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低耗能开关电源的优化设计研究

时间:2020-01-16 来源:青岛大学 作者:赵文群 本文字数:6056字
  摘 要
  
  近年来,对电气设备耗能的要求越来越严格,低功耗和高效率成为设计开关电源的标准。传统副边反馈开关电源是将输出采样电压和精密基准电压进行比较,然后通过光耦器件将信号反馈回到原边的芯片电路,其成本高、体积大、待机功耗高。因此克服这些缺陷的低功率反激式 AC/DC 变换器在当今的消费和工业市场上得到了广泛的应用,这些变换器中使用带有磁反馈功能的原边反馈调节(PSR)。PSR 控制实现了良好的电压和电流调节,同时使待机功耗降低到 300 m W 以下。

低耗能开关电源的优化设计研究
  
  本文详细论述了原边反馈技术的原理及反馈技术实现的方法,比较了原边反馈与副边反馈的优缺点,并据此设计了一款采用了原边反馈的反激式开关电源。此开关电源在断续模式下进行原边反馈调节,对电流进行补偿,得到精准的电压采样。
  
  本文所设计的开关电源采用减少开关损耗和 EMI 滤波的谷开关。使用变频控制以降低开关损耗,特别是降低待机功耗。使开关电源工作在更高频率,减少磁性元件的大小。采用原边反馈调节能够减少元件数量和降低成本。采用电缆补偿,用以更好调节连接电源和负载电阻的电缆末端输出电压。
  
  依据上述理论,设计开关电源的主电路和控制环路,设计补偿网络和计算具体参数。并在 PSIM 等软件上搭建仿真模型,进行仿真验证。在仿真的基础上,进行样机的搭建。对样机实验测试,收集实验数据,进行分析,实验结果证明本文设计的开关电源空载和待机功耗极低,体积小,成本低。
  
  关键词:    原边反馈;待机功耗;反激式变换器;脉冲频率调制。
  
  Abstract
  
  In  recent  years,  the  demand  of  energy  consumption  is  becoming  more  and  more stringent.  Smaller  power  consumption  and  more  efficiency  have  become  a  standard  for the  design  of  switching  power  supply.  The  switching  power  with  secondary-side  control compares  the  output  sampling  voltage  with  the  precision  reference  voltage  source,  then feed-backs  the  signal  back  to  the  primary  side  of  the  chip  circuit  through  the  optical coupling  device.  Its  cost,  volume  and  standby  power  consumption  are  relatively  high.
  
  Therefore, the low-power flyback AC/DC transform, which overcomes these defects, has been  widely  used  in  the  consumers  and  industrial  markets.  In  these  converters,  the primary  side  regulation(PSR)  with  magnetic  feedback  is  used  in  these  converters.  The PSR control achieves good voltage and current regulation, and reduces the standby power to less than 300m W.
  
  This  paper  discusses  the  principle  of  the  primary  side  regulation  and  the implementation methods of the PSR, and compares the merits and demerits of the primary side regulation and the secondary side feedback control, then designs a flyback switching power based on the new feedback technology of  the primary side feedback. The flybackcircuit  worked  in  discontinuous  current  mode  to  primary-side  feedback  control.  The current is compensated to seek precise sampled voltage.
  
  Some  innovations  used  in  the  converter.  The  valley  switching  reduces  switching losses and EMI filtering. Variable frequency control reduces switching losses at fractional output power levels, particularly important to reduce standby power consumption. Higher frequency  operation  reduces  the  size  of  magnetic  components.  Magnetic  versus  optical feedback that reduces part count and cost. This is also known as primary  side regulation (PSR)  implying  that  the  voltage  reference  for  the  system  is  located  within  the  PWM controller  on  the  primary  side  of  the  power  supply.  Feed-forward  output  compensation, also  known  as  cable  compensation,  improves  output  voltage  regulation  at  the  end  of  a resistive cable that connects the supply to its load.
  
  According to the above theory, the main circuit and control loop of switching power supply  are  designed,  the  compensation  network  is  designed  and  the  specific  parameters are calculated. And build the simulation model on the PSIM and other software, and carry on  the simulation  verification.  On the basis  of  simulation,  the prototype  is  built,  and  the experimental analysis is carried out. Test the prototype, collect the experimental data and analyze  it.  The  experimental  results  show  that  the  power  consumption  of  the  switching power supply is very low, the size is small, the cost is low.
  
  Key words:  PSR;Standby power;Flyback converter;PFM。
  
  第一章  绪论
  
  1.1、课题的研究背景及意义。

  
  随着消费类电子产品的快速发展,对开关电源的要求也日益提高,电源性能的优劣直接关系着人们日常使用电子产品的稳定性和安全性。而随着智能化的发展,开关电源特别是高频的开关电源的应用也越来越广泛。
  
  反激式的开关电源由于体积小,结构简单,成本低,在小功率开关电源中广泛使用[1]。反激式开关电源在现阶段主要有两种反馈方式:原边反馈(PSR)和副边反馈。而原边反馈技术又因其省去了光耦器件和TL341,使开关电源体积更小,成本更低,成为近十年来开关电源研究的热点。
  
  由于AC/DC适配器或外部电源(EPS)耗能较大,国际出台了一系列法规,这些法规推动了节能政策的出现--例如美国能源部(DOE)和欧盟委员会关于外部电源能耗标准的行为准则(COC)[2]。为了降低供电电源的能耗这些标准为开关电源的效率和待机功耗制定了最低要求。其中COC包括关于待机(空载)功率要求的表1.1所示。
  
  
  
  由此可以看出节能已成为开关电源一项趋势,本文正是针对传统开关电源功耗高的缺点,设计一款使用原边反馈技术的开关电源,不但大大降低了待机功耗,还提高了效率,并且成本低,具有很大的适用价值。
  
  1.2、国内外研究现状。
  
  1.2.1、开关器件的研究现状。

  
  开关器件是功率电子学的基础部分,技术的发展也较为高速,各种性能优良的电力电子器件也极大的推动了开关电源的发展。20世纪50年代美国通用公司研发出了第一个普通晶闸管,电能的变换不再依赖交流电机等大型电力设备,而是进入了由开关器件组成的变换器时代[3]。
  
  60年代,双极性晶闸管的出现,使得开关电源有较高的工作频率。到70年代,GTR、GTO、功率MOSET等各种开关管相继出现,使得电力电子器件发展到新的台阶。80年代,绝缘栅双极型晶体管(IGBT)出现,使得开关电源的应用由小功率场合向中功率场合发展。IGBT具有工作频率高,电压驱动等优点,逐渐成为开关器件的主流。
  
  为满足工业发展的要求,现代开关器件向高频化、高密度化、模块化和集成化的趋势发展。并不断研发新的器件或采用新的半导体材料优化器件功能[4]。现在使用的MOSET由于用较窄的多晶硅线,较厚的栅极氧化层,较低的沟道注入,显着的提高了工作效率:
  
  (1)使MOSFET输入电容Ciss与栅极电荷Qg都减少了40%,栅极的驱动功率降低,减少各类驱动成本。
  
  (2)使栅漏Miller反馈电容量Crss减少了85%,使开关效率提高,减少了一半的开关损耗。
  
  (3)增大栅极额定电压,达到±30V,不再使用齐纳管,提高了本身功率管的du/dt的抗扰度,从而达到可取消或减轻吸收电路的目的。
  
  (4)500k Hz~1MHz的开关频率得以实现。
  
  1.2.2、开关电源研究现状。
  
  开关电源目前历经了五代技术进步。第一代发生在1970年初,线性电源演变为开关电源;第二代技术进步发生在20世纪70年代中期,开关电源正式得到美国UI安规认证;第三代从1985年起,因为开关电源的应用范围全面扩大,故除美国UI安规认证外,需要考虑欧规和其他安规;第四代发生在1995年,欧盟国家正式对EMC(电磁兼容)进行要求;第五代自2006年起,为了防止有毒物质的使用,欧盟开始强制执行Ro HS条例。
  
  开关电源发展史中有三次极具意义的技术变革:
  
  第一次是工程师罗(G.H.Roger)在1955年推出了由自激震荡推挽式晶体管作为单变压器的直流变换器的高频控制转换电路正式出现;第二次是工程师查赛(Jen Sen)在1957年推出了自激推挽式双变换器;第三次是美国科学家在1964年推出了无工频变压器的串联开关电源,明显降低了开关电源的体积和重量。而现代工艺和技术的不断提高,新器件不断出现,高效率,小体积,轻重量,高可靠性,高频率,高功率因素和模块化等都是开关电源的主要研究方向[5]。
  
  在研究开关电源的初期,对副边反馈调节方式的研究较多,例如美国TI公司的一款经典芯片UC3842,就是使用副边反馈的PWM调制方式[6]。随着开关电源技术的发展和提高,对开关电源的可靠性和成本的要求也来越高,原边反馈PSR技术随之产生,原边反馈技术通过引入辅助绕组,代替了传统开关电源的光电耦合器和TL431芯片等器件,成为研究的热点。
  
  2008年刘步民和蔡伟等人,提出了一种低损耗的电流检测的方法,大大降低了待机功耗。这种方法利用了寄生电阻作为检测电阻,实现了低损耗的电流检测[8]。
  
  2009年K.Y.Lee提出了一种功率因数校正关断电路与新型辅助绕组配合使用。此电路可以再待机状态下关断功率因数校正电路,并通过辅助绕组检测电压,可进一步降低待机损耗[9]。
  
  2010年Eun-Soo Kim等人在提出了一种采用突发模式的新型拓扑结构,该方法是通过对峰值电流和磁性元件的优化实现减小电流和开关损耗,以降低待机功耗[10]。
  
  2010年北京大学的硕士皇冠足球app8中对原边反馈脉冲宽度调节方式的研究[11]。随着原边反馈技术的发展,只在单一工作模式下进行控制已经不能满足要求了,大量多工作模式的控制器被研发出来,例如昂宝的OB2281,在轻负载时工作在绿色调频模式,在负载加重时则使用PWM调制方式。飞思卡尔公司发明的Z-factor技术,在轻载时使用PFM调制,可提高轻载时的效率,降低功耗。现有的开关电源大都使用PWM调制方式,而PWM固定频率很难做到降低待机功耗,但在待机时使用跳频PWM则会产生很大的输出电压纹波。
  
  在待机时降低开关频率,可大大降低待机功耗,采用PFM比PWM更具优势。
  
  2012年Byoung-Hee Lee提出了一种控制电路,当系统待机时,自动切断电路,降低待机功耗,并对输出电压电路进行优化,降低反馈回路的损耗[12]。
  
  2014年徐平凡、肖文勋和黄少辉提出了一种新型降低开关电源待机功耗的方法,这种方法通过检测电路是否接入负载,控制开关管的导通和关断[13]。
  
  2016年Amin A等人提出了一种设计变换器的新技术,即当电感电流为负值时,自动检测零电感电流,迫使变换器从连续导通模式(CCM)自动过渡到不连续导通模式(DCM),从而防止电感电流为负,从而提高变换器在轻载时的效率[14]。
  
  2016年Jeongpyo Park等人提出了一种自适应频率降低的准谐振(QR)控制器。在保持谷底导通的同时,QR控制器通过跳过一些山谷以降低功率损耗,从而达到更好的轻载效率,降低了较轻负载的切换频率。如果由于开关电压的阻尼振荡,QR控制器无法检测到任何山谷,则放弃谷底导通,采用非谷底导通来减少负载较轻时的开关频率,降低了待机功耗[15]。
  
  除了上述的研究,能够使反激式开关电源损耗降低的准谐振技术也是研究的重点。其中包括对谷底检测方式的研究,较热门的方式有零电压检测和零电流检测[16,17]。在恒压输出时,普通PWM调制方式能很好的兼容准谐振技术,同时可以避免带轻负载时的效率下降。综上所述,虽然如今国内外都对原边反馈的开关电源做了大量的研究,但依然有一些不足未被克服,本文设计了一款新型原边反馈开关电源实现超低待机损耗,并提高了效率。
  
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  1.3、本文的主要研究内容和工作要点
  
  第二章  开关电源系统分析

  
  2.1、开关电源概念和分类
  2.2、开关电源环路控制方式.
  2.3、开关电源调制方式
  
  第三章  PSR 技术的应用
  
  3.1、反激式变换器工作原理
  
  3.2、原边反馈与副边反馈技术

  3.2.1、副边反馈技术
  3.2.2、原边反馈技术
  
  3.3、DCM模式下原边反馈分析.
  3.3.1、DCM模式下反激变换器工作分析
  3.3.2、DCM模式下原边反馈技术分析
  
  3.4、CCM模式下原边反馈分析
  3.4.1、 CCM模式下反激变换器工作分析
  3.4.2、 CCM模式下原边反馈技术分析
  
  3.5、固定点检测误差源分析.
  
  3.6、本章小结
  
  第四章  低损耗的反激式变换器
  
  4.1、准谐振技术

  4.1.1、谷底开关介绍
  4.1.2、准谐振反激变换器的工作过程分析
  
  4.2、 DCM控制方式.
  4.2.1、固定频率DCM.
  4.2.2、变频DCM
  4.2.3、变频TM/DCM
  
  4.3、待机功率
  4.3.1、待机损耗的来源
  4.3.2 、启动方式对待机功耗的影响
  4.3.3、最小输入周期能量和实现低P
  
  4.4、本章小结
  
  第五章  原边反馈反激式变换器电路设计
  
  5.1、引言
  
  5.2、电源设计指标
  
  5.3、变压器设计

  5.3.1、磁芯的选择
  5.3.2、变压器变比的设计
  5.3.3、变压器电感量计算
  5.3.4、绕组优化设计考虑
  
  5.4、主电路的设计
  5.4.1、开关管的选择
  5.4.2、输出滤波电容的选择
  
  5.5、变换器控制策略设计
  5.5.1、控制模块设计
  5.5.2、谷底导通实现
  
  5.6、本章小结
  
  第六章  PSR开关电源仿真与实验结果分析
  
  6.1、电源仿真及分析

  6.1.1、 负载瞬变
  6.1.2 、谷底导通检测
  6.1.3、 COT调制检测
  
  6.2、实验波形与分析
  6.2.1、负载瞬变
  6.2.2、输出电压纹波
  6.2.3、谷底导通
  6.2.4、效率测量与分析
  6.2.6、待机功耗
  
  6.3、本章小结

  总  结

  本文比较了现阶段国内外反馈技术,着重于研究反激式原边反馈技术,设计出可行性较高的反激式开关电源。原边反馈技术相较于传统的副边反馈有待机损耗很小,能耗低,体积小,重量轻,效率高等优点,这些也为开关电源的发展方向,故原边反馈技术得到了迅速发展。原边反馈技术已有众多高校和企业在研究,本文在现有资料的基础上,进一步改进了原边反馈电路,提高了反馈精度。并搭建了实验平台,对设计的各项内容进行检测和验证。具体工作有:

  本文再设计之初就选定了反激式拓扑作为电源主电路的拓扑结构,原边反馈的反馈技术只有在反激式拓扑中才能发挥效果。对于开关电源的设计,采用了谷底开关,准谐振技术以及原边反馈调节方式,大大降低了开关电源的损耗。

  通过仿真验证了设计的正确性,再通过搭建实验平台,测试样机。由测试结果可知,本文设计的开关电源空载和待机损耗低至0.3W。但实验结果与理论要求仍存在一定的误差,使得开关电源的效率降低,待机损耗也仍与理论存在一定的差距,本设计依然存在一定的改进空间。

  本文对开关电源的工作阶段和采样时刻进行了研究介绍。实验结果表明:本次设计的开关电源能够安全运行,损耗小、体积小,可靠性高,效率高,能满足设计要求。

  但由于个人学习程度不够,仅对开关电源原边反馈进行初步研究,仍有很多研究需要进行。在此,总结本次设计的不足,明确以后的研究方向:

  (1)本文搭建的样机只在实验室中进行了性能测试,并没有应用到工作实际之中,在实际应用中可能会出现许多问题,需要重新调整优化。

  (2)本次设计的开关电源在效率和待机功耗方面未能达到要求,对寄生参数的影响需要进一步研究,并取得改进解决方案,增加电源效率。

  参考文献

    赵文群. 低损耗开关电源的设计[D]. 青岛大学 2018
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