原边反馈的数字控制恒流acdc变换器的设计
摘 要 近几年LED照明技术因其安全、低碳、节能、环保等特点被广泛应用。LED驱动器作为LED灯重要组成部分，它的恒流性能直接关系到LED灯的性能、安全和寿命。反激式变换器，因其结构简单，体积小，成本低而被广泛应用于小功率照明驱动器中。近几年来随着工艺条件的发展，数字控制技术在电源管理领域渐渐体现了其优势。数字控制技术含有模拟技术所没有的特点，包括可编程性，更强的抗噪声干扰能力，更好的可移植性等。 本文设计了一种用于原边反馈反激式恒流变换器的数字控制器。该数字控制器通过采样电阻Rs采样反激式主拓扑电路中原边电流的变化情况，并通过ADC模块量化为数字量。数字控制器中设定的原边峰值阈值和原边电流采样值进行比较，使得每一个开关周期内原边峰值电流相等。通过比较器模块将辅助绕组端的电压和零电压进行比较，得到一个高低电平信号。通过数字控制器内部的有限状态机采样该高低电平信号的第一个高电平持续时间得到去磁时间。同时，数字控制器通过双向计数器模块控制调节去磁时间和开关周期的比例在每一个开关周期内都恒定，从而实现数字恒流控制。 本文利用Matlab软件实现系统仿真，在Matlab/Simulink中搭建反激式变换器的主拓扑电路；通过硬件描述语言在Modelsim软件中编写数字控制器；Matlab和Modelsim的联合仿真在Matlab生成控制反激式变换器的数字控制器模块。联合仿真的结果表明，本文所设计的数字控制器可以使系统的输出电流精度误差小于4%。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1课题研究背景与意义 1
1.2反激变换器要求 1
1.3论文研究内容 2
第二章 反激式ACDC变换器恒流技术分析 3
2.1反激式变换器工作原理 3
2.2反激式变换器反馈技术 5
2.3基于原边反馈的恒流控制方式 7
2.3.1 PWM恒流控制 7
2.3.2 PFM恒流控制 9
2.3.3固定去磁占空比恒流控制 9
2.4 PSR反激变换器参数设计 10
2.5 本章小结 13
第三章 恒流功能模块设计 14
3.1恒流输出控制设计思想 14
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3.2恒流输出控制电路设计与仿真验证 15
第四章 影响电流精度的因素及补偿方法 21
4.1原边峰值电流 21
4.2复位时间 21
4.3开关周期 22
4.4补偿算法 24
第五章 数字控制器模块设计与验证 26
5.1数字控制器分析 26
第六章 总 结 30
致 谢 31
参考文献 32
第一章 绪 论
1．1课题研究背景与意义
ACDC反激式变换器是开关电源的一个重要的组成部分，由于反激式变换器并不需要输出滤波电感，而且有结构简单，体积比较小，还能实现电器隔离等特点。因此广泛的应用在中小型功率产品中，比如数码产品的充电器、LED的驱动、笔记本的适配器等等。因为ACDC反激式变换器广泛的应用，所以对它研究是具有深远意义的。
开关电源是在20世纪60年代左右开始出现并且逐步的取代了线性电源。这些个新式的开关电源利用了开关晶体管，从而将输入的直流电压都斩成由占空比调节而得到的方波(方波的频率在20kHz上下)，并且使用低通输出滤波器来滤波得到直流的输出电压。
1．2反激变换器要求
开关电源可以根据变压器工作模式的不同来分为正激式变换器和反激式变换器。正激式变换器中变压器里的原边和次边可以同时导通或同时关断。适用于高输入的电压（60V到200V）和大输出功率(200W以上)的场合，所有正激式变换器都是需要输出滤波的电感和续流的二极管的。正激式变换器的原边绕组的电感与输出电压和功率并没关系，变压器和开关元件等的分布电容的影响可以忽略不计，电感量越是大，变压器的励磁电流就越小。变压器中并不需要加入气隙。但是反激式变换器在开关管导通的时候，原边线圈的回路导通，次边的线圈回路由于整理二极管的反向偏置从而开路，因此能量会在原边存储；当开关管断开时，原边线圈的回路断开，次边线圈会导通，原边将会把之前存储的能量全部传递到次边线圈提供给负载的并对输出电容充电，用来补偿其单独给输出的负载供电时所消耗的电荷量。反激式变换器适合于高输入电压和小功率输出(15W～150W)的场合。它不需要输出滤波的电感和续流的二极管。反激式变换器的最大输出功率与电感量有着密切关系。对变压器的磁芯设置气隙或者选用低导通的磁率材料的磁芯。对比得到的正激式变换器与反激式变换器之间的优缺点如下，具体见表1．1。
由此可知，对于一些中小型功率的开关电源，选择反激变换器来控制会比较优秀。反激式变换器从次边电流大小能够分成连续导通模式(CCM)或断续导通模式(DCM)。因为CCM模式中反激式变换器只会有两种工作状态，更加便于分析，但是DCM模式中反激式变换器却有三种工作状态，要分析就会比较繁琐。但是DCM模式可以保证变压器是不会磁通饱和的，因此保证了反激式变换器的寿命，同时它的功耗较小，更符合现阶段的节能要求。
反激式变换器可以从输出调制模式来分为脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)。所有的PWM的控制方式都有噪音低、满载时的效率高而且能在连续导电模式中工作的优点，不过PWM的控制方式在低载时的效率较低；PFM控制的优势是低载时候效率较高，不过输出的电压纹波会比较大、低载时的噪声会处于人耳的可听范围。
在市场的格局中，生产高端的反激式变换器的代表公司有德州仪器公司和美国国家半导体公司，但是功率集成电子公司和仙童公司则占据着主要民用市场。而目前在国内的市场模拟反激式变换器芯片的主要代表公司有矽力杰公司和昂宝公司等。昂宝是国内的低端市场的垄断者。在数控方面，IWatt公司式最先推出了原边反激式变换器控制芯片的，数控芯片还是目前开关电源芯片发展的新方向。
1．3论文研究内容
本文提出了一种新的数字恒流控制方案以提高电流精度，第一节介绍原边反馈反激式电源恒流控制原理，第二节介绍影响恒流精度的因素及其补偿方法，第三节介绍仿真实验结果分析，第四节则是对方案的总结。
第二章 反激式ACDC变换器恒流技术分析
本章首先介绍了反激式变换器的基本工作原理，分析了反激式变换器在开关管关断及导通时的不同工作状态。然后，对反激式变换器中副边反馈技术和原边反馈技术进行了对比分析。最后，本章讨论了反激式变换器中常见的三种恒流控制方式的基本原理。
2.1反激式变换器工作原理
反激式ACDC变换器简化电路原理图如图2. 1所示。它的输入端为交流信号，电压较大。根据开关管Q的导通时刻和副边电流is的变化情况不同，反激式变换器可分为三种工作模式：连续导通模式，断续导通模式和临界导通模式[33]。为了减小变压器的体积，常将反激式变换器工作在断续导通模式。
图2. 1反激式变换器简化电路原理图
根据开关管的工作状态不同，反激式变换器中各部分电路的工作情况也不同。当功率开关管Q导通时，由于副边二极管D反向偏置无法建立回路，只有原边回路和副边的充放电电容Co和负载RL之间建立了两个回路，其工作原理图如图2. 2所示。此时，变压器中的铁芯磁场密度变大，并储存能量。原边电流ip和磁励电感LM上的电流iM相等。公式（2.1）说明了此时原边电感上的电流变化情况。
（2. 1）
公式（2.1）中Vin表示输入电压，VM表示磁励电感上的电压，ton表示开关管的导通时间。
当功率开关管Q截止时，电路工作原理如图2. 3所示。此时副边二极管D正偏，LM上的能量通过变压器从原边转换到副边负载RL和充放电电容Co上。磁化电感LM上的电流慢慢下降，副边电流is线性下降，下降斜率由副边输出电压Vo和磁励电感LM折算到副边的等效电感量LS决定[33]。该工作状态下，磁励电感上的电流变化如公式（2.2）所示。
目 录
第一章 绪 论 1
1.1课题研究背景与意义 1
1.2反激变换器要求 1
1.3论文研究内容 2
第二章 反激式ACDC变换器恒流技术分析 3
2.1反激式变换器工作原理 3
2.2反激式变换器反馈技术 5
2.3基于原边反馈的恒流控制方式 7
2.3.1 PWM恒流控制 7
2.3.2 PFM恒流控制 9
2.3.3固定去磁占空比恒流控制 9
2.4 PSR反激变换器参数设计 10
2.5 本章小结 13
第三章 恒流功能模块设计 14
3.1恒流输出控制设计思想 14
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: ￥351916072￥
3.2恒流输出控制电路设计与仿真验证 15
第四章 影响电流精度的因素及补偿方法 21
4.1原边峰值电流 21
4.2复位时间 21
4.3开关周期 22
4.4补偿算法 24
第五章 数字控制器模块设计与验证 26
5.1数字控制器分析 26
第六章 总 结 30
致 谢 31
参考文献 32
第一章 绪 论
1．1课题研究背景与意义
ACDC反激式变换器是开关电源的一个重要的组成部分，由于反激式变换器并不需要输出滤波电感，而且有结构简单，体积比较小，还能实现电器隔离等特点。因此广泛的应用在中小型功率产品中，比如数码产品的充电器、LED的驱动、笔记本的适配器等等。因为ACDC反激式变换器广泛的应用，所以对它研究是具有深远意义的。
开关电源是在20世纪60年代左右开始出现并且逐步的取代了线性电源。这些个新式的开关电源利用了开关晶体管，从而将输入的直流电压都斩成由占空比调节而得到的方波(方波的频率在20kHz上下)，并且使用低通输出滤波器来滤波得到直流的输出电压。
1．2反激变换器要求
开关电源可以根据变压器工作模式的不同来分为正激式变换器和反激式变换器。正激式变换器中变压器里的原边和次边可以同时导通或同时关断。适用于高输入的电压（60V到200V）和大输出功率(200W以上)的场合，所有正激式变换器都是需要输出滤波的电感和续流的二极管的。正激式变换器的原边绕组的电感与输出电压和功率并没关系，变压器和开关元件等的分布电容的影响可以忽略不计，电感量越是大，变压器的励磁电流就越小。变压器中并不需要加入气隙。但是反激式变换器在开关管导通的时候，原边线圈的回路导通，次边的线圈回路由于整理二极管的反向偏置从而开路，因此能量会在原边存储；当开关管断开时，原边线圈的回路断开，次边线圈会导通，原边将会把之前存储的能量全部传递到次边线圈提供给负载的并对输出电容充电，用来补偿其单独给输出的负载供电时所消耗的电荷量。反激式变换器适合于高输入电压和小功率输出(15W～150W)的场合。它不需要输出滤波的电感和续流的二极管。反激式变换器的最大输出功率与电感量有着密切关系。对变压器的磁芯设置气隙或者选用低导通的磁率材料的磁芯。对比得到的正激式变换器与反激式变换器之间的优缺点如下，具体见表1．1。
由此可知，对于一些中小型功率的开关电源，选择反激变换器来控制会比较优秀。反激式变换器从次边电流大小能够分成连续导通模式(CCM)或断续导通模式(DCM)。因为CCM模式中反激式变换器只会有两种工作状态，更加便于分析，但是DCM模式中反激式变换器却有三种工作状态，要分析就会比较繁琐。但是DCM模式可以保证变压器是不会磁通饱和的，因此保证了反激式变换器的寿命，同时它的功耗较小，更符合现阶段的节能要求。
反激式变换器可以从输出调制模式来分为脉冲宽度调制(PWM)和脉冲频率调制(PFM)。所有的PWM的控制方式都有噪音低、满载时的效率高而且能在连续导电模式中工作的优点，不过PWM的控制方式在低载时的效率较低；PFM控制的优势是低载时候效率较高，不过输出的电压纹波会比较大、低载时的噪声会处于人耳的可听范围。
在市场的格局中，生产高端的反激式变换器的代表公司有德州仪器公司和美国国家半导体公司，但是功率集成电子公司和仙童公司则占据着主要民用市场。而目前在国内的市场模拟反激式变换器芯片的主要代表公司有矽力杰公司和昂宝公司等。昂宝是国内的低端市场的垄断者。在数控方面，IWatt公司式最先推出了原边反激式变换器控制芯片的，数控芯片还是目前开关电源芯片发展的新方向。
1．3论文研究内容
本文提出了一种新的数字恒流控制方案以提高电流精度，第一节介绍原边反馈反激式电源恒流控制原理，第二节介绍影响恒流精度的因素及其补偿方法，第三节介绍仿真实验结果分析，第四节则是对方案的总结。
第二章 反激式ACDC变换器恒流技术分析
本章首先介绍了反激式变换器的基本工作原理，分析了反激式变换器在开关管关断及导通时的不同工作状态。然后，对反激式变换器中副边反馈技术和原边反馈技术进行了对比分析。最后，本章讨论了反激式变换器中常见的三种恒流控制方式的基本原理。
2.1反激式变换器工作原理
反激式ACDC变换器简化电路原理图如图2. 1所示。它的输入端为交流信号，电压较大。根据开关管Q的导通时刻和副边电流is的变化情况不同，反激式变换器可分为三种工作模式：连续导通模式，断续导通模式和临界导通模式[33]。为了减小变压器的体积，常将反激式变换器工作在断续导通模式。
图2. 1反激式变换器简化电路原理图
根据开关管的工作状态不同，反激式变换器中各部分电路的工作情况也不同。当功率开关管Q导通时，由于副边二极管D反向偏置无法建立回路，只有原边回路和副边的充放电电容Co和负载RL之间建立了两个回路，其工作原理图如图2. 2所示。此时，变压器中的铁芯磁场密度变大，并储存能量。原边电流ip和磁励电感LM上的电流iM相等。公式（2.1）说明了此时原边电感上的电流变化情况。
（2. 1）
公式（2.1）中Vin表示输入电压，VM表示磁励电感上的电压，ton表示开关管的导通时间。
当功率开关管Q截止时，电路工作原理如图2. 3所示。此时副边二极管D正偏，LM上的能量通过变压器从原边转换到副边负载RL和充放电电容Co上。磁化电感LM上的电流慢慢下降，副边电流is线性下降，下降斜率由副边输出电压Vo和磁励电感LM折算到副边的等效电感量LS决定[33]。该工作状态下，磁励电感上的电流变化如公式（2.2）所示。
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