同步整流降压型dcdc变换器的研究(附件)
DC-DC变换器在开关电源的领域中有着广泛的应用，一直以来就是研究的热点，现代工业控制系统中电源的发展趋势是高频化、小型化、模块化，而高频化则是开关电源发展的重要趋势，达成高效率基本方案半导体，软开关，目前用来提高效率的措施有软开关技术和同步整流技术等。因此，需要对开关变换器进行必要的控制，而控制又分为硬件控制和软件控制两种方式，硬件控制，比如 UC3842、TL431和PC817组合控制方案，TL494固定频率脉宽调制电路，或软件数字化的控制方案，比如设计基于TI公司生产的TMS320F2812的数字化控制方案。 本课题研究一种同步整流降压型DC-DC变换器，可以在低压大电流输出的情况下，保持系统的高效电能变换，同时应用TMS320F2812开发板，设计DC-DC变换器数字化PWM控制方案，该方案采用双环控制架构，采用PI控制策略，采集输出的电压，电感电流，平均电流控制的控制方案，输入48V,输出5V,20A,实现100W样机平台的软件设计。关键字 BUCK变换器，同步整流，TMS320F2812，双环
目 录
1 绪论 1
1．1 DCDC变换器技术回顾与发展趋势 1
1．2 高效转换措施 1
1．3 DCDC控制方案 2
1．4 本文研究内容与章节安排 5
2 同步整流降压型DCDC变换器工作原理 7
2．1 同步整流简介 7
2．2 同步整流降压型DCDC变换器的电路结构 7
2．3 Buck变换电路稳态分析 8
2．4 电流双闭环控制架构原理 13
2．5 三角波比较控制原理 17
3 同步整流降压型DCDC变换器MATLAB仿真 18
3．1 仿真原理分析 18
3．2 单双环仿真对比分析 19
3．3 单双环控制的优缺点 22
3．4 总结 23
4 同步整流降压型DCDC变换器软件设计 24
4．1 TMS320F2812芯片简介 24
4．2 软件运行结构图 25
4．3 软件构成 25
4．4 示 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
波器波形分析 30
结 论 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
附录 代码 38
1 绪论
1．1 DCDC变换器技术回顾与发展趋势
DCDC变换器在开关电源的领域中有着广泛的应用，一直以来就是研究的热点，现代工业控制系统中电源的发展趋势是高频化、小型化、模块化，而高频化则是开关电源发展的重要趋势，达成高效率基本方案：半导体，软开关，目前用来提高效率的措施有软开关技术和同步整流技术等。在20世纪末,在IT和通信产业需求的推动下,DCDC开关变换器技术取得了巨大的发展，应用范围也随之扩大。在21世纪，随着生活水平的日益提高，人们越来越重视环境保护，因而清洁能源的开发、储能、应用等方面便有了巨大的市场前景，DCDC开关变换器技术随之拥有了更加广阔的应用领域。
DCDC开关变换器的数字化是电力电子技术的一个重要发展方向，所以对于变换器的数字化研究是非常有意义的。由于在一个控制系统中，需要时时对控制量进行相应的检测，将检测结果与参考量进行比较，将比较的得到的误差量按照某种控制方案进行相关的控制作用，依次来保持被控量（输出电压或者电流）的稳定性，使其处于某一稳态。因此,采用带有反馈的闭环控制系统，对于DCDC变换器实现数字化不可缺少的，例如电压反馈的单闭环控制系统或电流双闭环控制系统，由自动闭环控制系统中的执行元件，测量元件，控制元件三个部分组成，因而必须具有良好的稳定性、快速性和准确性。
1．2 高效转换措施
1.2.1 软开关PWM技术
在硬开关工况下的开关管，由于开关管不是理想的开关器件，在导通时，电压会有一段下降时间用来将电压下降到零，电流会有一个上升时间用来将电流上升到负载电流。在这部分下降上升的时间段内，电压与电流会产生重合部分，在这段重合区域中，开关管会产生一定的损耗，称为开通损耗，反之，在关断时，开关管也会有一段上升时间让电压从零上升到负载电压，会有一段下降时间让电流下降到零，这段期间内也会有一定时间长度的重合区域，会产生关断损耗。因此开关管在开通或关断过程中，会产生开通损耗和关断损耗，称为开关损耗。因而，开关管在一定条件下，每个工作周期内的开关损耗是有定值的，开关管的开关损耗的总和与开关变换器的工作频率成正比，伴随着开关管开关频率增高，开关损耗也逐步上升，转换效率也就越低。所以，为也降低开关损耗，提高开关频率，便逐步发展出电压与电流不交叠的软开关技术。软开管技术包含包括零电压开关（ZVS),零电流开关（ZCS)。在高频化趋势促进下，通过控制开关变换器中电感L与电容C的谐振，同时结合常规PWM技术，实现开关频率的稳定控制，称为软开关PWM技术。其本质是在开关管开通和截止之前，结合PWM技术，利用电感L和电容C的谐振过程，使得流过开关管的电流和开关管两端的电压按某种正弦规律变化逐步降为零，这一过程称为零电压开通和零电压关断。
与采用频率调整（PFM)技术相比，采用恒定频率（PWM)控制的软开技术，设计优化更加便利。
1.2.2 同步整流技术
由于二极管拥有开通压降较大，当二极管作为整流电路的整流器时，在低压大电流场所中，流过整流器的电压电流损耗会较大，从而使得电源变换效率降低。因此要提高开关变换器的转换效率就要降低开关管的损耗，因为功率MOSFET管具有较低的导通电压，人们便把功率器件MOSFET管作为开关电路中整流器，，来降低开关变换器的损耗，因此称之为同步整流技术。使用功率MOSFET管作为整流器件，要完成整流功能，需要时刻保持被整流的电压的相位与功率MOSFET管的栅极的电压相位同步，称为同步整流[18]。
1．3 DCDC控制方案
1.3.1 硬件控制方案
1)UC3842、TL431和PC817组合控制
UC3842可在电流控制型电路中控制输出输出PWM,属于电流控制的PWM波控制方式。
TL431 是一种稳压器， 在电源的采样反馈回路中，常用作可调压的电压基准。
PC817是光耦合元件,用于上下级电路之间的信号传输,减小其它信号干扰，提高电路运行的安全性。
以单端反激开关电源设计为例 [1],
图11 单端反激式开关电源的核心电路
如图11所示，单端反激开关电源的主要控制电路以PC817A、 TL431和UC3842为控制电路 。采用控制方式采用电流型控制，其中在开关线圈的前端电路中 ,UC3842的作用是控制功率开关 。在后端的反馈回路中 , TL431可用于 ,采样输出，产生相应的误差电压。该误差电压通过 PC817A 变换成误差电流 ,耦合到前端电路中, 作为UC3842的输入信号。依据输入信号，UC3842产生相应的占空比D来控制开关管的通断[1]。
目 录
1 绪论 1
1．1 DCDC变换器技术回顾与发展趋势 1
1．2 高效转换措施 1
1．3 DCDC控制方案 2
1．4 本文研究内容与章节安排 5
2 同步整流降压型DCDC变换器工作原理 7
2．1 同步整流简介 7
2．2 同步整流降压型DCDC变换器的电路结构 7
2．3 Buck变换电路稳态分析 8
2．4 电流双闭环控制架构原理 13
2．5 三角波比较控制原理 17
3 同步整流降压型DCDC变换器MATLAB仿真 18
3．1 仿真原理分析 18
3．2 单双环仿真对比分析 19
3．3 单双环控制的优缺点 22
3．4 总结 23
4 同步整流降压型DCDC变换器软件设计 24
4．1 TMS320F2812芯片简介 24
4．2 软件运行结构图 25
4．3 软件构成 25
4．4 示 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
波器波形分析 30
结 论 34
致 谢 35
参 考 文 献 36
附录 代码 38
1 绪论
1．1 DCDC变换器技术回顾与发展趋势
DCDC变换器在开关电源的领域中有着广泛的应用，一直以来就是研究的热点，现代工业控制系统中电源的发展趋势是高频化、小型化、模块化，而高频化则是开关电源发展的重要趋势，达成高效率基本方案：半导体，软开关，目前用来提高效率的措施有软开关技术和同步整流技术等。在20世纪末,在IT和通信产业需求的推动下,DCDC开关变换器技术取得了巨大的发展，应用范围也随之扩大。在21世纪，随着生活水平的日益提高，人们越来越重视环境保护，因而清洁能源的开发、储能、应用等方面便有了巨大的市场前景，DCDC开关变换器技术随之拥有了更加广阔的应用领域。
DCDC开关变换器的数字化是电力电子技术的一个重要发展方向，所以对于变换器的数字化研究是非常有意义的。由于在一个控制系统中，需要时时对控制量进行相应的检测，将检测结果与参考量进行比较，将比较的得到的误差量按照某种控制方案进行相关的控制作用，依次来保持被控量（输出电压或者电流）的稳定性，使其处于某一稳态。因此,采用带有反馈的闭环控制系统，对于DCDC变换器实现数字化不可缺少的，例如电压反馈的单闭环控制系统或电流双闭环控制系统，由自动闭环控制系统中的执行元件，测量元件，控制元件三个部分组成，因而必须具有良好的稳定性、快速性和准确性。
1．2 高效转换措施
1.2.1 软开关PWM技术
在硬开关工况下的开关管，由于开关管不是理想的开关器件，在导通时，电压会有一段下降时间用来将电压下降到零，电流会有一个上升时间用来将电流上升到负载电流。在这部分下降上升的时间段内，电压与电流会产生重合部分，在这段重合区域中，开关管会产生一定的损耗，称为开通损耗，反之，在关断时，开关管也会有一段上升时间让电压从零上升到负载电压，会有一段下降时间让电流下降到零，这段期间内也会有一定时间长度的重合区域，会产生关断损耗。因此开关管在开通或关断过程中，会产生开通损耗和关断损耗，称为开关损耗。因而，开关管在一定条件下，每个工作周期内的开关损耗是有定值的，开关管的开关损耗的总和与开关变换器的工作频率成正比，伴随着开关管开关频率增高，开关损耗也逐步上升，转换效率也就越低。所以，为也降低开关损耗，提高开关频率，便逐步发展出电压与电流不交叠的软开关技术。软开管技术包含包括零电压开关（ZVS),零电流开关（ZCS)。在高频化趋势促进下，通过控制开关变换器中电感L与电容C的谐振，同时结合常规PWM技术，实现开关频率的稳定控制，称为软开关PWM技术。其本质是在开关管开通和截止之前，结合PWM技术，利用电感L和电容C的谐振过程，使得流过开关管的电流和开关管两端的电压按某种正弦规律变化逐步降为零，这一过程称为零电压开通和零电压关断。
与采用频率调整（PFM)技术相比，采用恒定频率（PWM)控制的软开技术，设计优化更加便利。
1.2.2 同步整流技术
由于二极管拥有开通压降较大，当二极管作为整流电路的整流器时，在低压大电流场所中，流过整流器的电压电流损耗会较大，从而使得电源变换效率降低。因此要提高开关变换器的转换效率就要降低开关管的损耗，因为功率MOSFET管具有较低的导通电压，人们便把功率器件MOSFET管作为开关电路中整流器，，来降低开关变换器的损耗，因此称之为同步整流技术。使用功率MOSFET管作为整流器件，要完成整流功能，需要时刻保持被整流的电压的相位与功率MOSFET管的栅极的电压相位同步，称为同步整流[18]。
1．3 DCDC控制方案
1.3.1 硬件控制方案
1)UC3842、TL431和PC817组合控制
UC3842可在电流控制型电路中控制输出输出PWM,属于电流控制的PWM波控制方式。
TL431 是一种稳压器， 在电源的采样反馈回路中，常用作可调压的电压基准。
PC817是光耦合元件,用于上下级电路之间的信号传输,减小其它信号干扰，提高电路运行的安全性。
以单端反激开关电源设计为例 [1],
图11 单端反激式开关电源的核心电路
如图11所示，单端反激开关电源的主要控制电路以PC817A、 TL431和UC3842为控制电路 。采用控制方式采用电流型控制，其中在开关线圈的前端电路中 ,UC3842的作用是控制功率开关 。在后端的反馈回路中 , TL431可用于 ,采样输出，产生相应的误差电压。该误差电压通过 PC817A 变换成误差电流 ,耦合到前端电路中, 作为UC3842的输入信号。依据输入信号，UC3842产生相应的占空比D来控制开关管的通断[1]。
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