一种全负载高效率和高动态响应的反激变换器设计

摘要

随着消费类电子产品的广泛应用，电源问题也引起了人们的广泛关注，并且越来越多的电子工程师们进入电源行业，致力于电源的开发和设计。根据电源的工作原理，可以将其分成线性稳压源、电荷泵电源以及开关稳压源3类。其中开关电源由于其转换效率高而使得它脱颖而出成为电源工程师的研究热点。根据开关电源的拓扑结构，又可以将其分成降压、升压、反激和正激等多种变换器类型。其中反激变换器由于使用元件少、拓扑结构简单、可靠性高以及输入输出隔离等优点，被广泛应用于中小功率场合。因此，在中小功率场合中，研究反激开关电源具有重要意义。 本文设计并实现了一种应用于电视机顶盒中的反激开关电源。文中首先介绍反激开关电源的相关知识，包括反激开关电源的工作原理、两种不同的工作模式、峰值电流控制模式以及开关电源环路补偿。然后，根据一个完整的AC/DC开关电源的系统框架，完成反激开关电源外围功率级电路的元器件的选择和设计，主要包括输入保护电路、电磁干扰(EMI，Electromagnetic Interference)滤波电路，变压器初级和次级的整流滤波电路等。同时，为了减小寄生参数对反激开关电源的影响，提高电源的转换效率，保证电源正常稳定的工作，对变压器初级侧功率开关管无源无损箝位电路进行设计。最后，对非理想的峰值电流控制模式的反激变换器进行建模，并利用Matlab软件根据建模结果完成反激开关电源反馈环路补偿网络的设计。反激开关电源的测试结果表明:电源的输出电压纹波为200mV，输入电压调整率为1.6％，输出电压调整率为6.99％，动态响应时间分别为530μs（在负载突然减小的情况下）以及2.9ms（在负载突然增大的情况下），电源的平均效率约为82％。本文设计的反激开关电源有关效率的测试结果可以满足系统给出的指标。 本文中对反激变换器的外围电路的设计以及建立的峰值电流控制模式的反激变换器的小信号模型可以应用于南京通华芯公司的12W和60W的反激开关电源设计中并且对其公司的THX芯片的设计有一定的指导意义。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 课题背景与意义

1．2 国内外研究现状

1．3 研究内容与设计指标

1．3．1 研究内容

1．3．2 设计指标

1．4 论文组织

第2章 峰值电流控制模式的单端反激变换器

2．1 反激变换器的工作原理

2．2 反激变换器的工作模式

2．2．1 CCM工作模式

2．2．2 DCM工作模式

2．3 开关电源控制模式

2．3．1 电压控制模式

2．3．2 峰值电流控制模式

2．4 峰值电流控制模式稳定性分析及斜坡补偿

2．4．1 次谐波振荡产生的原因

2．4．2 斜坡补偿

2．5 环路稳定的判断以及开关电源环路补偿

2．5．1 环路稳定性

2．5．2 补偿网络

2．6 本章小结

第3章 反激开关电源的设计

3．1 输入保护电路

3．1．1 熔丝管FUSE

3．1．2 负温度系数的热敏电阻(NTCR)

3．1．3 压敏电阻(VSR)

3．2 电磁干扰(EMI)滤波电路

3．3 整流滤波电路设计

3．3．1 输入整流管的选择

3．3．2 输入滤波电容

3．4 功率开关管的选择

3．5 次级整流滤波设计

3．5．1 输出整流管的选择

3．5．2 输出滤波电容的计算

3．6 无源无损箝位(LCD)电路

3．6．1 无源无损箝位电路

3．6．2 箝位电路参数的设计

3．6．3 箝位电路的损耗计算

3．7 本章小结

第4章 反激变换器环路的建模及设计

4．1 峰值电流控制模式的反激变换器的建模

4．1．1 采用开关元件平均模型对非理想的Flyback功率级电路进行建模

4．1．2 对峰值电流控制模式进行建模

4．1．3 反激开关电源的反馈补偿网络的设计

4．2 基于Saber的时域验证

4．3 本章小结

第5章 测试结果与分析

5．1 功率MOS管的无源无损箝位电路的性能测试

5．2 稳定性

5．2．1 输出纹波

5．2．2 输入电压调整率

5．2．3 负载调整率

5．3 动态响应

5．4 效率测试

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

攻读硕士学位期间发表的论文

致谢