数控开关电源设计

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1、1绪论1.1课题研究背景开关电源是一种采用开关方式控制的直流稳压电源。它以小型、高效、轻量的特点被广泛应用于各种电子设备中。开关电源控制部分绝大多数是按模拟信号来设计和工作的，其抗干扰能力不太好，信号有畸变。电源作为各种电子设备必不可少的重要组成部分，其性能优劣直接影响到整个电子系统的性能指标。随着科技的发展，电子设备不断更新换代，其种类越来越多，对电源的性能指标的要求越来越高，加之不同的电子设备对电源的要求又不尽相同，这样，给电源的研究带来了许多新的研究课题。在传统功率电子技术中，DC/DC变

2、换器控制部分是按模拟信号进行设计和工作的。在六、七十年代，功率电子技术完全建立在模拟电路的基础上。但是近年来，随着数字信号处理技术的日益完善、成熟，微处理器/微控制器和数字信号处理器的性价比不断提高，数字控制在功率变换器中得到广泛应用。它使得开关电源向数字化、智能化、多功能化方向发展。这无疑提高了开关电源的性能和可靠性。例如电机、不间断电源（UPS）的控制电路都选用各种数字信号处理器或微处理器作为其核心控制部件。功率变换器已由模拟控制、模数混合控制，进入全数字化控制阶段。相对于模拟控制，数字控制

3、有许多优点[1]：（1）数字控制可以实现各种复杂的控制策略，提高控制系统的性能。由于开关器件的存在，功率变换器是强非线性系统。传统的模拟控制是在功率变换器近似线性模型的基础上，利用线性系统的各种设计方法来设计补偿网络，这种方法设计简单且容易实现。但随着对电源性能指标的要求不断提高，这种设计方法很难提高系统的控制性能。而数字控制可以实现各种非线性控制策略，使得控制系统的性能大大提高。（2）数字控制系统具有很强的抗干扰能力。模拟元器件易受环境和温度的变化影响，所以模拟控制器稳定性差。数字控制器较少受

4、到器件老化、环境或参数变化的影响，比模拟控制器更稳定可靠，具有很强的抗干扰能力。（3）数字控制系统灵活性高，数字化极大地简化了变换器控制的硬件。采用数字控制技术可以设计统一的硬件平台，适用不同的变换器系统，只通过软件的改变就可以改变控制策略，无须硬件更改，同时，数字控制系统更容易实现过压、过流保护、输出电压调节、故障监测及通讯等功能，使电源“智能化”。总之，对功率变换器采用数字控制方法大大提高了变换器的控制性能、灵活性等，变换器的性能主要由软件来决定，而不是在于大量离散元器件的参数，这就意味着成

5、本和空间的节省以及实现复杂算法的能力。数字控制的这些优点大大提高了功率变换器的综合性能，由模拟控制向数字控制的转变是电力电子功率变换器的一大发展趋势。1.1.1开关电源的发展历史开关稳压电源（以下简称开关电源）取代晶体管线性稳压电源（以下简称线性电源）已有30多年历史，最早出现的是串联型开关电源，其主电路拓扑与线性电源相仿，但功率晶体管了作于开关状态后，脉宽调制（PWM）控制技术有了发展，用以控制开关变换器，得到PWM开关电源，它的特点是用20kHz脉冲频率或脉冲宽度调制PWM开关电源效率可达6

6、5～70％，而线性电源的效率只有30～40％。在发生世界性能源危机的年代，引起了人们的广泛关往。线性电源工作于工频，因此用工作频率为20kHz的PWM开关电源替代，可大幅度节约能源，在电源技术发展史上誉为20kHz革命。随着ULSI芯片尺寸不断减小，电源的尺寸与微处理器相比要大得多；航天，潜艇，军用开关电源以及用电池的便携式电子设备（如手提计算机，移动电话等）更需要小型化，轻量化的电源。因此对开关电源提出了小型轻量要求，包括磁性元件和电容的体积重量要小。此外要求开关电源效率要更高，性能更好，可靠

7、性更高等。1.1.2我国开关电源历程我国的晶体管直流变换器及开关稳压电源的研制工作始于60年代初期，到60年代中期进入实用阶段，70年代初开始研制无工频变压器开关稳压电源。近10多年来，许多研究机构、高校和工厂研制出多种类型的开关电源，并广泛用于电子计算机、通讯和彩色电视机等领域，效果较好。工作频率为100kHz-200KHz的高频开关稳压电源于90年代初试制成功，已走向应用阶段。90年代后，随着国外控制芯片的发展和引进，200kHz以上工作频率的开关电源研制也逐步走向成熟，并在许多领域替代了工

8、作频率较低的开关电源。目前国内正在致力于研制高工作频率、多功能化、高效率的开关电源。虽然我国科技人员在开关电源研制方面取得了长足的进展，但与发达国家相比，仍存在着较大差距，尤其是开关电源PWM控制芯片，因为现有开关电源所用的PWM芯片几乎全部来自于国外。根据有关资料报道，西方发达国家把开关电源的工作频率己经提高到1MHz，甚至几十MHz。由于我国半导体技术和加工工艺还落后于西方发达国家，致使我国自行研制的开关电源中许多重要器件还依赖进口。要缩小与西方发达国家在开关电源研制方面的差距，尚需加快研发