简得：,T/toff1，输出电压高于电源电压，故为升压斩波电路。,3-11,2.1.2 升压斩波电路,电压升高的原因：电感L储能使电压泵升的作用 电容C可将输出电压保持住,如果忽略电路中的损耗，则由电源提供的能量仅由负载R消耗，即：。（2-24）与降压斩波电路一样，升压斩波电路可看作直流变压器。,输出

6、电流的平均值Io为：,(2-25),电源电流的平均值Io为：,(2-26),3-12,2.1.2 升压斩波电路,2)升压斩波电路典型应用,一是用于直流电动机传动二是用作单相功率因数校正（PFC）电路三是用于其他交直流电源中,t,t,T,E,i,O,O,b),a),i,1,i,2,I,10,I,20,I,10,t,on,t,off,u,o,图3-3 用于直流电动机回馈能量的升压斩波电路及其波形 a）电路图 b）电流连续时 c）电流断续时,用于直流电动机传动再生制动时把电能回馈给直流电源。电动机电枢电流连续和断续两种工作状态。直流电源的电压基本是恒定的，不必并联电容器。,3-13,2.1.2 升压

7、斩波电路,数量关系,该式表明，以电动机一侧为基准看，可将直流电源电压看作是被降低到了。,3-14,2.1.3 PWM控制电路,控制电路是根据采用的控制策略对控制信号(含给定信号和反馈信号)进行生成、处理、以形成功率器件控制极信号，实现对电能的变换和控制，因而控制电路是变换电路的重要部分。目前应用最广的控制方式是PWM控制方式，为了维持输出电压稳定，最常采用的是电压负反馈。,3-15,单象限PWM控制电路,PWM生成电路一般包含斜波电压发生器（锯齿波或三角波）和电压比较器两部分，斜波电压uc重复频率受控于振荡器，它与来自电压调节器输出信号ue一起加到电压比较器的输入端，比较器的输出即为PWM信号

8、。,3-16,单象限PWM控制电路,各种集成PWM控制芯片，只需外接少量元器件就可工作。最先出现的是Motorola公司生产的MC3420和Silicon General公司生产的SG3524等芯片，尔后又推出性能更好，功能更强的控制器，如Texas Instruments公司的TL494。此外还生产了单端变换电路专用的PWM控制芯片，它所需的外接元器件更少，使用也更方便，如Motorola公司的MC34060，Unitrode公司的UCl840系列可编程序PWM芯片，Silicon General公司的SGl525/1527等。,3-17,单象限PWM控制电路,由SG1525控制的直流不可逆

9、调速系统，主电路采用降压型单象限电路。,3-18,SG1525的内部结构,3-19,SG1525的工作波形,SG1525工作过程波形分析,3-20,2.1.4 升降压斩波电路和Cuk斩波电路,升降压斩波电路(buck-boost Chopper),电路结构,3-21,2.1.4升降压斩波电路和Cuk斩波电路,基本工作原理,a),图3-4 升降压斩波电路及其波形a）电路图 b）波形,V通时，电源E经V向L供电使其贮能，此时电流为i1。同时，C维持输出电压恒定并向负载R供电。V断时，L的能量向负载释放，电流为i2。负载电压极性为上负下正，与电源电压极性相反，该电路也称作反极性斩波电路。电压源 电压

10、源的变换,3-22,2.1.4升降压斩波电路和Cuk斩波电路,数量关系,稳态时，一个周期T内电感L两端电压uL对时间的积分为零，即,（2-39）,V处于通态uL=E,V处于断态uL=-uo,3-23,2.1.4升降压斩波电路和Cuk斩波电路,图3-4b中给出了电源电流i1和负载电流i2的波形，设两者的平均值分别为I1和I2，当电流脉动足够小时，有：,（2-42）,由上式得：,（2-43）,结论,当0a 1/2时为降压，当1/2a 1时为升压，故称作升降压斩波电路。也有称之为buck-boost 变换器。,其输出功率和输入功率相等，可看作直流变压器。,（2-44）,3-24,2.1.4 升降压斩

11、波电路和Cuk斩波电路,2)Cuk斩波电路,V通时，EL1V回路和RL2CV回路有电流。V断时，EL1CVD回路和RL2VD回路有电流。输出电压的极性与电源电压极性相反。电路相当于开关S在A、B两点之间交替切换。电流源 电流源的变换,图3-5 Cuk斩波电路及其等效电路a）电路图 b）等效电路,3-25,2.1.4升降压斩波电路和Cuk斩波电路,同理：,数量关系,（2-45）,（2-46）,（2-48）,优点（与升降压斩波电路相比）：输入电源电流和输出负载电流都是连续的，且脉动很 小，有利于对输入、输出进行滤波。,3-26,b)Zeta斩波电路,2.1.5 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路

12、,a)Sepic斩波电路,图3-6 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,电路结构,Speic电路原理V通态，EL1V回路和C1VL2回路同时导电，L1和L2贮能。V断态，EL1C1VD负载回路及L2VD负载回路同时导电，此阶段E和L1既向负载供电，同时也向C1充电（C1贮存的能量在V处于通态时向L2转移）。输入输出关系：,（2-49）,3-27,2.1.5 Sepic斩波电路和Zeta斩波电路,Zeta斩波电路原理,V处于通态期间，电源E经开关V向电感L1贮能。V关断后，L1VDC1构成振荡回路，L1的能量转移至C1，能量全部转移至C1上之后，VD关断，C1经L2向负载供电。输入输出关系：,

13、图3-6 Sepic斩波电路和 Zeta斩波电路,（2-50）,相同的输入输出关系。Sepic电路的电源电流和负载电流均连续，Zeta电路的输入、输出电流均是断续的。两种电路输出电压为正极性的。,b)Zeta斩波电路,3-28,2.2复合斩波电路和多相多重斩波电路,2.2.1 电流双象限斩波电路 2.2.2 四象限桥式斩波电路2.2.3 多相多重斩波电路,3-29,2.2.1 电流可逆斩波电路,斩波电路用于拖动直流电动机时，常要使电动机既可电动运行，又可再生制动。降压斩波电路能使电动机工作于第1象限。升压斩波电路能使电动机工作于第2象限。电流双象限斩波电路：降压斩波电路与升压斩波电路组合。此电

14、路电动机的电枢电流可正可负，但电压只能是一种极性，故其可工作于第1象限和第2象限。,电流双象限斩波电路,3-30,2.2.1 电流双象限斩波电路,电路结构,V1和VD1构成降压斩波电路，。电动机为电动运行，工作于第1象限。V2和VD2构成升压斩波电路，当有源负载向电源反馈能量时,V2和VD2工作，输出平均电流I00。电动机作再生制动运行，工作于第2象限。必须防止V1和V2同时导通而导致的电源短路。,3-31,2.2.1 电流双象限斩波电路,I00的波形,I00的波形,I00的工作情况：U0在一个开关周期内的平均值 0，I00，必然有P0=U0I0 0，负载从电源吸收能量。I00的工作情况：U0

15、在一个开关周期内的平均值 0，I0 0，必然有P0=U0I0 0，负载反馈能量到电源。,3-32,2.2.1 电流双象限斩波电路,工作过程,工作方式：一个周期内交替地作为降压斩波电路和升压斩波电路工作。电路交替工作在第一象限和第二象。电流在一个周期内有正有负。电流的脉动与滤波电感有关,3-33,2.2.2 桥式可逆斩波电路,桥式可逆斩波电路两个电流可逆斩波电路组合起来，分别向电动机提供正向和反向电压。,图3-8 桥式可逆斩波电路,使V4保持通时，等效为图3-7a所示的电流可逆斩波电路，提供正电压，可使电动机工作于第1、2象限。使V2保持通时，V3、VD3和V4、VD4等效为又一组电流可逆斩波电

16、路，向电动机提供负电压，可使电动机工作于第3、4象限。,3-34,2.2.3 多相多重斩波电路,基本概念,多相多重斩波电路,在电源和负载之间接入多个结构相同的基本斩波电路而构成,相数,一个控制周期中电源侧的电流脉波数,重数,负载电流脉波数,复合斩波电路降压斩波电路和升压斩波电路组合构成 多相多重斩波电路相同结构的基本斩波电路组合构成,3-35,2.2.3 多相多重斩波电路,3相3重降压斩波电路,电路结构：相当于由3个降压斩波电路单元并联而成。,总输出电流为 3 个斩波电路单元输出电流之和，其平均值为单元输出电流平均值的3倍，脉动频率也为3倍。总的输出电流脉动幅值变得很小。所需平波电抗器总重量大

17、为减轻。总输出电流最大脉动率（电流脉动幅值与电流平均值之比）与相数的平方成反比。,图3-9 3相3重斩波电路及其波形,3-36,2.2.3 多相多重斩波电路,当上述电路电源公用而负载为3个独立负载时，则为3相1重斩波电路。而当电源为3个独立电源，向一个负载供电时，则为1相3重斩波电路。多相多重斩波电路还具有备用功能，各斩波电路单元可互为备用。,一、直流直流变换电路概述,1、直流直流变换电路及功能 直流直流（DCDC）变换电路是将一组电参数的直流电能变换为另一组电参数的直流电能的电路。直流电幅值变换 直流电极性变换 直流电路阻抗变换 有源滤波以下详细介绍降压式变换电路（Buck电路）,一、直流直

18、流变换电路概述,2、基本概念（1）占空比的定义：开关接通的占空比定义为D，其中ton 为开关导通时间，TS为开关周期。（2）脉冲宽度调制（PWM）或脉冲频率调制（PFM）所谓脉冲宽度调制的方法是一种在整个工作过程中，开关频率不变，而开关接通的时间按照要求变化的方法。所谓脉冲频率调制的方法是一种在整个工作过程中，开关接通的时间不变，而开关频率按照要求变化的方法。,开关导通时等效电路,开关关断时等效电路,基本电路结构,二、降压式变换电路（Buck电路）,1.BUCK电路基本结构,2.等效的电路模型及基本规律（1）从电路可以看出，电感L和电容C组成低通滤波器，此滤 波器设计 的原则是使 us(t)的

19、直流分量可以通过，而抑制 us(t)的谐波分量通过；电容上输出电压 uo(t)就是 us(t)的 直流分量再附加微小纹波uripple(t)。,二、降压式变换电路（Buck电路）,（2）电路工作频率很高，一个开关周期内电容充 放电引起的纹波uripple(t)很小，相对于电容上 输出的直流电压Uo有：电容 上电压宏观上可以看作恒定。电路稳态工作时，输出电容上电压由微小的纹波和较大的直流分量组成，宏观上可以看作是恒定直流，这就是开关电路稳态分析中的小纹波近似原理。,二、降压式变换电路（Buck电路）,三、降压式变换电路（Buck电路）,（3）一个周期内电容充电电荷高于放电电荷时，电容电压升高，导

20、致后面周期内充电电荷减小、放电电荷增加，使电容电压上升速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，此时电压维持不变；反之，如果一个周期内放电电荷高于充电电荷，将导致后面周期内充电电荷增加、放电电荷减小，使电容电压下降速度减慢，这种过程的延续直至达到充放电平衡，最终维持电压不变。这种过程是电容上电压调整的过渡过程，在电路稳态工作时，电路达到稳定平衡，电容上充放电也达到平衡，这是电路稳态工作时的一个普遍规律。,（4）开关S置于1位时，电感电流增加，电感储能；而当开关S 置于2位时，电感电流减小，电感释能。假定电流增加量大于 电流减小量，则一个开关周期内电感上磁链增量为：此增量将产生一个平均感应电势

21、：此电势将减小电感电流的上升速度并同时降低电感电流的下降速度，最终将导致一个周期内电感电流平均增量为零；一个开关周期内电感上磁链增量小于零的状况也一样。这种在稳态状况下一个周期内电感电流平均增量（磁链平均增量）为零的现象称为：电感伏秒平衡。这也是电力电子电路稳态运行时的又一个普遍规律。,二、降压式变换电路（Buck电路）,3.电感电流连续工作模式（CCM）下稳态工作过程分析,开关导通时等效电路,开关关断时等效电路,BUCK电路 结构,二、降压式变换电路（Buck电路）,a、晶体管导通状态（t0 t t1=DT）VD关断，依据等效电路拓扑，有：由于电路工作频率很高，一个周期内ud 和 uo基本维

22、持不变，可以视为恒定值，则（ud-uo）为常数，电流变化为线性，波形如图4-2，有：（io恒定，iC与iL同斜率）,二、降压式变换电路（Buck电路）,b、二极管VD导通模式（t1 t t2=T）晶体管关断，电感续流，二极管导通，依据电路等效拓扑有：同样，由于uo视为维持不变，则输出电流线性减小，波形如图4-2，有：,（io恒定，iC与iL同斜率）,二、降压式变换电路（Buck电路）,4.电感电流连续工作模式（CCM）下基本输入输出关系 从等效电路模型的分析可以知道，电容上输出电压uo(t)就是us(t)的直流分量再附加微小纹波 uripple(t)，且，晶体管导通时，晶体管关断时，则us(t

23、)的直流分量为：忽略电路工作产生的损耗，输入输出能量守恒，则有：其中：Iin为输入平均电流（直流电流），Io为输出直流电流，D为 占空比，Ud为输入直流电压，Uo 输出直流电压,二、降压式变换电路（Buck电路）,5.电感电流连续工作模式（CCM）下电感电流和输出电 压脉动分析 考虑到稳态工作时电感伏秒平衡的特点，电感充放电过程电流波动值相等，依据前面的分析，晶体管导通时有：考虑到输出电压脉动很小，有 iL iC，且有一周期内电容充放电平衡，根据图4-2中ic波形，Q的时间为T/2，则电容纹波峰峰值为（充放电波形如图43）：,二、降压式变换电路（Buck电路）,二、降压式变换电路（Buck电路

24、）,电容充放电波形,六、电感电流断续工作模式（DCM模式）简介,临界连续导通模式时,不连续导通模式时,对于CCM状态,对于DCM状态,二、降压式变换电路（Buck电路）,思 考 已知：输入电压12V，输出电压5V，输出纹波50 mV，输出电流最大3A，最小100mA，要求电路工作于电流连续状态，如何设计电路参数？,二、降压式变换电路（Buck电路）,设计方法考虑：（1）由，计算LC 的关系（2）最小输出电流与 的关系，见图中波形，由于电感电流连 续，有，计算L的关系式。（3）由输入输出电压关系，计算D（4）由 求得MOS管的最大电流，同时依据波形计算 电流有效值，依此选择MOS管的电流。（5）

25、MOS管的最高工作电压为输入电压，依此选择MOS管的耐压。,二、降压式变换电路（Buck电路）,纹波和噪声产生的原因开关电源输出的不是纯正的直流电压，里面有些交流成分，这就是纹波和噪声造成的。纹波是输出直流电压的波动，与开关电源的开关动作有关。每一个开、关过程，电能从输入端被“泵到”输出端，形成一个充电和放电的过程，从而造成输出电压的波动，波动频率与开关的频率相同。纹波电压是纹波的波峰与波谷之间的峰峰值，其大小与开关电源的输入电容和输出电容的容量及品质有关。噪声的产生原因有两种，一种是开关电源自身产生的；另一种是外界电磁场的干扰（EMI），它能通过辐射进入开关电源或者通过电源线输入开关电源。开

26、关电源自身产生的噪声是一种高频的脉冲串，由发生在开关导通与截止瞬间产生的尖脉冲所造成，也称为开关噪声。噪声脉冲串的频率比开关频率高得多，噪声电压是其峰峰值。噪声电压的振幅很大程度上与开关电源的拓扑、电路中的寄生状态及PCB 的设计有关。,三、DC-DC的纹波和噪音,纹波和噪声的测量方法利用示波器可以看到纹波和噪声的波形，如图所示。纹波的频率与开关管频率相同，而噪声的频率是开关管的两倍。纹波电压的峰峰值和噪声电压的峰峰值之和就是纹波和噪声电压，其单位是mVp-p。纹波和噪声电压是开关电源的主要性能参数之一，因此如何精准测量是一个十分重要问题。目前测量纹波和噪声电压是利用宽频带示波器来测量的方法，

27、它能精准地测出纹波和噪声电压值。,三、DC-DC的纹波和噪音,纹波和噪声的测量方法用示波器测量纹波和噪声的装置的框图如图所示。它由被测开关电源、负载、示波器及测量连线组成。有的测量装置中还焊上电感或电容、电阻等元件。,三、DC-DC的纹波和噪音,纹波和噪声的测量方法从上图来看，似乎与其他测波形电路没有什么区别，但实际上要求不同。测纹波和噪声电压的要求如下：要防止环境的电磁场干扰（EMI）侵入，使输出的噪声电压不受EMI 的影响；要防止负载电路中可能产生的EMI 干扰；对小型开关型模块电源，由于内部无输出电容或输出电容较小，所以在测量时要加上适当的输出电容。为满足第1 条要求，测量连线应尽量短，

28、并采用双绞线（消除共模噪声干扰）或同轴电缆；一般的示波器探头不能用，需用专用示波器探头；并且测量点应在电源输出端上，若测量点在负载上则会造成极大的测量误差。为满足第2 点，负载应采用阻性假负载。,三、DC-DC的纹波和噪音,纹波和噪声的测量方法在测量纹波和噪声这一性能指标时，经常有这样的情况发生，发现与产品技术规格上的指标不符，大大地超过技术规格上的性能指标要求，这往往是用户的测量装置不合适，测量的方法（测量点的选择）不合适或采用通用的测量探头所致。,三、DC-DC的纹波和噪音,几种测量装置双绞线测量装置 双绞线测量装置如图3 所示。采用300mm（12 英寸）长、#16AWG 线规组成的双绞

29、线与被测开关电源的+OUT 及-OUT连接，在+OUT 与-OUT 之间接上阻性假负载。在双绞线末端接一个4TF 电解电容（钽电容）后输入带宽为50MHz（有的企业标准为20MHz）的示波器。在测量点连接时，一端要接在+OUT 上，另一端接到地平面端。这里要注意的是，双绞线接地线的末端要尽量的短，夹在探头的地线环上。,三、DC-DC的纹波和噪音,2.平行线测量装置 平行线测量装置如图下所示。图 中，C1 是多层陶瓷电容（MLCC），容量为1F，C2 是钽电解电容，容量是10F。两条平行铜箔带的电压降之和小于输出电压值的2%。该测量方法的优点是与实际工作环境比较接近，缺点是较容易捡拾EMI 干扰

30、。,三、DC-DC的纹波和噪音,专用示波器探头下图所示为一种专用示波器探头直接与波测电源靠接。专用示波器探头上有个地线环，其探头的尖端接触电源输出正极，地线环接触电源的负极（GND），接触要可靠。,三、DC-DC的纹波和噪音,这里顺便提出，不能采用示波器的通用探头，因为通用示波器探头的地线不屏蔽且较长，容易捡拾外界电磁场的干扰，造成较大的噪声输出，虚线面积越大，受干扰的影响越大，如下图所示。,三、DC-DC的纹波和噪音,同轴电缆测量装置这里介绍两种同轴电缆测量装置。下图是在被测电源的输出端接R、C 电路后经输入同轴电缆（50）后接示波器的AC 输入端；下图是同轴电缆直接接电源输出端，在同轴电缆

31、的两端串接1 个0.68F 陶瓷电容及1 个47/1w碳膜电阻后接入示波器。T 形BNC 连接器和电容电阻的连接如图下图所示。,三、DC-DC的纹波和噪音,不正确与正确测量的比较 下图是用AAT1121 芯片组成的降压式DC/DC 转换器电路及测量正确和不正确的波形图。若采用普通的示波器探头来测量，由于地线与探头组成的回路面积太大（由剖面线组成的面积），它相当于一根“天线”，极易受到EMI 的干扰，其输出的纹波和噪声电压相当大（见图中右面的示波器波形图中绿色的纹波和噪声波形）。若采用专用的测量探头（如图 所示），它的地线极短，探头与地线组成回路面积较小，受到EMI干扰极小，其输出纹波和噪声波形如图右面的红色线所示。这例子说明一般通用示波器的探头是不能用的。,三、DC-DC的纹波和噪音,