PWM教育训练

PWM教育训练KMCC：Alex.QianAgenda：一、硬开关技术1、基础知识2、PWM开关基本原理3、PWM情形主要性能指标4、纹波的抑制方法二、软开关技术1、软开关的基本原理及与硬开关的区别2、软开关的基本电路形式（1）、全谐振电路（2）、准谐振电路（3）、零开关及零转换电路（4）、ZCS-PWM和ZVS-PWM电路附讲：PCA-6006V-Core电路讲解基础知识：开关无论哪一种DC-DC变换器，主回路使用的开关只是指电子开关，它的作用是快速的开通及快速的关断，并且在两种状态下快速的转换，只有快速的度过线性放大工作区，状态转换引起的损耗才能降低到最小。目前使用的电子开关大多为双极型晶体管、功率场效应管、IGBT(绝缘栅双极型晶体管)等。基础知识：电感由于电感的电流、电压相位不同，因此其理论损耗为零，常作为储能元件，也常常与电容共用在输入滤波器和输出滤波器上，用于平滑电流，也称为扼流圈电感的磁饱和现象：随着电流的增加磁通也会相应增加，当电流增加到一定值后磁通不再增加，电感值会减小，流过的电流会增大，损坏电源的功率管。开关电源中，电感有两个寄生参数：1、绕线电阻；2、分布式杂散电容，低频时影响不大，高频时电感将呈现电容特性。电感等效电路基础知识：电容电容实际等效电路电容是开关电源常用的元件，与电感一样都是储存电能和传递电能的作用，但对频率的特性刚好相反，应用上，主要起吸收纹波，平滑电压波形的作用。1电容的寄生参数：Rs(ESR)：串联电阻；Ls(ESL)：串联电感；Rp：泄漏电阻(也称绝缘电阻)；Cda：介质吸收电容；Rda：介质吸收电阻；对高频信号影响最大的为ESR和ESL。电容简化等效电路PWM开关基本原理：斩波PWM开关电源的工作过程是通过“斩波”的手段来实现，即把输入的直流电压斩成幅值等于输入电压幅值的脉冲来实现，再经过整流滤波后得到直流输出电压。PWM开关基本原理：占空比导通占空比：开关导通时间与周期的比值。offononsontttTtD通过控制占空比控制输出电压基本降压式变换器（Buck变换器）1、当开关导通时，输入电压加到LC滤波器的输入端，电感上的电流以固定斜率上升，电感上的电流用以下公式描述：储存在电感上的能量为：输入的能量就储存在电感铁芯材料的磁通中。基本降压式变换器（Buck变换器）2、当开关断开时，电感上的电流无法进行突变，电感电流通过二极管D续流，同时电感中存储的一部分能量向负载释放，续流电流环包括：二极管、电感、负载。此时电感上的电流为：当开关管再次导通时，二极管迅速关断，电流从输入电源和开关管流过，在开关管导通前瞬间，电感上的电流Imin就是开关管通过的初始电流。PWM开关基本原理：冲量定理自动控制理论冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性的环节上时，其效果基本相同。形状不同而冲量相同的各种窄脉冲冲量=窄脉冲面积改变占空比方法：PFM①脉冲频率调制(PFM)维持ton不变，改变TS。改变TS就改变了输出电压周期或频率。2211DTtTtDsonson改变占空比方法：PWM维持TS不变，改变ton在这种方式中，输出电压波形的周期不变，仅改变脉冲宽度。②脉冲宽度调制(PWM)有利于滤波器的设计改变占空比方法：PWM/PFM③混合脉冲宽度调制脉冲周期TS与宽度ton均改变。广义的脉冲宽度调制技术包含上述三种控制方式三种调制方式对比PFM：如果水槽2输出变快（后端负载加大），则加快小水桶的运送频率，但每次运送的量是一定的。PWM：如果水槽2输出变快（后端负载加大），增加每次运送的量，比如原来一次运送3L，改为运送每次5L，但运送的频率是一定的。PFM/PWM:如果水槽2输出变快（后端负载加大），不仅增加小水桶运送的频率，同时增加每次运送的量。三种调制方式类比讲解PWM与PFM主要性能对比PWMPFM电路规模（IC内部）复杂简单消耗电流较多较少纹波电压较小较大瞬态响应较好（反应较快）较差（反应较慢）PWM情形电源系统主要性能指标：（电感电流连续情形）(1)平均输出电压Uo(2)平均输出电流Io表现系统主要性能指标的量：(3)电感电流纹波DIL(4)负载电压纹波DUO(1)平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。0*)(*)(offConCStutuU或：0*)(*)(offoonoStUtUUSSSonoDUUTtU输出平均电压Uo输出平均电流Io和电感电流纹波DIL(2)输出平均电流IoRUDRUISOo(3)电感电流纹波DILOSCSLLUUuUdtdiLuonOStLUUmMLiiID电感电流极值iM、im(4)电感电流极值iM、im稳态情况下，电容上一周期中的平均电流为零。电流连续时:22MmMOiiiI电感平均电流=负载平均电流22LOmLOMIIiIIiDD电容电压纹波DuC---1(5)电容电压纹波DuCRUiRuidtduCiOLCLCCD2/2/)(1offonontttOLCmCMCdtIiCUUu2*2*21*1LsCITCuDD电容电压纹波DuC---2（5）电容电压纹波DuC2*2*21*1LsCITCuDDonSstULDTC2)1(*2*21*1onSStTULCD8)1(SonoffonSDTtttT注意：28)1(SSTULCDDonSLtULDID1结论：1：增加LC,电压纹波减少2：开关频率高，电压纹波小3：D=0.5，电压纹波达到峰值电容电压纹波DuC---3（5）电容电压纹波DuC28)1(SSCTULCDDuD记：开关频率电路TTfS1LCfC21截止频率滤波电路222)1(DffUDDuCSC纹波系数：OCCCUuUuDD222)1(ffDC电压纹波系数很小时,ffCPWM情形电源系统主要性能指标：（电感电流断续情形）(1)平均输出电压Uo(2)平均输出电流Io表现系统主要性能指标的量：(3)电感电流纹波DIL(4)负载电压纹波DUO电感电流断续情形下等效模型电感电流断续情形：在一段时间内iL=0降压电路T导通等效电路uG0T断开、D续流等效电路uG=0uG=0T断开、D断开等效电路平均输出电压Uo---1（1）平均输出电压Uo稳态情况下，电感上一周期中的平均电压为零。0*)(*)(conConCStutuU或：0*)(*)(conoonoStUtUUSconononoUtttU注意：tcon与电路参数、ton有关平均输出电压Uo---2（1）平均输出电压UoSconononoUtttUSoUDDDU211SonTtD1SconTtD2记电压变换比：211DDDUUSo输出平均电流Io和电感电流纹波DIL(2)输出平均电流IoRUIOo(3)电感电流纹波DILOSCSLLUUuUdtdiLuonOStLUUMLiID电流断续时:2MoiI电容电压纹波DuC---1(4)电容电压纹波DuCOLCLCCIiRuidtduCiD21)(1ttOLCmCMCdtIiCUUuMoMsoMCiIiTDDIiCuD)(*)(*21*121注意：SMoMTDDiIitt)(2112电容电压纹波DuC---2(4)电容电压纹波DuCMoMsoMCiIiTDDIiCuD)(*)(*21*1212221)(***21RLTDLUDDCuSSCDSSonOSMTDLUDDDtLUUi1212*RUDDDTDLUDDDIiSSSOM2111212*注意：=？D2与系统参数关系--1RUIOoonOSMtLUUi电感平均电流=负载平均电流SoSScononMLTDDDLUUTttiI121)(2*2电感平均电流IL:RUTDDDLUUOSoS121)(22111DDkDDUUSo电压变换比D2与系统参数关系2111DDkDDUUSo电压变换比211DDDUUSo注意到：212DDkDSRTLk2注意242112kDDD212111211/411242DkkDDDDDDUUSo最后有：D2与系统参数关系--2电感电流临界连续分析电流临界连续:电感电流仅瞬间为零RUIOoonOSMtLUUi电流临界连续时:2MoiIonOSOotLUURUI2SSSSDTLDUURDU2STRLD21电流临界连续时:电感电流临界连续分析STRLD21电流临界连续时:电感电流连续条件:STRLD21电感电流临界连续条件:STRLD21电感电流断续条件:STRLD21纹波的抑制方法1、加大电感和输出电容滤波根据纹波公式，电感内电流波动大小和电感值成反比，输出纹波和输出电容值成反比，因此加大电感值和电容值可以减少纹波。一般使用电解电容可以达到大容量的目的，但是电解电容在抑制高频噪声方面效果不是很好，而且ESR也比较大，所以会在旁边并联一个陶瓷电容，来弥补不足。同时在输入侧Vin端，由于电压不变，但电流是随开关变化的，这时输入电源不会很好的提供电流，因此在电流输入端并联电容来提供瞬时电流。缺点：以上方法的作用有限，因为受到体积的限制，电感不可能做的很大；输出电容增加到一定程度对减小纹波就没有明显效果了；增加开关的频率，又会增加开关损失。2、二级滤波，就是再加一级LC滤波器缺点：反馈采样点选择比较困难。采样点选在LC滤波器之前（Pa），输出电压会降低，因为任何电感都有一个直流电阻，当有电流输出时，在电感上会有压降产生，导致电源的输出电压降低。采样点选在LC滤波器之后（Pb），这样输出电压就是我们希望得到的电压，但是这样相当于在电源系统内部引入了一个电感和电容，可能会导致系统不稳定。纹波的抑制方法3、开关电源输出之后，接LDO滤波器这是减少纹波和噪声最有效的办法，输出电压恒定，不需要改变原有的反馈系统，但也是成本最高，功耗最高的办法。4、在二极管上并联C或RC在二极管高速导通截止时，需要考虑其寄生参数。在二极管反向恢复期间等效电感和等效电容成为一个RC振荡器，产生高频振荡，为了抑制这种高频振荡，需在二极管两端并联电容C或RC缓冲网络，电阻一般取10欧姆—100欧姆，电容取4.7pF—2.2nF。缺点：对于二极管上并联的电容C或RC，其取值要经过反复试验，如果选用不当，会造成更严重的振荡。1、电感及电容的等效电路？2、改变占空比的方式共有哪几种？3、采用PWM情形主要性能有哪几个指标？4、基本的降压电路是如何工作的？软开关技术硬开关与软开关硬开关：–开关的开通和关断过程伴随着电压和电流的剧烈变化。–产生较大的开关损耗和开关噪声。软开关：–在电路中增加了小电感、电容等谐振元件，在开关过程前后引入谐振，使开关条件得以改善。–降低开关损耗和开关噪声。–软开关有时也被成为谐振开关。工作原理：–软开关电路中S关断后Lr与Cr间发生谐振，电路中电压和电流的波形类似于正弦半波。谐振减缓了开关过程中电压、电流的变化，而且使S两端的电压在其开通前就降为零。开关过程中电压、电流均不为零，出现重叠，导致开关损耗电压和电流的变化很快，波形出现明显的过冲，导致开关噪声硬开关a)硬开关的开通过程b)硬开关的关断过程图7-1硬开关的开关过程典型波形软开关技术软开关在原开关电路中增加很小的电感、电容等谐振元件，构成辅助换流网络，在开关过程前后引入谐振过程，开关开通前电压降为零，或关断前电流降为零，可消除开关过程中中电压、电流的重叠，降低它们的变化率，减小甚至消除损耗和开关噪声a)软开关的开通过程b)软开关的关断过程附图7-1软开关的开关过程零电压开关（零电压开通）使开关开通前其两端电压为零，则开关开通时就不会产生损耗和噪声零电流开关（零电流关断）使开关关断前其电流为零，则开关关断时也不会产生