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1、重庆大学本科学生毕业设计（论文）LED驱动电源设计专 业：电气工程与自动化重庆大学电气工程学院二O一一年六月Graduation Design(Thesis) of Chongqing UniversityDesign of Driver Power for LEDUndergraduate: Zhou HaoSupervisor: Prof. Tang ZhideMajor: Electric Engineering & AutomationSchool of Electric EngineeringChongqing UniversityJune 2011摘 要该文针对LED驱动电源的设计
2、需要，先简述了LED及其驱动电源的基本情况，包括BUCK电路及其控制电路的工作原理、稳定性分析等。然后以UC3843电流控制芯片和BUCK电路为基础，设计出了一款车用LED驱动电源，并通过仿真实验，对电路进行了检验。文中详细介绍了UC4843的使用方法、该驱动电源的设计步骤以及具体参数计算。这款驱动电路工作在12V直流电压下，以BUCK电路为主电路，采用峰值电流控制模式，按照PWM调制方法，对两颗串联的LED进行供电，实现了恒流输出、欠压保护、过载保护、空载保护、斜坡补偿等功能，并且在仿真实验中均体现出了各部分的作用。这款LED驱动电源工作稳定，抗干扰能力强，输入范围广，输出电流平稳；通过简单
3、改变供电方式，此电路还能用于不同领域。另外该文还对仿真实验结果进行了较为详细的分析，对补偿斜坡尾部上翘、电流采样电阻的至畸作用进行了讨论。关键词：驱动电源，峰值电流控制，PWM， LED，UC3843ABSTRACTThis article for the purpose of the design needs of LED driver power, firstly summarizing briefly the basic information of LED and its driver power, including BUCK circuit as well as its worki
4、ng principles of control circuit, the stability analysis etc. Then based on the UC3843 electric current control-chip and BUCK circuit, a vehicle LED driver power has been designed, and its electric circuit has been tested through the simulation experiments. This article describes the usages of the U
5、C4843, the design process of the driver circuit and the specific parameter calculation in detail. This driver power works at 12V DC voltage, with BUCK circuit as the main circuit, adopting the control mode of peak current, in accordance with the PWM modulation method, providing power to two series c
6、onnections of LED, bringing about the functions of under-voltage protection, overload protection, idle-load protection, slope compensation, and reflecting their respective functions in the simulation experiments. This LED driver power works stably, with strong anti-interference ability, wide input r
7、ange; stable output current; by changing the way of power supply, the circuit can also be used in different fields. In addition, this article also carried on a more detailed analysis of the simulation experiment results, and carried out the discussion of abnormal functions about the upturned slope c
8、ompensation and disruption of the current sampling. Key words：Driver power，Peak current mode control，PWM，LED，UC3843目 录中文摘要ABSTRACT1绪论1 1.1 电光源1 1.2 大功率LED简介2 1.2.1 大功率LED发光原理2 1.2.2 大功率LED的特性3 1.3 LED驱动电源研究现状6 1.3.1 LED驱动电源的分类6 1.3.2 LED及其驱动电源的市场72 降压性开关电源9 2.1 开关电源的特性9 2.2 BUCK电路原理分析10 2.2.1 BUCK电路
9、基本原理10 2.2.2 BUCK连续导通模式113 控制电路17 3.1 开关电源的调制方式17 3.2 开关电源的控制模式19 3.3 峰值电流控制模式的稳定性分析22 3.3.1 不稳定性的产生22 3.3.2 斜坡补偿技术244 UC3843高性能电流模式控制器26 4.1 UC3843的主要特性26 4.2 UC3843的工作原理27 4.3 UC3843的引脚及其功能28 4.4 UC3843的内部结构29 4.5 UC3843的各模块具体特性325 基于UC3843的LED驱动电源设计35 5.1 电路结构35 5.1.1 主电路35 5.2.2 控制电路36 5.2 器件选择3
10、7 5.3 参数计算38 5.4 最终电路426 仿真实验43 6.1 正常状态运行43 6.2 斜坡补偿的效果检验45 6.3 电源波动对电路的影响46 6.4 电流取样点的选择对电路的影响48 7 结论50致谢51参考文献521 绪论1.1 电光源灯具作为人们日常生活中接触最多电气类产品，是现代化社会不可或缺的一部分。这些产品都经历了数十年乃至上百年的不断创新与改进，已经拥有了相当成熟的市场空间及运用领域；这些灯具主要分为白炽灯、气体放电灯、以及一些非常规灯具，其原理相去甚远，性能也各有不同。（1）白炽灯：从十九世纪开始，人们就开始试着制造电光源，当时是利用电流加热真空中灯丝来达到照明效果
11、。直到1879年，美国发明家爱迪生制成了以碳化纤维作为灯丝的白炽灯，使得电光源能走进平常人家。后来贾斯脱又试着用钨丝作为灯丝制成白炽灯。之后不久，朗缪尔发明螺旋钨丝，并在灯泡内充入氮气，减缓了钨丝的蒸发。在此后的发展中，为使灯丝和气体的接触面尽量减小，人们将钨丝从单螺旋发展成双螺旋，发光效率大大提高，这就是今天我们所见到的白炽灯。80年代，普通白炽灯已经能高速生产并被大面积使用。白炽灯是利用热辐射发出可见光的电光源。尽管白炽灯发光效率很低，但价格便宜，是产量最大、应用最广泛的电光源。（2）气体放电灯：是由气体、金属蒸汽混合放电而发光的灯。通过气体放电的方式，将电能转换为光能。气体放电有多种形式
12、，利用较广的是辉光放电和弧光放电：辉光放电常用于霓虹灯；弧光放电因可以产生很强的光输出，故照明光源大多采用弧光放电。常见的照明用气体放电灯有荧光灯、高压汞灯、钠灯和金属卤化物灯等。按照工作电压不同，气体放电灯可分为低气压放电灯和高压气体放电灯，低气压放电灯包括低压钠灯、荧光灯（日光灯）、无极灯等。高压气体放电灯包括高压钠灯、高压汞灯、金属卤化物灯等，其中荧光灯是目前室内照明应用最普及的气体放电光源。荧光灯在发光效率和使用寿命方面都明显优于白炽灯，是一种较为优秀的电光源。高强度气体放电灯是由管壁高温而建立发光电弧，如高压汞灯、金属卤化物灯、高压钠灯等。(3)半导体照明1：LED（Lighting
13、 Emitting Diode）即发光二极管，是一种半导体固体发光器件。它将固体半导体芯片作为发光材料，在半导体中通过载流子发生复合放出过剩的能量而引起光子发射，直接发出红、黄、蓝、绿、青、橙、紫、白色的光。LED被称为绿色光源，具有节能、寿命长、体积小、环保等优点，可以广泛应用于各种背光源、显示、照明、指示、装饰和城市夜景等领域。人们通常说的半导体照明一般是指用LED作为光源的照明，从广义上讲还应该包括LD（激光二极管）作为光源的照明，LD可以用于舞台灯光，大型室外集会、庆典、娱乐和远距离照明等。1.2 大功率LED简介1.2.1 大功率LED发光原理LED发光二极管，是一种固态的半导体器件
14、，是由-族化合物，如磷化镓、砷化镓、磷砷化镓等半导体制成的。LED的核心是一个半导体的晶片，晶片的一端固定在引脚上作为负极使用，另一端引出作为正极，晶片的本质是一个PN结，用环氧树脂将整个晶片封装。所以LED具有的伏安特性与普通二极管相似，在管脚两端施加正向电压时,LED处于导通状态，在两管脚之间施加反向电压时，LED处于截止状态，而过高的反向电压作用于LED上时，可能导致PN结被击穿。与普通LED不同的是，它还能将电能转换为光能。当PN结两端加上正向电压时，空穴由P区注入N区，相反自由电子则由N区注入P区。进入对方区域的少数载流子与对方区域的多数载流子相结合，导致能量以光和热两种形式释放，如
15、图1-1所示。LED早在20世纪60年代初就已经被成功制造并推向市场，因为LED的激励响应时间短、有效寿命长、功耗低，常被用在小指示器光源和字母数字显示器等领域中。但由于制造技术的限制，使其发光亮度小，且只有红色一种颜色，所以在照明领域难以见到它的身影，近年来，技术的进步和理论的创新，使得LED的可用性增强，例如发光强度提高、效率提高、成本大幅下降，使其得到应用领域越来越广。图1-1 LED发光原理示意图在日常照明中2，由于白色的光源更贴近自然光，符合人们的使用习惯，所以LED的制造趋势向着白光LED发展。白光LED是将钇铝石榴石(YAG)和GaN芯片一起封装制成的。GaN芯片可以发出蓝光，蓝
16、光激发荧光粉后，荧光粉能发出黄色光，一部分蓝光与荧光粉发出的黄光叠加，可以得到得白光。这种通过蓝光LED得到白光的方法，构造简单、成本低廉、技术成熟度高，因此运用最多。1.2.2 大功率LED的特性LED灯与白炽灯、荧光灯等传统光源有着不同的特性。为了设计出更好的LED驱动电源，必须对LED的特性进行必要的了解。（1）发热特性：由于在LED照明应用中，一般需要同时将若干颗LED共同发光使用，所以就会产生较大的热量。另外，掺加了荧光粉的LED，在转换波长的时候会产生热量。LED仅在微小电流流过时，效率才比较高，若工作在大电流、高温状态下，LED的发光效率就会明显降低。LED芯片、荧光粉、封装树脂
17、也会因高温而加快老化，影响使用寿命。因此，必须控制LED的使用温度以达到“高效率”、“长寿命”的目的，而控制温升的主要手段就是控制工作电流，所以对于LED驱动电源来说最重要的工作就是控制电流。（2）供电特性：在工作电源的需求上，LED驱动电源与传统的白炽灯、荧光灯有很大的区别。传统的白炽灯直接连接到220V的交流电上使用，电网的电压波动只会造成照明强弱的不同而已。荧光灯虽然需要靠镇流器启动，但启动电路简单，启动后不需要启动器依然能维持工作。而LED则需要工作在恒定的直流电流源上。而调节LED的发光强度主要是靠改变流过LED的电流平均值来实现的，LED是通过电子与空穴的再结合来发光，发光强度取决
18、于单位时间内复合的电子与空穴数目，也就是说LED的发光强度与电流大小有密切关系。实验发现，在工作电流较小的情况下，LED的发光强度与通过PN结的电流大小近似成正比关系，而当LED的工作电流电流增大，随着发热损耗的增大，导致这种比例关系消失，具体来说，由于发热量正比于电流的平方，所以当电流增大时，发热量的升高速度将大于发光量的升高速度，导致发光效率降低。（3）发光特性：单个LED的发光强度并不大，一般只有几十流明，所以需要同时使用多颗LED共同工作。同时，由于LED的发光面积小，而亮度又很高，而且发出的光汇聚能力强，肉眼直视LED会对视力造成伤害并无法发看清光源以外的东西，失去照明意义。为了降低
19、光线聚集度，通常需要配合柔光罩使用。但是，使用由于柔光罩本身的透光性问题，导致发光效率会有所降低。LED与传统照明灯具的配光分布不相同2。所谓配光分布是指光源的发射方向以及各方向的发光强度。若不采用专门为LED设计的散光设备，而采用传统灯具的散光设备，则可能会出现需要加强照明的部分不但不增加反而照度减小的情况。要提高照明效率，需要改善配光分布，目前多采用透镜和反光镜作为改善装置。由于LED本身就具有发光面积小、配光分布具有对称性等特点，如果配合合适的透镜和反光镜，则LED将会是很好的照明工具。其他在光源属性中，还应该考虑LED的光谱特性，LED所发出的光，光谱范围较窄，几乎不放射出红外线。因此
20、，不会导致照射物发热，即冷光。但是LED在工作时自身会发热，所以应该防止热传导作用破坏冷光效果。（4）伏安特性：LED的伏安特性和一般的二极管伏安特性非常相似，如图1-2所示。不过通常曲线很陡。LED的伏安特性曲线并不是由电压、电流唯一确定的，而是随温度的变化而变化，所以当电压恒定时，电流并不能确定，它将随温度变化而变化。而LED的伏安特性通常具有负温度系数。也就是随着温度的升高，其伏安特性曲线将向左移动，若所加电压为恒定，显然在温度升高时电流也会随之升高。大功率LED工作时温升较大，假如散热设计不好，其温度很容易上升到八、九十度以上。例如采用3.3V恒压电源供电，常温下工作电流在320mA左
21、右，而温度升高到85时，电流就会增加到420mA，多消耗的电能以热量的形式散发，而LED亮度增加并不大。这种情况下只会使它的温升更高，增加光衰，降低寿命。温度降到0时,电流就会降低至120mA，亮度会大大降低，使其无法胜任照明工作。对于功率更大的LED，由于功率大，散热更不容易，温升问题更加严重。这就表明，恒压源下工作的LED是不稳定的，当电压恒定，随着LED的使用发热，温度升高，流过的电流增大，更大的电流导致温度进一步升高，使电流也随之继续增大，所以LED驱动电源的主要目的就是给LED以恒定的电流，保证LED稳定工作。图1-2 LED的伏安特性（5）稳定性：结合LED的伏安特性可知，工作在恒
22、压源上的LED是不稳定的，另外，若干颗LED也不能简单的并联使用，理由是若扰动使其中一颗LED电流增大，那么由于LED的不稳定性，将导致这颗LED的工作电流越来越大，而其它LED将不能获得足够大的工作电流。1.3 LED驱动电源研究现状LED是具有二极管特性的发光管3，它只能单方向通电。额定工作点附近，通常LED亮度输出与通过LED电流成正比，但在大电流下会出现饱和现象，发光效率大幅度降低，甚至失效，因此LED使用电流不能超过其规格额定值。另外，LED亮度输出与温度成反比，所以使用中应尽量减少电源发热和设计良好的散热系统。1.3.1 LED驱动电源的分类LED电源按驱动方式可以分为两大类，恒流
23、驱动和稳压驱动，两种驱动方式具有以下特点恒流驱动稳压驱动（1）恒流驱动电源驱动LED是最理想的，缺点就是价格较高；（2）恒流驱动电源在负载短路时，由于恒流限制，不会造成输出电流过大；但是严禁负载完全开路。当负载完全断开时，将输出很高的电压；（3）恒流驱动电源输出的电流是恒定的，而输出的直流电压却随着负载阻值的大小不同在一定范围内变化，LED亮度不随负载改变而改变；（4）恒流驱动电源需要限制LED的使用数量，负载等效电阻越大，输出电压越大。（1）稳压驱动电源输出的是固定电压，输出的电流却随着负载的增减、温度变化而变化；（2）稳压驱动电源在负载开路时，输出电压恒定，不会输出过高电压；但是当负载短路
24、时，将输出很大的电流，所以禁止短路运行；（3）稳压驱动电源的输出电压是恒定的，输出电流随负载改变而改变，所以LED亮度随负载变化而变化；（4）稳压驱动电源为使LED亮度均匀且不会流过过大电流，需要加上合适的限流电阻。LED电源按电路结构可以分为六类4：（1）互感变压器降压：这种电源原理简单，技术成熟，是一种比较传统的变压器。不足之处是要使用大量漆包线和硅钢片，重量偏重、电源效率也很低，一般在45%-60%，因为可靠性不高，所以一般很少用；（2）电子变压器降压：这种电源结构不足之处是转换效率低，输入电压范围窄，一般180-240V，输出波纹大；（3）电容降压：这种方式的LED电源容易受电网电压波
25、动的影响，电源效率低，只适用于向持续运行的LED供电，对于常闪动的LED则不适用，因为电路通过电容降压，在闪动时由于充放电的作用，使得通过LED的瞬间电流极大，容易损坏芯片；（4）电阻降压：这种供电方式原理简单，但电源效率很低，而且系统的可靠也较低，电路通过电阻降压，受电网电压波动的影响较大，不容易做成稳压电源，并且降压电阻本身还要消耗很大部分的能量；（5）RCC降压式开关电源：这种方式的LED电源优点是稳压范围比较宽、电源效率比较高，一般可在70%-80%，应用较广。缺点主要是开关频率不易控制，负载电压波纹较大，系统的容错能力较弱；（6）PWM控制式开关电源：目前来说，PWM控制方式设计的L
26、ED电源是最理想的也是使用率较高的驱动方式，因为这种开关电源的输出电压或电流都很稳定。电源转换效率极高，一般都可以高达80%-90%，并且输出电压、电流十分纹波较小。除此之外，我们还应当充分考虑LED驱动电源对LED及自身的保护作用。LED抗浪涌能力比较差，特别是抗反向电压能力，设计时有必要加强这方面的考虑。尤其是用于户外的LED，如LED路灯，由于电网负载波动和雷击的感应，从电网系统会侵入各种浪涌，这些浪涌可能会导致LED的损坏。因此LED驱动电源要有抑制浪涌的侵入，以保护LED不被损坏。电源除了常规的保护功能外，结合LED的特性，我们还应考虑驱动的电源应对LED的温度反馈进行必要动作，例如
27、在温度过高时减小电流输出，防止LED温度过高。1.3.2 LED及其驱动电源的市场近年来5，世界上一些经济发达国家围绕LED的研制展开了激烈的技术竞赛。美国从2000年起投资5亿美元实施“国家半导体照明计划”，旨在率先打开LED市场，走在行业前沿。欧盟也在2000年7月宣布启动类似的“彩虹计划”。我国科技部在“863”计划的支持下，2003年6月份首次提出发展半导体照明计划。尽管从LED自身性能上来看，有着传统照明方式所不可比拟的优势，而且各国政府机构、环保组织都对LED照明方式报以积极态度，但令人尴尬的是，各大LED灯具厂商却连连发出无利可图的感慨，主要原因在于LED灯具虽然节能高效，但是灯
28、具本身价格较昂贵，一次性投入成本太高，以目前情况来看至少在国内市场，家用LED灯具的普及尚需要时日。所以，在LED灯具仍然属于“奢侈品”的今天，我们应当对LED灯具的市场方向有着正确的认识。例如搜狐财经指出：“阳光照明最新的2010年年报显示，即便公司为发展LED产业、提高LED光源制造水平而做出了包括在厦门上虞设立了面积为300亩的LED生产基地；斥资1，600万日元（折算人民123.94万元）将日本LIREN公司30.1887%股权收入囊中在内的诸多努力，LED照明产品的销售却仍未能对公司2010年业绩做出实际上的利润贡献。”另一方面LED汽车照明每年以二位数的速度在增长，2005年产值已
29、达5.46亿美元，占世界LED应用的14%。我国于2000年在上海大众桑塔纳2000型上首先使用LED高位制动灯。我国LED汽车灯具每年以70%-80%的速度在增长，2006年的产值超过亿元。目前，国际上LED汽车前照灯处在研发过程之中，已有概念灯具推出。除LED前照灯以外，均已商品化，并已进入车灯的智能化控制时期。车用LED的流行除了节能、环保之外，更重要的是能提升汽车的使用价值。提高行驶安全性：以LED车灯为例，LED车灯的反应时间比传统车灯要快许多，为刹车赢得了更多的反应距离，并且亮光更稳定。（1）智能化更易实现：LED的电致发光特性使其与传统的气体放电、白炽灯相比，更容易实现电子控制，
30、例如根据汽车行驶环境不同，自动设置不同的车内外照明模式。LED还能用于各类车用感应装置，例如倒车雷达。（2）彰显汽车品牌和用户个性：LED的颜色丰富，体积小，便于设计各类形状和颜色组合，传达汽车和车主的个性。LED灯的使用使得奥迪汽车的外观设计摆脱了“缺乏个性”批评，如今，特征鲜明的LED车灯已经成为了奥迪车的新识别符号。基于以上各方面原因，本论文设计的LED驱动电源将面向车用照明领域，在满足车载使用方式的前提下，尽可能扩大输入电压范围，使其能经过简单改变供电方式后，适用于其他领域。2 降压型开关电源如图2-1所示6，是开关电源的典型框图，开关电源通常由主电路和控制电路两大部分所组成。图2-1
31、 开关电源系统组成框图开关电源主电路通常是由输入电源、储能电感、开关管、滤波电容和负载组成的。电路功能和电路的结构有关，常见的开关电源有六种基本结构：BUCK电路、BOOST电路、BUCK-BOOST电路、CUK电路、SEPIC电路和ZETA电路。而控制电路的作用是控制开关管的导通与关断，按需要的脉冲频率和宽度，控制开关管的通断，使主电路输出合适的输出电压或电流，实现稳压、稳流以及各种保护功能。按照设计需要，本文将着重介绍BUCK电路，即降压型开关电源。2.1 开关电源的特性开关电源具有如下特点：(1)效率高：开关电源的功率开关管工作在开关状态，开关管的功耗小，电源效率高，一般在80%-90%
32、，高的可达90%以上；(2)稳压范围宽：开关电源的交流输入电压变化时，输出电压的变化在2%以下。经过精心设计开关电源电路，还可使稳压范围更宽并保证开关电源的高效率；(3)安全可靠：在开关电源中，可以方便地设置各种形式的保护电路，如欠压保护、过压保护、空载保护等，因此当电源或负载出现故障时，能保障设备及人员的安全；(4)重量轻：由于开关电源省掉了笨重的电源变压器，节省了大量的漆包线和硅钢片，因而使其重量只有同容量线性电源的1/5，同时体积也大大缩小了；(5)功耗小：由于开关电源的工作频率高，一般在20KHz以上，因此滤波元件的数值可以大大减小，从而减小功耗；特别是，由于功率开关管工作在开关状态，
33、损耗小，不需要采用大面积散热器，电源温升低，周围元件不致因长期工作在高温环境而损坏，延长了器件寿命。因此采用开关电源可以提高整机的可靠性和稳定性。2.2 BUCK电路原理分析2.2.1 BUCK电路基本原理BUCK电路主电路包括输入电源、开关管、续流二级管以及储能电感、滤波电容和负载，它们共同完成电能的转换和传递。如图2-2所示，是BUCK电路基本结构图，它由一个开关S，一个二级管D，以及LC低通滤波器和负载所组成。BUCK正常工作时，开关S被控制电路的控制，重复导通和关断，等效于输入电压为方波电压，通过L/C滤波器的滤波作用，最终获得近似于直流的输出电压图2-2 BUCK电路基本结构根据BU
34、CK电路中，流经电感的电流是否有一段降为零，可将其工作模式区分为两种：（1）连续导通模式（Continuous Conduction Mode），即稳态工作时，在整个开关周期中，电感中流过的电流不降至零。（2）非连续导通模式（Discontinuous Conduction Mode），即在整个开关周期中流过电感的电流出现一段时间为零的情况。我们希望电路仅在一种模式下工作，因为在两种不同工作模式下，电路的各参数间的关系将发生重大的变化。经过理论推导发现，若BUCK电路工作在连续导通模式下，输出电压由输入电压和占空比共同决定，而与所接入的负载大小无关，因此设计相应工作模式的电路会比较简单可靠，但
35、是由于其输出电压由输入电压决定，会对输出的稳定性造成一定影响。若BUCK工作在非连续导通模式，输入电压、输出电感、占空比、开关频率和负载等效电阻将共同影响输出电压的波形，输出电压与负载及输入电压均有关，电路各参数关系复杂，设计相应的电路难度较大，所以本论文设计的LED驱动电源将采用连续导通模式下的BUCK电路。2.2.2 BUCK电路连续导通模式假如BUCK电路已经处于稳定工作状态，则可以判定输入电压、输出电压、输出负载电流以及占空比固定且不会发生变化。本节的主要工作是通过对BUCK转换器主电路在连续工作模式下的稳态分析，推导出电路间各参数的关系。BUCK连续工作模式分为两个状态：第一个状态是
36、S导通、D关断；第二个状态是S关断、D导通。定义开关S导通状态的持续时间为，开关管S关断状态的持续时间为，一个周期时间为，占空比记做D因为连续导通模式的每一个周期只存在两个状态，因此图2-3 开关导通时的等效电路第一个状态：S导通，二极管D由于承受反向电压而截至，等效的电路如图2-3所示。电感两端的承受正向压降，电感电流逐渐增加连续导通模式下的，稳态波形如图2-4所示。作用于电感上的电压直流值是恒定的，因此，电感电流呈线性增长，且满足下式则可以推出，电感纹波电流峰-峰值表达式为图2-4 工作于连续导通模式下的BUCK电路的波形第二个状态：S关断，等效电路如图2-5所示，由于流过电感的电流不能突
37、变，电流从开关管S转移到二极管D上。电感两端承受反向压降，使得续流二极管D导通，忽略二极管D的压降，电感左端接地，电压为零，而电感右端电压仍为，因此，开关关断期间图2-5 开关关断时的等效电路假设电路已经处于稳态，经过一个开关周期电感电流的净增量为零，利用这点，来寻找任何开关变换器的稳态条件，根据电感伏秒平衡原理对电感进行分析有从0到进行一个周期的积分，得到上式表示，在一个开关周期中电感电流的净变化量正比于在这区间加在电感上的电压。在稳态，一个开关周期的电感电流的初始值与结束值相等，显然上式左边等于0，因此在稳态，电感电压的周期积分为零上式右边的单位是伏秒或磁链，上式表示在一个开关周期中波形下
38、的总面积或净伏秒必须为零。上式两边同时除以开关周期，得到上式的右边为的平均值或直流成分，在上式表示在稳态时，施加在电感上的平均电压为零。图2-6 电感电流包围的面积代数和应为零如图2-6，电感电压曲线包围的面积为平均值为如图2-7所示，电容电流波形等于电感电流波形去掉直流部分后的交流成分。电感电流是线性的，峰峰值是，幅值为。电容电压的变化量，与电感电流的交流成分的正半周期间，对电容充电的总电荷q有关，根据电容关系式Q=CU，得电荷q是电容电流波形过零点之间的积分，积分可以表示三角形阴影区域的面积，高度为，由于电流波形对称，分别在 和 的子区间的中心点过零，因此阴影三角形的底边大小为。所以总电荷
39、为可得电压纹波峰-峰值为图2-7 纹波电压上式可用于给定电压纹波是选取电容大小时参考，实际运用中，由电容等效串联电阻所引起的附加纹波电压亦需考虑。3 控制电路3.1 开关电源的调制方法（1）PFM调制方式：即脉冲频率调制（Pulse Frequency Modulation）方式，是一种常用的调制方式。控制原理是将输出量反馈回电路，将它与设定的基准值进行比较，得到误差信号，根据误差信号对输出脉冲的频率进行调节，然后输出一路宽度相等、周期不等的方波信号，这组方波信号控制着开关管的导通与关断，当输出量过高时，保持脉冲宽度不变（一个周期内的导通时间不变），延长开关周期（一个周期内的关断时间增加），当
40、输出量过低时，保持脉冲宽度不变，减少开关周期，从而稳定输出电压。其工作波形图如图3-1所示。PFM方式的输出电压调节范围很宽，空载时自动形成空载保护。PFM调制方式的使用范围广、工作可靠、原理简单，具有以下优点：在负载较轻情况下效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高，适用于电流或者电压控制模式。存在以下缺点：负载调整范围窄，滤波成本高。图3-1 PFM调制方式（2）PWM调制方式：即脉冲宽度调制（Pulse Width Modulation）方式，这种调制方式使用率很高，其控制原理是将输出量与一串三角波信号进行比较，由于三角波周期恒定，所以这种方式下工作周期恒定，当三角波上升到控制值时
41、，比较器翻转，控制开关管关断，PWM调制方式的本质是获得一列周期恒定、占空比不等的方波信号用以控制开关管的导通与关断，根据输出量判读关断开关管的时间，若输出量过低时，则增加一个周期内开关导通的时间，若输出量过高时，则减少开关管在一个周期内的导通时间，从而稳定输出电压。其工作波形图如图3-2所示。通常PWM调制方式会有静区效应，即在开关管导通后不能立即关闭，即输出量受占空比下限所限制，输出调节范围较窄；由于PWM调制方式每个周期都至少要导通一个静区时间的长度，所以当输出端空载时，容易出现输出空载高电压。图3-2 PWM调制方式（3）PSM调制方式7：是一种常在数字电路中被使用的调制方式，称为脉冲
42、跨周调制（Pulse-cycle Skip Modulation）。其控制原理是将输出量反馈回电路并转换为数字量，经过一定的算法比较，确定下一个脉冲信号是输出还是消隐，通过这种手段改变开关管导通与关断的时间比，调节过程中基础脉冲的频率和占空比均保持不变，当输出量过高时，增加消隐脉冲数，减少脉冲输出，当输出量过低时，减少消隐脉冲数，增加脉冲输出。从而稳定输出电压。其工作波形图如图3-3所示。目前PSM控制方式已经用于开关功率变换器，具有以下优点：在负载较轻情况下效率很高，工作频率高，频率特性好，功率管开关次数少，适用于小功率电源管理。存在如下缺点：输出纹波大，输入电压调整能力弱。图3-3 PSM
43、调制方式3.2 开关电源的控制模式按照控制模式，开关电源大致可以分为两类：即电流控制模式和电压控制模式。（1）现在来看电压控制模式:其开关电源的原理框图如图3-4所示，它的基本原理，首先从比较并放大参考电压和电源输出电压中，得到误差信号。接着利用PWM比较器，将锯齿波信号和信号相比较。然后，PWM比较器便会输出一系列占空比随着误差信号的改变而变化的脉冲，并且其输出能量的大小也由此而决定下来。增大的脉冲宽度表明了负载消耗能量的增大，反之，减小的输出脉冲宽度则表明了输出能量的减小，这样成正比的关系将输出电压维持于恒定。而要保持输出电压的恒定，实现整个电路的负反馈关系，仅仅需要一个反馈信号便可以做到
44、。同时，对于这样的仅有一个反馈环路的单环电压控制系统，为了保证系统的稳定工作，我们必须精心设计控制回路，并满足一定的条件。这样的电压控制模式，总会产生一些不可避免的缺点，如稳定性差、响应速度缓慢、易在大信号变动时产生振荡等等。这是由于我们所使用的方法以输出电压来实现控制而造成，它必然会在调节过程中存在一定的滞后效应。图3-4 电压控制模式（2）再来看电流控制模式：由于电压控制模式存在着上述的固有缺点，近些年来，电流型控制技术开始迅速发展开来，其原理框图如3-5图所示。基于传统的电压型控制模式，人们将一个电流反馈内环置于电流控制型开关变换器上。首先，通过比较误差放大器的输出电平和电流信号，导通驱
45、动功率管，并使得电感电流在电源回路中逐步增加。一直到电平与电流加在采样电阻上的压降达到一致的时候，翻转脉宽比较器的状态，此时功率管便会相应截止。就这样，通过将整个电路的输出电流逐一检测和调试，控制电源输出的目的便可以相应达到。电路测试以及理论分析都表明了，电流控制模式相对于电压控制模式，更有其优势。图3-5 电流控制模式现在将电流控制模式的主要优点罗列如下8：（1）它具有可并联性和过流保护的功能：在DC/DC变换器中采用电流控制模式，因为直接电流峰值控制技术的应用，使得开关管与变压器中的瞬态电流能够被准确且及时地检测并输出，这样一来，逐个电流脉冲检测电路便形成了。参考电流一旦限制或者给定，变压
46、器以及开关管中的最大电流便能够比较准确地限制下来，由此，即使遇到短路或者输出过载的情况，变压器以及开关管都将得到保护而不被损害，且因为输入的浪涌电压而产生的尖峰电流导致功率开关管损坏的风险也会相应降低。与此同时，正是这个逐个电流脉冲限制的电流环的影响，使得即使并联运行多台开关电源，其每一个都能够拥有独立的电流负反馈，且其并联的输出电压，也有一个总的电压负反馈。这样一来，每个电流负反馈回路都具有了同样的参考值，在多台开关电源之间的并联均流便得以实现。（2）其抗干扰能力强，且对于输入电压的变化，响应速度快。显而易见，当电源输入电压发生改变时，变压器初级电流上升的斜率必然也会随之而发生改变。比如当电
47、源输入电压降低时，电流的增长就相应减缓，反过来，当电源输入电压升高的时候，电流的增长就相应加快。然而，当预定幅度与电流脉冲达到了一致的时候，电流控制回路便会动作，继而改变脉冲的宽度，由此，输出电压的稳定便得以保证。（3）负载响应速度快，回路的稳定性好。由于电感电流脉冲幅值和直流输出电流平均值相应成比列，没有了电感的延迟作用。因此我们可以将受输出电压控制的电流源类比于电流型控制模式，由此，电源的输出电压大小便可以由电流源电流的大小来反映。当然，相比于电压控制模式，电流控制模式有着许多不可比拟的优点，但其缺点比如直流开环负载调整率比较差，以及平均电流和电感峰值电流之间存在误差等等，我们也必须正视。发现问题，解决问题，采取一定的措施，一般都能够圆满解决大多数问题。因而，总的来说，电流控制模式的应用相对来说更为广泛。（4）反馈电路的设计得到了简化。在电流控制模式中，只能产生最大为90度的相移，这是由近似于零的滤波电感小信号阻抗所造成的。这样一来，增益随着频率的升高而降低的速度比实际的LC滤波电路减少了一半。因此，便可以大大地简化反
