原边反馈的数字控制恒压acdc变换器的设计
摘 要模拟AC-DC变换器经过多年的发展，相对比较成熟。但是随着电子技术和电子消费品的发展，电源产品越来越追求高性能，低成本和小体积，模拟AC-DC越来越难以胜任。相对于传统的模拟电源，数字电源可以实现更先进的控制算法，拥有优秀的性能和更高的可靠性，同时由于数字算法存在可编程性，具有一定的继承性，因此数字开关电源产品的研发周期和成本都能得到降低。本文的主要工作内容是设计一种基于原边反馈的数字控制恒压AC-DC变换器，重点研究了在实际电源中存在寄生参数影响下的原边采样原理和数字控制器的设计和实现。由于原边反馈技术替代了光耦，在节省成本和体积，提高可靠性的同时，也牺牲了一定的采样精度。传统的模拟AC-DC变换器大多采用固定延时进行采样，但是随着负载变化，会产生一定的稳态误差。本文首先阐述了理想开关电源的原边采样原理，然后结合实际电源中寄生参数的影响，并且为了尽可能的减小感应误差，提出了改进型的延迟采样方法，使得采样误差在全负载段都很小。通过对外围拓补电路的分析之后然后确定系统数字控制器的设计，包括PI补偿器和DPWM模块。其中数字控制器接受辅助电路的输出电压和原边电流信号经过对这两个信号的数字化和处理得到输入到开关管的信号，通过实时采样信号来控制开关管的开断，即输入到开关管的占空比信号来控制原边电路的开断时间，经过变压器来控制副边电路的开断时间，最终来调节输出电压Vo的大小，使之一直保持在一个定值。经过以上的分析，最后来确定外围拓补电路的各元器件的参数和数字控制器的模块参数，通过在modelsim中代码的调节，一边调节一边观察输出电压的变化来确定数字控制器中的参数。本文在此基础上分别在matlab和modelsim中对控制器和整个电路进行联合仿真验证，具体电路及个元器件的参数详见第四章仿真。在输入线电压在90V和220V，开关频率为20kHz-75kHz条件下，验证了变换器在全负载范围内输出电压稳定在为5v，恒压精度达到3％，负载跳变动态验证结果良好，满足了设计指标。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3研究内容 2
第二章 电路原理分析 5
2.1原边反馈型变换器的工作原理 5
2.2原边反馈
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
ACDC变换器的调制方法及控制模式 7
2.2主拓扑结构及关键信号 8
2.3数字控制器 10
2.4本章小结 10
第三章 输出电压高精度采样 11
3.1采样原理分析 11
3.2恒压算法实现 12
3.3本章小结 13
第四章 仿真与验证 14
4.1仿真电路的各元件参数 14
4.2具体仿真电路 14
4.3仿真结果 15
4.4验证结果 17
第五章 结论 18
致谢 19
参考文献 20
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着数字电子技术的的飞速发展，各种电子产品的大量普及，而这些产品都离不开电源。而为这些数字电子产品提供一个稳定的电源不可或缺。虽然采用传统次级端调节反激式转换器能够提供精确的电压电流控制，但缺点是：
组件数目较多，电路板空间大，成本高，可靠性低
采样电阻Ro增加功耗，效率低
光耦合器不能工作于高温环境下
光耦合器存在一个低频极点（2030kHz）
在次级端调节反激式转换器的基础上，人们研究出了PSR原边反馈反激式转换器，相对于传统的次级端调节反激式转换器，PSR原边反馈式反激式转换器具有以下优点：
在变压器原边检测输出信息，消除了次级的采样电路，无须使用TL43和光耦合器，减少了组件数目，降低了整体电路的复杂性，更为高效和优化。
该控制器用于适配器充电器或LED驱动器应用。获得高精确度的初级侧反馈，数字初级侧传感技术被采用，它可以自动跟踪初级辅助绕组电压的拐点。另外，内部数字补偿消除了对外部环路补偿元件的需求，同时实现出色的线路和负载规。控制器可以输出两个恒定电压和恒定电流根据负载电流。脉冲宽度调制和脉冲频率调制在恒压模式下使用，而准谐振控制是在不断的使用当前模式。数字控制器通过使用FPGA的验证。
当输入电压或负载变化时，为获得稳定的输出电压，从而广泛的使用电压反馈控制。数字化控制是一个蓬勃发展的控制模型产业，它的优点包括对参数变化不敏感，可编程，以及更少的外部元件。
1.2 国内外研究现状
开关电源可以分为DCDC变换器和AC—DC变换器两大类，其中DCDC变换器是将一定范围内直流输入电压转换成固定输出电压的转换器，DC．DC变换器可以细分为三大类：降压型DCDC变换器(Buck)，升压型DCCD变换器(Boost），升降压型DCDC(BuckBoost)。而ACDC变换器具有将一定范围内的交流输入转换成直流输出的能力，相对于DCDC变换器，由于5060Hz的交流输入电压，ACDC变换器必须有整流和滤波功能，需要大体积的滤波电容，另外电磁兼容(EMC)应该符合安全标准，但是ACDC变换器所涉及的高频高压和大电流开关动作都加大了电磁兼容的解决难度在保障电路性能的前提下对电路设计提出更高要求。
由于较低廉的成本和更成熟的设计方法，模拟电源一直占据了电源领域的主角。但是随着电子技术和电子消费品的发展，人们对电源的要求越来越高，在性能、成本、体积等压力下，模拟电源也越来越不堪重负。在这种情况下，越来越多的研究投向了数字电源技术，数字控制的开关电源有很多优势，比模拟电源更加灵活，包括可编程性、设计延续性、适应性、先进的校正能力和良好的性能，可以实现复杂的控制算法，这些算法提高了效率，降低了成本，另外还可以减少元件数量。数字电源在市场上也得到广泛的应用，并且这个趋势仍然保持，预计在未来10年里，数字电源转换器与模拟电源转换器的市场占有率将持平，并在随后反超。本世纪初以来，国外一些知名公司和各高校开始研究数字电源，例如美国德州仪器公司(TexasInstrument)、摩托罗拉公司(Motomla)、硅通用公司(Silicon General)等。数字DCDC变换器的发展已经比较成熟，但是ACDC变换器的数字化遇到更多的困难，主要由于输入电压是高压交流信剖，线电压范围变化会对芯片控制器有显著影响，原边采样技术对开关源漏电压采样会遇到高压工艺问题，对辅助绕组采样精度稍显不足等，以上问题在模拟领域都有较成熟的解决的方法，但是受限于成本，数字方法实现未得到大规模应用。数字控制ACDC变换器的应用近几年也展开很多研究，西佛罗里达大学对数字补偿器设计和仿真方法进行了一些探索，长崎大学的Hirofumi Matsuo等人于2012年所设计的双向数字控制ACDC变换器具有较高的功率因素和效率，功率因素高于96％，2KW额定输出时效率高达98％。浙江大学的邱建平等人于2013年所设计的高性能数字控制反激式ACDC变换器，采用原边反馈检测，检测最大误差约为11％。在产品方面，美国的iWatt公司推出的iwl6系列和iw36系列均是数字控制的电源管理芯片，前者应用于充电器等移动设备，后者应用于LED驱动，这些数字芯片兼备体积小，恒压和恒流精度高，响应速度快，全负载段高效率、还有线电压补偿和线缆补偿，同时能满足EMI需求这些优秀的性能系于一身是模拟芯片所难以企及的。
1.3研究内容
本课题主要研究工作分为以下几个方面：
（１）在理想ＡＣＤＣ变换器系统的原理基础上，讨论了寄生参数的确立以及对系统的影响，尤其是对辅助绕组采样电压波形的影响。
（２）分别讨论了在理想情况下ＡＣＤＣ变换器利用原边对输出电压采样的原理，然后分析在寄生参数影响下，系统在一个开关周期中各个阶段的等效电路，并在此基础上提出高精度的采样方法。
（３）数字补偿器的设计，控制回路中采用ＰＩ补偿，为系统和控制器建立传递函数，根据传递函数确定合适的ＰＩ系数，最后在ＭＡＴＬＡＢ中建立系统仿真模型和电路仿真模型，通过仿真确定系统参数和补偿器设计的正确性。
本文的主要工作内容是设计一种基于原边反馈的数字控制恒压ＡＣＤＣ变换器，重点研究了在实际电源中存在寄生参数影响下的原边采样原理和数字控制器的设计和实现。由于原边反馈技术替代了光耦，在节省成本和体积，提高可靠性的同时，也牺牲了一定的采样精度。传统的模拟ＡＣＤＣ变换器大多采用固定延时进行采样，但是随着负载变化，会产生一定的稳态误差。本文首先阐述了理想开关电源的原边采样原理，然后结合实际电源中寄生参数的影响，将开关截止时间分为三个阶段，为每个阶段建立等效电路图并加以定量分析，算出每个阶段感应电压公式，其中第三阶段表达式仅与有效匝数比有关，因此将第三阶段定位最适合原边采样的阶段，然后分析原边采样带来的感应误差，并且为了尽可能的减小感应误差，提出了改进型的延迟采样方法，使得采样误差在全负载段都很小。之后为系统设计数字控制器，包括ＰＩ补偿器和ＤＰＷＭ模块。本文将系统框图等效为一个连续时间域框图，然后导出连续时间域下控制器到输出端的传递函数，然后再根据反馈回路传递函数和ＤＰＷＭ模块传递函数得到系统开环传递函数，并确定合适的ＰＩ系数，最后通过后退型欧拉积分得到用于数字控制的ＰＩ系数。
目 录
第一章 绪论 1
1.1 研究背景及意义 1
1.2 国内外研究现状 1
1.3研究内容 2
第二章 电路原理分析 5
2.1原边反馈型变换器的工作原理 5
2.2原边反馈
*好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
ACDC变换器的调制方法及控制模式 7
2.2主拓扑结构及关键信号 8
2.3数字控制器 10
2.4本章小结 10
第三章 输出电压高精度采样 11
3.1采样原理分析 11
3.2恒压算法实现 12
3.3本章小结 13
第四章 仿真与验证 14
4.1仿真电路的各元件参数 14
4.2具体仿真电路 14
4.3仿真结果 15
4.4验证结果 17
第五章 结论 18
致谢 19
参考文献 20
第一章 绪论
1.1 研究背景及意义
随着数字电子技术的的飞速发展，各种电子产品的大量普及，而这些产品都离不开电源。而为这些数字电子产品提供一个稳定的电源不可或缺。虽然采用传统次级端调节反激式转换器能够提供精确的电压电流控制，但缺点是：
组件数目较多，电路板空间大，成本高，可靠性低
采样电阻Ro增加功耗，效率低
光耦合器不能工作于高温环境下
光耦合器存在一个低频极点（2030kHz）
在次级端调节反激式转换器的基础上，人们研究出了PSR原边反馈反激式转换器，相对于传统的次级端调节反激式转换器，PSR原边反馈式反激式转换器具有以下优点：
在变压器原边检测输出信息，消除了次级的采样电路，无须使用TL43和光耦合器，减少了组件数目，降低了整体电路的复杂性，更为高效和优化。
该控制器用于适配器充电器或LED驱动器应用。获得高精确度的初级侧反馈，数字初级侧传感技术被采用，它可以自动跟踪初级辅助绕组电压的拐点。另外，内部数字补偿消除了对外部环路补偿元件的需求，同时实现出色的线路和负载规。控制器可以输出两个恒定电压和恒定电流根据负载电流。脉冲宽度调制和脉冲频率调制在恒压模式下使用，而准谐振控制是在不断的使用当前模式。数字控制器通过使用FPGA的验证。
当输入电压或负载变化时，为获得稳定的输出电压，从而广泛的使用电压反馈控制。数字化控制是一个蓬勃发展的控制模型产业，它的优点包括对参数变化不敏感，可编程，以及更少的外部元件。
1.2 国内外研究现状
开关电源可以分为DCDC变换器和AC—DC变换器两大类，其中DCDC变换器是将一定范围内直流输入电压转换成固定输出电压的转换器，DC．DC变换器可以细分为三大类：降压型DCDC变换器(Buck)，升压型DCCD变换器(Boost），升降压型DCDC(BuckBoost)。而ACDC变换器具有将一定范围内的交流输入转换成直流输出的能力，相对于DCDC变换器，由于5060Hz的交流输入电压，ACDC变换器必须有整流和滤波功能，需要大体积的滤波电容，另外电磁兼容(EMC)应该符合安全标准，但是ACDC变换器所涉及的高频高压和大电流开关动作都加大了电磁兼容的解决难度在保障电路性能的前提下对电路设计提出更高要求。
由于较低廉的成本和更成熟的设计方法，模拟电源一直占据了电源领域的主角。但是随着电子技术和电子消费品的发展，人们对电源的要求越来越高，在性能、成本、体积等压力下，模拟电源也越来越不堪重负。在这种情况下，越来越多的研究投向了数字电源技术，数字控制的开关电源有很多优势，比模拟电源更加灵活，包括可编程性、设计延续性、适应性、先进的校正能力和良好的性能，可以实现复杂的控制算法，这些算法提高了效率，降低了成本，另外还可以减少元件数量。数字电源在市场上也得到广泛的应用，并且这个趋势仍然保持，预计在未来10年里，数字电源转换器与模拟电源转换器的市场占有率将持平，并在随后反超。本世纪初以来，国外一些知名公司和各高校开始研究数字电源，例如美国德州仪器公司(TexasInstrument)、摩托罗拉公司(Motomla)、硅通用公司(Silicon General)等。数字DCDC变换器的发展已经比较成熟，但是ACDC变换器的数字化遇到更多的困难，主要由于输入电压是高压交流信剖，线电压范围变化会对芯片控制器有显著影响，原边采样技术对开关源漏电压采样会遇到高压工艺问题，对辅助绕组采样精度稍显不足等，以上问题在模拟领域都有较成熟的解决的方法，但是受限于成本，数字方法实现未得到大规模应用。数字控制ACDC变换器的应用近几年也展开很多研究，西佛罗里达大学对数字补偿器设计和仿真方法进行了一些探索，长崎大学的Hirofumi Matsuo等人于2012年所设计的双向数字控制ACDC变换器具有较高的功率因素和效率，功率因素高于96％，2KW额定输出时效率高达98％。浙江大学的邱建平等人于2013年所设计的高性能数字控制反激式ACDC变换器，采用原边反馈检测，检测最大误差约为11％。在产品方面，美国的iWatt公司推出的iwl6系列和iw36系列均是数字控制的电源管理芯片，前者应用于充电器等移动设备，后者应用于LED驱动，这些数字芯片兼备体积小，恒压和恒流精度高，响应速度快，全负载段高效率、还有线电压补偿和线缆补偿，同时能满足EMI需求这些优秀的性能系于一身是模拟芯片所难以企及的。
1.3研究内容
本课题主要研究工作分为以下几个方面：
（１）在理想ＡＣＤＣ变换器系统的原理基础上，讨论了寄生参数的确立以及对系统的影响，尤其是对辅助绕组采样电压波形的影响。
（２）分别讨论了在理想情况下ＡＣＤＣ变换器利用原边对输出电压采样的原理，然后分析在寄生参数影响下，系统在一个开关周期中各个阶段的等效电路，并在此基础上提出高精度的采样方法。
（３）数字补偿器的设计，控制回路中采用ＰＩ补偿，为系统和控制器建立传递函数，根据传递函数确定合适的ＰＩ系数，最后在ＭＡＴＬＡＢ中建立系统仿真模型和电路仿真模型，通过仿真确定系统参数和补偿器设计的正确性。
本文的主要工作内容是设计一种基于原边反馈的数字控制恒压ＡＣＤＣ变换器，重点研究了在实际电源中存在寄生参数影响下的原边采样原理和数字控制器的设计和实现。由于原边反馈技术替代了光耦，在节省成本和体积，提高可靠性的同时，也牺牲了一定的采样精度。传统的模拟ＡＣＤＣ变换器大多采用固定延时进行采样，但是随着负载变化，会产生一定的稳态误差。本文首先阐述了理想开关电源的原边采样原理，然后结合实际电源中寄生参数的影响，将开关截止时间分为三个阶段，为每个阶段建立等效电路图并加以定量分析，算出每个阶段感应电压公式，其中第三阶段表达式仅与有效匝数比有关，因此将第三阶段定位最适合原边采样的阶段，然后分析原边采样带来的感应误差，并且为了尽可能的减小感应误差，提出了改进型的延迟采样方法，使得采样误差在全负载段都很小。之后为系统设计数字控制器，包括ＰＩ补偿器和ＤＰＷＭ模块。本文将系统框图等效为一个连续时间域框图，然后导出连续时间域下控制器到输出端的传递函数，然后再根据反馈回路传递函数和ＤＰＷＭ模块传递函数得到系统开环传递函数，并确定合适的ＰＩ系数，最后通过后退型欧拉积分得到用于数字控制的ＰＩ系数。
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