宽范围输入两级式DC/DC变换器的研究--《重庆大学》2011年硕士论文
宽范围输入两级式DC/DC变换器的研究
【摘要】：现实生活中常遇到一些特殊状况使得设备的输入电压会超出常规范围变化。宽范围输入电压可能会导致控制系统的不稳定,同时容易使电子器件所承受的应力超出其耐压耐流水平,造成设备过热甚至烧毁。军用特种车因其特殊的应用环境,输入电压常出现宽范围变化情况。然而,其内部电子设备对输入电压的稳定性要求很高,28V稳定的直流电压是这些电子设备常需的电压,且要求供电电源模块动态特性好、体积小、稳定性高。本文针对于军用特种车载系统中遇到的宽范围输入电压问题,提出了一种由双管BuckBoost电路与双管正激变换电路级联的两级式DC/DC变换器的解决方案,该级联电路能够在85V~450V输入电压范围内稳定工作,并输出稳定的低纹波28V电压。
在单电压型控制调压系统中,输入电压变化会引起系统各电气变量变化,只有这些变化引起输出电压的变化之后,电压控制环才起到调节作用。平均电流控制通过引入电感电流构建内反馈环,能更快的反应输入电压变化,从而迅速的调节系统。论文构建了平均电流控制系统作为前级双管BuckBoost变换器的环路控制系统,验证了该控制系统在85V~450V输入电压范围内的适用性;介绍了双管BuckBoost电路的工作原理,并建立了电路两种工作模式的小信号模型;对前级主电路进行详细的参数设计,并讨论其元器件的选取。
后级双管正激变换器主要作用是二次降压和电气隔离,同时保证负载变化时输出电压的稳定性,采用单电压环控制系统。建立了双管正激变换器的小信号模型,对主电路参数进行了设计,并对环路控制系统进行了详细的设计。
为了确保本文所提出的两级式级联变换器稳定工作,论文分析了前级双管BuckBoost变换器的输出阻抗与后级双管正激变换器的闭环输入阻抗的关系,验证了两者满足级联系统稳定性判据。
为验证两级式变换器的可行性以及理论分析的正确性,建立了基于PSIM软件平台的仿真模型。仿真结果表明:系统能稳定工作并具有良好的动静态特性,输入电压变化和负载变化引起的输出电压扰动很小,输出电压近似恒定。
最后,制作了两级式变换器的原理样机,并进行了实验研究,对实验所得波形进行了分析,验证了本文所提出方案的可行性和正确性。
【关键词】：
【学位授予单位】：重庆大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2011【分类号】：TM46【目录】：
中文摘要3-4英文摘要4-91 绪论9-17 1.1 课题的研究背景9-14
1.1.1 宽范围输入变换器应用场合及其现实意义9-11
1.1.2 宽范围输入变换器拓扑选择标准11
1.1.3 宽范围输入变换器研究现状11-14 1.2 本文的研究内容和意义14-17
1.2.1 本文的研究意义14
1.2.2 本文的研究内容14-172 前级变换器工作原理及其控制环路设计17-33 2.1 引言17 2.2 双管BuckBoost 变换器工作原理17-18 2.3 双管BuckBoost 变换器小信号模型18-20 2.4 控制环路设计20-32
2.4.1 控制方式选择20-22
2.4.2 控制器选择22-24
2.4.3 级联系统中后级变换器的负阻抗特性分析24-25
2.4.4 电流内环控制器设计25-27
2.4.5 宽范围输入电压下电流控制器适用性验证27-29
2.4.6 电压外环控制器设计29-32 2.5 本章小结32-333 双管 BuckBoost 变换器参数设计33-43 3.1 引言33 3.2 电路工作于Boost 模式时的器件工作状态分析33-37
3.2.1 电感电流分析33-35
3.2.2 开关管和二极管应力分析35-36
3.2.3 电感量计算36-37
3.2.4 输出滤波电容设计37 3.3 电路工作于Buck 状态时的器件工作状态分析37-40
3.3.1 电感电流分析37-38
3.3.2 开关管和二极管应力分析38-39
3.3.3 电感量计算39-40
3.3.4 输出滤波电容设计40 3.4 双管BuckBoost 变换器的器件选择40-42
3.4.1 开关管和二极管选择40-41
3.4.2 电感值选择41
3.4.3 电容选择41-42 3.5 本章小结42-434 后级变换器设计43-51 4.1 引言43 4.2 后级变换器的选择43-45 4.3 后级双管正激变换器参数设计45-47
4.3.1 变压器匝比选择45-46
4.3.2 电感电流分析46
4.3.3 开关管选取46
4.3.4 二极管选取46
4.3.5 电感值计算46-47
4.3.6 电容选取47 4.4 后级双管正激变换器的小信号模型47-48 4.5 单电压环控制回路设计48-50 4.6 本章小结50-515 两级式变换器稳定性分析51-57 5.1 引言51 5.2 级联系统稳定性判据51 5.3 前级变换器输出阻抗51-53
5.3.1 Buck 模式时的前级变换器输出阻抗52
5.3.2 Boost 模式时的前级变换器输出阻抗52-53 5.4 后级变换器闭环输入阻抗53-54 5.5 前后级阻抗匹配性验证54-55 5.6 本章小结55-576 宽范围输入两级式变换器仿真分析57-63 6.1 引言57 6.2 仿真结果57-62
6.2.1 输入电压在85~450V 间阶跃变化时的仿真结果57-60
6.2.2 输入电压在85~450V 间线性缓慢变化时的仿真结果60-62 6.3 本章小结62-637 实验电路的设计与结果分析63-77 7.1 引言63 7.2 主电路磁件设计63-66
7.2.1 前级变换器电感器设计63-64
7.2.2 高频变压器设计64-66
7.2.3 后级变换器输出滤波电感器设计66 7.3 前级变换器控制环路实现66-69
7.3.1 平均电流控制环路的实现66-67
7.3.2 工作模式自动切换的实现67-69 7.4 后级变换器控制环路实现69-70 7.5 MOSFET 缓冲电路设计70-71 7.6 MOSFET 驱动电路设计71-72 7.7 实验结果及分析72-76 7.8 本章小结76-778 总结与展望77-79 8.1 全文工作总结77 8.2 后续工作展望77-79 致谢79-81参考文献81-85附录85 作者在攻读学位期间发表的论文目录85
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双输出正负电压DC-DC开关电源控制芯片的设计
基于目前市场上便携式产品中的LCD、OLED显示技术对于正负偏置电源的需求，本文旨在研究一种高集成度的、可同时输出一组正负电压的单电源供电DC-DC开关电源控制芯片，该芯片需具备高稳定性，低功耗，较高的转换效率等特点。
本文首先设计了芯片的整体框架，并分析了正电压VDD和负电压VSS的实现原理。由于芯片内部正电压和负电压控制模块具有类似的结构和功能，同时，考虑到将负电压输出部分的反馈引入芯片内部有一定的实现难度，因此本文以负电压控制部分为主，设计了芯片内部的电路结构，其中，主模块电路、保护电路以及部分辅助模块电路均可用于正负两个控制部分。本文设计的主模块电路包括：电压基准、误差放大器、振荡器以及PWM比较器，其中电压基准的设计对传统结构进行了一些改进，使其具有高精度和高电源抑制比，增加了基准的可靠性；除了主控制模块以外，芯片功能的实现及性能的提高还需要一些辅助模块，包括：偏置电路、功率管驱动电路、采样电路、逻辑控制电路和软启动电路，在负电压控制部分，采样电路是对输出负电压进行采样，并引入反馈，本文通过叠加基准电压的方法解决了引入负电压反馈的问题；为了保证芯片不受损坏，还增加了保护电路，包括：过温保护电路和欠压保护电路。每个模块经过仿真证明均符合设计指标。最后，本文基于一种改进的升压变换器结构，对负电压输出部分进行了系统仿真。
本文设计的控制芯片基于上华0.6um CMOS工艺，采用电压控制模式，PWM调制方式，结构简单，工作稳定。其主要技术指标接近同类先进产品水平，能够在2.2V～4.5V的电源电压范围，-25℃～85℃的温度范围内正常工作；负电压部分固定-12V输出电压，线性调整率小于3mV/V，额定输出电流24mA，满载转换效率达86.5％，输出电压纹波小于30uV。
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不论什么结构的放大器，直流输出越小越好吧，超过0.6-07v一般都会保护了，
所以哪怕有点偏离，也应该在0.2v以下比较好
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一些纯DC放大电路都要加中点伺服电路，保证中点电压在正负50mV以内。纯DC放大电路的直流负反馈程度很低，所以中点偏移很大，在选配晶体管时，非常麻烦。在低温工作时，中点电压正常，温度变高时，中点很容易偏出正负100mV。OCL电路最低要求，中点电压在正负100mV以内，最高要求在正负20mV以内。
补充内容 ( 08:05):
高保真功放中点电压必须在正负20mV以内，这是电路要求，否则难以达到高保真要不得求。
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误差8mv至15mv为宜
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我觉得最重要是稳定，比如静态时是正20mv，大动态是平均值也是20mv，这就很过硬。还有就是你用万用表也没法测出来：动静态是否有很小的寄生震荡，他将很大影响音质总体感！
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专家都说了：晶体管的配对都是传说，看看图示检测仪就知道了！所以说纯DC放大器可以加入中点伺服电路，或可调电阻器。真正去“配对”，是可以减小误差，这个误差多与少只能看个人悟性！
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静态中点20毫伏就非常好了，有输入和反馈落地电容的静态中点能达到这个水平就不错了，当然动态稳定更重要。
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静态都好办，动态嘛------
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组装了几台机，输出中点电压基本控制在：静态+-5MV,动态+-30MVmV内，噪声较好
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2N1带恒流双差分输入级-2N1电压放大级-IRF630 IRF9630 分路反馈功率输出级。纯直流功放没有用中点伺服在零件配对上下足功夫.静态电流50mA开机10分钟后，静态中点1.9mV，26mV.偏差大的那边是功率管配对误差大了。
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我想DIY的乐趣就在理性的较汁，但不钻牛角尖，
既然所谓的配对较困难，于是利用元器件特性让他们在误差很小范围内相互抵消，运用最广的就是差分电路，
按着这思路我们是不是也要把功放电路“较真”到全对称推挽输出，当然难度又加一成...
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