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1、 J I A N G S U U N I V E R S I TY本 科 毕 业 论 文 降压型 PWM DC-DC变换器的仿真研究Simulation and Research of Buck PWM DC-DC Convert专 业： 电子信息工程 班 级： xx 姓 名： x x 指导教师姓名： x x 指导教师职称： xx 2012 年 5 月目录第一章 开关电源简介11.1 开关电源的发展11.1.1 国内开关电源发展状况11.1.2 国外开关电源发展状况11.1.3 开关电源发展趋势21.2 研究背景和应用3第二章 开关电源基本原理42.1 电源转换技术简介42.2 DC-DC转换
2、器系统42.2.1 boost型DC-DC转换器42.2.2 buck 型DC-DC转换器52.2.3 buck/boost型DC-DC转换器62.3电源控制技术72.3.1 PWM控制72.3.2 PFM控制72.3.3 PWM/PFM控制82.3.4 PSM控制82.3.5 开关电源反馈控制9第三章 软开关技术123.1 准谐振电路133.1.1 零电压准谐振133.1.2 零电流准谐振153.2 零开关PWM163.3 DC-DC开关电源性能指标18第四章 降压型PWM DC-DC变换器的研究与仿真204.1 Saber软件仿真平台204.1.1 Saber软件简介204.1.3 Sab
3、er软件的应用214.2 仿真电路系统结构与模块214.2.1 主电路设计与参数选择234.2.2 误差放大器EA244.2.3 比例积分电路264.2.4 PWM调制电路284.3 系统仿真29结 论31致 谢32参考文献：33降压型 PWM DC-DC变换器的仿真研究 摘要 我国是一个能源消耗大国又是一个能源匮乏国，随着开发和利用，能源已经达到了举足轻重，关乎国家兴衰的地位，如何开发新能源，如何改进已知能源并很好的利用能源已经成为了一个重要的课题，而随着科学技术发展，电子产品日益增长，电源能源的消耗也与日俱增，由于所有电子产品都需要有电源供电，所以电源管理技术也变得至关重要，如何做到高功率
4、，低消耗，可靠性，低成本，体积小，输出范围广的电源已经成为大势所趋，在这样的前提下，研究设计DC-DC开关电源来节省电源消耗从各个角度来说都是很有价值的本文在详细阐述了开关电源基本理论知识的基础上，对降压型DC-DC变换器，升压型DC-DC变换器，升降压型DC-DC变换器进行分析，并详细描述DC-DC变换器的四种控制方式，以及反馈方式，并且针对了同步整流及其发展趋势，以及软开关技术做了介绍。关键词：PWM DC-DC 软开关 Simulation and Research of Buck PWM DC-DC ConvertAbstract China isan energyconsuming
5、countries,isan energy-scarcecountries,withthe development and use ofenergyhas reacheda pivotalrelating tothestatusofnational prosperity, how to developnew energy sources, how to improvetheknownenergy and gooduse of energyhas become an important issue,withthe development of science and technology, el
6、ectronic products,increasingthepowerconsumption of energy increasing,duetoallelectronic productsneed to haveapower supply, sopower management technologybecomes critical,andhow to dohigh power, lowvalue, reliability,low cost,small size,a wide range ofoutputpowerhas becomethe general trend,inthis cont
7、ext,thestudy designDC-DCswitching power supplytosave power consumption from all anglesare valueElaborated onthe basisoftheswitching power supplybasictheoretical knowledge, the buckDC-DC converters,step-upDC-DC converter,buck-boosttypeDC-DC converter,anda detailed description ofthe DC-DCconverterof t
8、he fourcontrol methods,and feedback, andforthesynchronousrectifieranditsdevelopment trends,as well assoft switchingtechnologyis introduced.Key words PWM DC-DC Soft-switching 第一章 开关电源简介1.1 开关电源的发展1.1.1 国内开关电源发展状况我国的电源技术研究，从理论到实验、仿真，与世界水平比较是不低的，在一些方面还常有突破，但是在产品方面，结构和工艺的差距就明显了。现在看来，我国电源企业据统计大小有几千家。有条件的
9、企业能实现整机系统集成、全自动化的生产，产品体积小，具有明显优势，若价格便宜又能大量供货，自然就会占领市场。而那些中小企业或者被兼并或者自然淘汰。 现在我国一些大公司生产的开关电源，性能完全可以和进口产品竞争，因而已有一定数量的出口。在国内的研究领域已出现了一些可喜的动向，如对 0.8V/50A电源模块的开发研究，合理选择优化的电路拓扑是重要的，工艺结构可能更重要。因为如此低的电压和大电流输出，如果用器件间的导线联接将很难达到技术要求，因此迫使原来作电路拓扑研究的人不得不考虑器件的更合理布局，同时采用集成的工艺结构，以尽量减小内部导线的压降损耗。这也说明作电路拓扑研究的人员，要了解和研究系统集
10、成的知识。某些境外公司在国内设置的电源技术研究开发机构，近年来也投入技术力量与资金，成立了系统集成的有关内容，作为应用基础研究的重点，并加大资助强度，这将对我国电力电子系统集成的研究起到非常好地导向作用1.1.2 国外开关电源发展状况自20世纪50年代，美国宇航局以小型化重量轻为目标而为搭载火箭开发首个开关电源以来，在半个多世纪的发展中，开关电源逐步取代了传统技术制造的相控稳压电源，并广泛应用于电子整机设备中。随着集成电路的发展，开关电源逐渐向集成化方向发展，趋于小型化和模块化。近20年来，集成开关电源沿两个方向发展。第一个方向是对开关电源的控制电路实现集成化。1977年国外首先研制成脉宽调制
11、(PWM)控制器集成电路，美国Motorola公司、Silicon General公司、Unitrode公司等相继推出一系列PWM芯片。近些年来，国外研制出开关频率达1MHz的高速PWM、PFM芯片。第二个方向是实现中、小功率开关电源单片集成化。1994年，美国电源集成公司(Power Integrations)在世界上率先研制成功三端隔离式PWM型单片开关电源，其属于AC/DC电源变换器。之后相继推出TOPSwitch、TOPSwitch-II、TOPSwitch-Fx、TOPSwitch-GX、PeakSwitch、LinkSwitch等系列产品。意-法半导体公司最近也开发出VIPer10
12、0、VIPer100A、VIPer100B等中、小功率单片电源系列产品，并得到广泛应用。目前，单片开关电源已形成了几十个系列、数百种产品。单片开关电源自问世以来便显示出强大的生命力，其作为一项颇具发展前景和影响力的新产品，引起了国内外电源界的普遍关注。单片开关电源具有高集成度、高性价比、最简外围电路、最佳性能指标等特点，现己成为开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的优选集成电路。1.1.3 开关电源发展趋势目前市场上开关电源中功率管多采用双极型晶体管，开关频率可达几十千赫；采用MOSFET的开关电源转换频率可达几百千赫。为提高开关频率，必须采用高速开关器件。对于兆赫以上开关频率的电
13、源可利用谐振电路，这种工作方式称为谐振开关方式。它可以极大地提高开关速度，理论上开关损耗为零，噪声也很小，这是提高开关电源工作频率的一种方式。采用谐振开关方式的兆赫级变换器已经实用化。开关电源的技术追求和发展趋势可以概括为以下四个方面。一、小型化、薄型化、轻量化、高频化开关电源的体积、重量主要是由储能元件（磁性元件和电容）决定的，因此开关电源的小型化实质上就是尽可能减小其中储能元件的体积；在一定范围内，开关频率的提高，不仅能有效地减小电容、电感及变压器的尺寸，而且还能够抑制干扰，改善系统的动态性能。因此，高频化是开关电源的主要发展方向。二、高可靠性开关电源使用的元器件比连续工作电源少数十倍，因
14、此提高了可靠性。从寿命角度出发，电解电容、光耦合器及排风扇等器件的寿命决定着电源的寿命。所以，要从设计方面着眼，尽可能使用较少的器件，提高集成度。这样不但解决了电路复杂、可靠性差的问题，也增加了保护等功能，简化了电路，提高了平均无故障时间。三、低噪声开关电源的缺点之一是噪声大。单纯地追求高频化，噪声也会随之增大。采用部分谐振转换回路技术，在原理上既可以提高频率又可以降低噪声。所以，尽可能地降低噪声影响是开关电源的又一发展方向。四、采用计算机辅助设计和控制采用CAA和CDD技术设计最新变换拓扑和最佳参数，使开关电源具有最简结构和最佳工况。在电路中引入微机检测和控制，可构成多功能监控系统，可以实时
15、检测、记录并自动报警等。开关电源的发展从来都是与半导体器件及磁性元件等的发展休戚相关的。高频化的实现，需要相应的高速半导体器件和性能优良的高频电磁元件。发展功率MOSFET、IGBT等新型高速器件，开发高频用的低损磁性材料，改进磁元件的结构及设计方法，提高滤波电容的介电常数及降低其等效串联电阻等，对于开关电源小型化始终产生着巨大的推动作用。开关电源被誉为高效能电源，它代表着稳压电源的发展方向，现已成为稳压电源的主流产品。采用了高频变压器和控制集成电路的开关电源更具有效率高、输出稳定、可靠性高等特性，是今后电源的发展趋势。1.2 研究背景和应用目前，国外许多著名IC厂家都在大力开发低功耗、高性能
16、PWM单片开关电源集成电路。其中，荷兰Philips公司于2000年研制成功TEAl510的单片PWM型开关电源控制芯片是耳闻目睹的，采用先进的节能技术和制造工艺，被誉为绿色芯片。该系列产品具有以下特点：1采用荷兰Philips公司专有的高压和低压BiCMOS集成工艺，适合设计50W以下的小功率、小型化、低成本开关电源。2它属于工作在不连续模式下的PWM电压控制型开关电源，开关频率最高达200Khz。3其绿色节能特性突出表现在以下几个方面：在空载时的待机功率损耗极低，小于100mW；内部设计一个谷值开关电路，能把功率开关管导通时由漏极分布电容产生的开关损耗降至最低；在低功率损耗输出时能自动降低
17、开关频率，使芯片工作在低频模式下，从而减小芯片功率损耗。4片内集成了一只耐压为650V的功率管。5具有完善的保护功能。开关电源产品的主要特点是体积小、重量轻、效率高，正在向着模块化、扩大输出电压范围、提高输入端功率因数、抗电磁干扰性强以及附加备用电池的方向发展。在开关电源领域，正展开一系列的技术更新，例如功率因数的校正、相位调制、高频电源、零电压和零电流转换以及单片式调节器等。所有这些改进，都使开关电源的性能和效率大为提高，使其应用范围大大拓宽，尤其是在新兴的通信领域大有用武之地。第二章 开关电源基本原理2.1 电源转换技术简介在现代电源应用中，电力电子技术起到承上启下的作用。发电厂生产出来的
18、电能通常是高压传输的，经过变电所将其变换成标准的交流电压。由于不同负载对电源的要求不同，很多负载要求的电源都需要加以变换才能应用，因此电力变换技术在实际电力应用中起到重要作用。在实际电力转换过程中，需要用电力电子器件构成电源变换电路，来实现不同电源之间的转换，基本的电源转换类型有直流-直流（DC-DC）变换、直流-交流（DC-AC）变换、交流-直流变换（AC-DC）变换和交流-交流（AC-AC）变换。2.2 DC-DC转换器系统2.2.1 boost型DC-DC转换器boost型DC-DC转换器是一种升压型DC-DC变换电路，输出电压大于输入电压。VT的占空比Dy必须小于1。输入电流连续。图1
19、 boost型DC-DC转换器boost变换器的参数计算与器件选择：流过电感L的电流最大值 (1)其中为输入电流，为负载电流，为占空比，为开关频率。开关管VT和续流二极管VD承受的最大电压为。开关管VT和续流二极管VD的电压定额为 (2) 开关管VT和续流二极管VD的电流定额为 (3)滤波电感的计算，由 (4) 得滤波电感量为 (5)滤波电容的计算，如果输出电压脉动很小，则输出脉动电压由下式决定 (6)滤波电容量为 (7)2.2.2 buck 型DC-DC转换器buck 型DC-DC转换器是一种降压型DC-DC变换电路，输出电压小于或等于输入电压。输入电流断续。图2 buck型DC-DC转换器
20、buck变换器的参数计算与器件选择：流过电感L的电流最大值 (8)其中为负载电阻，为负载电流，为占空比，为开关周期。开关管VT和续流二极管D承受的最大电压为。开关管VT和续流二极管VD的电压定额为 (9)开关管VT和续流二极管VD的电流定额为 (10)滤波电感的计算，由 (11)得滤波电感量为 (12)当=0.5时，L最大。滤波电容的计算，电容C在一个开关周期内的充电电荷为 (13)输出脉动电压为 (14)滤波电容量为 (15)2.2.3 buck/boost型DC-DC转换器Buck/Boost型是一种升降压型DC-DC变换电路，输出电压大于或小于输入电压。输出电压极性和输入电压极性相反。输
21、入电流断续。图3 buck/boost型转换器功率开关管 Vt导通时，隔离二极管 Vd因承受反向偏压而关断。输入电源电压 Uin加在贮能电感 L 两端，电感电流为 (16)功率开关管导通结束（t=ton）时，流过电感中的电流达到最大值，即 (17)功率开关管关断时，电感两端产生反向电压，即下端为正，上端为负。隔离二极管 Vd因承受正向电压而导通，忽略 Vd的正向电压降，电感两端的电压即为输出电压 Uo，即 (18)功率开关管关断期间，电感 L 中的贮能通过负载电阻 RL和滤波电容 C 释放，iL由最大值开始下降： (19)当 Vt关断结束（t=ton+toff）时，电感电流下降到最小值，即 (
22、20)将电感电流的最小值 ILmin代入 ILmax表达式中，可得 (21)由上式可见，当占空比 D 大于 0.5 时，输出电压高于输入电压；当占空比小于 0.5 时，输出电压低于输入电压，因此，该电路称为升压/降压型 DC-DC 转换器。2.3电源控制技术2.3.1 PWM控制 PWM控制就是对脉冲的宽度进行调制的技术。即通过对一系列脉冲的宽度进行调制来等效地获得所需要波形(含形状和幅值)。在采样控制理论中有一条重要的结论：冲量相等而形状不同的窄脉冲加在具有惯性环节上时，其效果基本相同，冲量即窄脉冲的面积。效果基本相同是指环节的输出响应波形基本相同。上述原理称为面积等效原理。以正弦PWM控制
23、为例。把正弦半波分成N等分，就可把其看成是N个彼此相连的脉冲列所组成的波形。这些脉冲宽度相等，都等于N，但幅值不等且脉冲顶部不是水平直线而是曲线，各脉冲幅值按正弦规律变化。如果把上述脉冲列利用相同数量的等幅而不等宽的矩形脉冲代替，使矩形脉冲的中点和相应正弦波部分的中点重合，且使矩形脉冲和相应的正弦波部分面积(冲量)相等，就得到PWM波形。各PWM脉冲的幅值相等而宽度是按正弦规律变化的。根据面积等效原理，PWM波形和正弦半波是等效的。对于正弦波的负半周，也可以用同样的方法得到PWM波形。可见，所得到的PWM波形和期望得到的正弦波等效。2.3.2 PFM控制PFM是一种脉冲调制技术，调制信号的频率
24、随输入信号幅值而变化，其占空比不变。由于调制信号通常为频率变化的方波信号，因此，PFM也叫做方波FM，PWM是频率的宽和窄的变化,PFM是频率的有和无的变化, PWM是利用波脉冲宽度控制输出,PFM是利用脉冲的有无控制输出.其中PWM是目前应用在开关电源中最为广泛的一种控制方式，它的特点是噪音低、满负载时效率高且能工作在连续导电模式，现在市场上有多款性能好、价格低的PWM集成芯片，如UCl84228423842、TDAl6846、TL494、SGl52525253525等；PFM具有静态功耗小的优点，但它没有限流的功能也不能工作于连续导电方式，具有PFM功能的集成芯片有MAX641、TL497
25、等；其基本工作原理就是当输出电压Vo升高时，控制器输出信号的脉冲宽度不变而周期变长，使占空比减小，Vo降低。最近几年PFM控制方式在开关电源中使用日益增多，具有以下优点：在轻负载下效率很高，工作频率高，频率特性好，电压调整率高。存在以下缺点：负载调整范围窄，滤波成本高。2.3.3 PWM/PFM控制对于额定功率时工作在PWM模式的开关电源，也可以通过切换至PFM模式提高待机效率，即固定开通时间，调节关断时间，负载越低，关断时间越长，工作频率也越低。将待机信号加在其PW/引脚上，在额定负载条件下，该引脚为高电平，电路工作在PWM模式，当负载低于某个阈值时，该引脚被拉为低电平，电路工作在PFM模式
26、。实现PWM和PFM的切换，也就提高了轻载和待机状态时的电源效率。通过降低时钟频率和切换工作模式实现降低待机工作频率，提高待机效率，可保持控制器一直在运作，在整个负载范围中，输出都能被妥善的调节。即使负载从零激增至满负载的情况下，能够快速反应，反之亦然。输出电压降和过冲值都保持在允许范围内2.3.4 PSM控制PSM调制方式是开关电源中一种新的控制方式，称为脉冲跨周调制。将负载端反馈信号转换为数字电平，在时钟上升沿检测该反馈信号电平决定是否在该时钟周期内工作，调节开关管的导通时间，从而稳定输出电压。其工作波为图4 PSM工作波形目前PSM控制方式已经用于开关电源，具有以下优点：在负载较轻时率很
27、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IC。存在如下缺点：输出纹波大，输入电压调整能力弱。2.3.5 开关电源反馈控制开关电源反馈控制可以分为电压模式PWM控制器和电流模式PWM控制器。开关电源最初采用的是电压模式PWM技术，基本工作原理下图所示。图5 电压PWM工作原理输出电压Vo与基准电压相比较后得到误差信号VE。此误差电压与锯齿波发生器产生的锯齿波信号进行比较，由PWM比较器输出占空比变化的矩形波驱动信号，这就是电压模式PWM控制技术的工作原理。电压控制模式的优点：1.PWM三角波幅值较大，脉冲宽度调节时具有较好的抗噪声裕量；2.占空比调节不受限制：3.对于多
28、路输出电源，他们之间的交互调节效应较好；4.单一反馈电压闭环设计、调试比较容易；5.对输出负载的变化有较好的响应调节。电压控制模式的缺点：1对输入电压的变化动态响应较慢；2.补偿网路设计本来就较为复杂，闭环增益随输入电压而变化使其更为复杂；3.输出LC滤波器给控制环增加了双极点，在补偿设计误差放大器时，需要将主极点低频衰减，或者增加一个零点进行补偿；4.没有电流反馈信号而电流模式PWM控制技术是针对电压模式PWM控制技术的缺点而发展起来的。所谓电流模式PWM控制，就是在PWM比较器的输入端直接用输出电感电流检测信号与误差放大器的输出信号进行比较，实现对输出脉冲占空比的控制，使输出电感的峰值电流
29、跟随误差电压变化。这种控制方式可以有效地改善开关电源的电压调整率和电流调整率，也可以改善整个系统的瞬态响应。电流模式PWM控制技术的工作原理如图所示。图6 电流模式PWM控制技术工作原理电流型PWM控制技术主要分为峰值电流控制技术和平均电流控制技术，这两种控制技术检测并反馈的是一个导通周期内电流变化的峰值和平均值。峰值电流控制技术：峰值电流模式控制是直接控制峰值输出侧电感电流的大小，然后间接地控制PWM的脉冲宽度。因为峰值电感电流容易检测，而且在逻辑上与平均电感电流大小变化一致。但是，峰值电感电流的大小不能与平均电感电流的大小一一对应，因为在占空比不同的情况下，相同的峰值电感电流可以对应不同的
30、平均电感电流，而平均电感电流的大小才是唯一决定输出电压大小的因素。当系统PWM占空比D50时，固定频率峰值电流模式控制方式存在着固有的开环不稳定现象，需要引入适当的斜坡补偿，去除不同占空比对平均电感电流大小的扰动，使得所控的峰值电感电流最后收敛于平均电感电流。当外加斜坡补偿信号的斜率增加到一定程度时，峰值电流模式控制就会转化为电压模式控制。因为若将斜坡补偿信号完全用振荡电路中的三角波代替，就成为电压模式控制，只不过此时的电流信号可以认为是一种电流前馈信号。峰值电流模式控制是双闭环控制系统(外环为电压环，内环为电流环)，电流内环是瞬时快速按照逐个脉冲工作的。在该双环控制中，电流内环只负责输出电感
31、的动态变化，因而电压外环仅需控制输出电压，不必控制储能电路。因此，峰值电流模式控制具有比电压模式控制大得多的带宽。峰值电流模式控制PWM的优点：1.暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快；2.控制环易于设计；3.输出电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相媲美；4.简单自动的磁通平衡功能；5.瞬时峰值电流限流功能；6.自动均流并联功能。峰值电流模式控制PWM的缺点：1.占空比大于50的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差；2.闭环响应不如平均电流模式控制理想；3.容易发生次谐波振荡；4.对噪声敏感，抗噪声性能差；5.电路结构受限制：6.对多路输出
32、电源的交互调节性能不好。第三章 软开关技术开关技术分为软开关和硬开关，其中硬开关的特点为：开关过程中电压、电流均不为零，出现了重叠，有显著的开关损耗。电压和电流变化的速度很快，波形出现了明显的过冲，从而产生了开关噪声。开关损耗与开关频率之间呈线性关系，因此当硬电路的工作频率不太高时，开关损耗占总损耗的比例并不大，但随着开关频率的提高，开关损耗就越来越显著。图7 硬开关降压型电路图 图8 硬开关降压型理想化波形 t0uiP0uituuiiP00图9 硬开关关断过程 图10 硬开关开通过程对应的软开关的特点：软开关电路中增加了谐振电感Lr和谐振电容Cr，与滤波电感L、电容C相比，Lr和Cr的值小得
33、多，同时开关S增加了反并联二极管VDS，而硬开关电路中不需要这个二极管。降压型零电压开关准谐振电路中，在开关过程前后引入谐振，使开关开通前电压先降到零，关断前电流先降到零，消除了开关过程中电压、电流的重叠，从而大大减小甚至消除开关损耗，同时，谐振过程限制了开关过程中电压和电流的变化率，这使得开关噪声也显著减小。 图11 零电压开关准谐振电路 图12 理想化波形ui0uitt0uiP0uitt0uu图13 软开关关断过程 图14 软开关开通过程 3.1 准谐振电路3.1.1 零电压准谐振在基本Buck变换器电路中加入Lr、Cr，变成并联电容型零电压开关，构成零电压型准谐振Buck变换器，如下图图
34、15 零电压型准谐振Buck变换电路图16 零电压准谐振工作波形图零电压型准谐振Buck变换器也可分为六个工作阶段，选择开关VT1的关断时刻为起始点。t0之前，开关管VT1处于导通状态，二极管VD处于截止状态，Cr上的电压UCr=0，流过Lr的电流为输出电流Io。t0-t1阶段，开关管VT1在t0时刻关断，输出电流Io流过电容Cr，对Cr充电，Cr两端的电压VCr线性上升，二极管VD还是处于截止状态，VD两端的电压UD下降。当VCr上升到输入电压Uin时，二极管VD两端的电压UD下降到零，VD导通，这个阶段结束。t1-t2阶段，t1时刻VCr=Uin，UD=0，二极管VD导通，电感Lr和电容C
35、r开始谐振，开关管VT1上的电压UCr为正弦波，UCr上升，iLr下降。当UCr谐振到峰值，iLr下降到零，这个阶段结束。 t2-t3阶段，t2时刻，iLr=0，LrCr继续谐振，iLr改变方向，UCr下降，当UCr=Vin时，iLr达到反向谐振峰值，这个阶段结束。 t3-t4阶段，t3时刻以后，UCr继续下降，iLr反向减小，直到UCr=0，这个阶段结束。t4-t5阶段，UCr箝位在零，VT1的反并联二极管VD导通，iLr反向线性减小，直到iLr=0，这个阶段结束。这个阶段VT1在零电压导通。 t5-t6阶段，VT1已导通，iLr线性上升，直到t6时刻，iLr=Io，VD关断。一个周期结束。
36、调节这个时间段长度可调节输出电压，这种调节方式也是调节开关周期实现调压，不过是VT1的关断时间固定，不能小于t0-t4时间段。3.1.2 零电流准谐振在基本Buck变换器电路中加入Lr、Cr，变成串联电感型零电流开关，构成零电流型准谐振Buck变换器，如图1-29,工作波形如图1-30 。在分析过程中，假定电感Lf很大，输出电流为恒电流Io。图17 零电流型准谐振Buck变换电路图18 零电流型准谐振工作波形图t0-t1阶段，开关管VT1在t0时刻导通，由于电感Lr的作用，VT1在零电流下导通。由于iLrIo，iLr 在Vin的作用下线性上升。t1时刻，iLr上升到输出电流Io，这个阶段结束。
37、 t1-t2阶段，t1时刻，iLr上升到输出电流Io，二极管D截止，电感Lr和电容Cr开始谐振，通过开关管VT1上的电流iLr近似为正弦波，加在二极管VD上的电压和谐振电容上的电压一样，也是正弦波，其峰值达到两倍的输入电压。iLr上升后下降，ta时刻，iLr下降到零后，iLr通过VT1的反并联二极管VD继续向反方向谐振，并将能量反馈给输入电源。tb时刻当iLr再次谐振回到零，这个阶段结束。在ta到tb时间段内，VT1是以零电流关断。t2-t3阶段，在这一个时间段，开关管VT1已断开，二极管VD还处于截止状态，输出电流Io通过Cr流通，电容处于线性放电状态。t3-t4阶段，t3时刻Cr上的电压为
38、零，二极管VD导通，输出电流Io通过二极管VD续流，电容电压被箝位在零，这时有：iLr=0。VCr=0。这个时间段长度取决于开关周期。调节这个时间段长度可调节输出电压，这种调节方式是调节开关周期实现调压，也就是调频调压。VT1的导通时间固定，不能小于t0-ta时间段。3.2 零开关PWM零开关 PWM 转换器可分为零电压开关 PWM 转换器和零电流开关PWM 转换器。该类转换器是在准谐振转换器的基础上，加入一个辅助开关管，来控制谐振元件的谐振过程，实现恒定频率控制，即实现 PWM 控制。与准谐振转换器不同的是，谐振元件的谐振工作时间与开关周期相比很短，一般为开关周期的1/101/5。零电压开关
39、PWM：下图为零电压开关PWM电路图图19 零电压开关PWM其中，VT1为主开关管，VT2为辅助开关管，Lr与 Cr分别为谐振电感与谐振电容。下图为该转换器在一个 PWM 周期内的工作波形：图20 零电压PWM一个周期工作波形图ZVS PWM 转换器可以实现恒频控制的 ZVS，而且电流应力小，但电压应力较大。由于电感串联在主回路中，实现 ZVS 的条件与电源电压及负载的变化有关。零电流开关PWM：下图为零电流PWM转换器电路图图21 零电流PWM转换器其中，VT1为主开关管，VT2为辅助开关管，VDT1和 VDT2分别为与主开关管与辅助开关管反并联的场效应管的体内二极管，Lr与 Cr分别为谐振
40、电感与谐振电容。下图为该转换器在一个 PWM 周期内的工作波形：图22 零电流PWM一个周期工作波形图Buck 型 ZCS-PWM 电路的最大优点是实现了恒频控制的 ZCS 工作方式，且主开关管与辅助开关管的电压应力小，在一个周期内承受的最大电压为电源电压，但续流二极管承受的电压应力较大，最大时为两倍的电源电压，而且由于谐振电感在主电路中，使得实现 ZCS 的条件与电源电压和负载变化有关3.3 DC-DC开关电源性能指标开关电源设计主要应满足的技术性能指标有：输出/输人电压比（UO/UI），输出功率PO，转换器效率，输出电压纹波UO，对输入电压源电压Ui的电磁干扰（EMI）幅度的限制等。在进行
41、优化设计时，一般用不等式约束来表示各项性能指标（满足某个不等式约束，表示设计结果满足与之相应的某个性能指标）。在设计开关电源的主电路时，应计算和选择的主要内容有：选择主电路结构形式、选择开关管（晶体管、功率MOSFET或IGBT）及整流二极管的型号及其电压和电流的规格等，确定输入、输出滤波器形式及参数；选择计算磁性元件（电感、变压器、电流互感器等）的磁心规格、尺寸、绕组匝数和导线的规格等，以及电容器的选择等。开关电源的控制电路补偿网络设计应满足电源的各项瞬态性能指标，因此它属于瞬态设计。开关电源的瞬态性能指标有：电源系统的稳定性，快速性（用恢复时间表示），瞬态响应的上冲和下冲，电源的抗扰动性（
42、扰动包括输入电压的瞬态扰动，负载的瞬态扰动一突加或突减负载）等。由于主电路参数与开关电源瞬态响应性能有较大的关系，因此瞬态设计应在主电路设计完成以后进行。开关电源瞬态最优设计的主要内容包括：选择反馈控制方式（电压反馈或电压、电流反馈，分别称为单环控制和双环控制），补偿网络（即比例一积分一微分或PID放大器）的电路形式，PID参数的最优设计等。第四章 降压型PWM DC-DC变换器的研究与仿真4.1 Saber软件仿真平台4.1.1 Saber软件简介Saber模拟及混合信号仿真软件是美国Synopsys公司的一款EDA软件，被誉为全球最先进的系统仿真软件，是唯一的多技术、多领域的系统仿真产品，
43、现已成为混合信号、混合技术设计和验证工具的业界标准，可用于电子、电力电子、机电一体化、机械、光电、光学、控制等不同类型系统构成的混合系统仿真，为复杂的混合信号设计与验证提供了一个功能强大的混合信号仿真器，兼容模拟、数字、控制量的混合仿真，可以解决从系统开发到详细设计验证等一系列问题。其发展历程：1986年Analogy公司开发并推出Saber仿真软件，2000年2月Avanti！公司收购Analogy，Saber成为Avanti！公司产品。2002年6月Avanti！公司被Synopsys并购，Saber软件再次易主，成为Synopsys公司产品。2004年10月Synopsys在中国举办“S
44、aber产品巡回展,并由北京才略科技有限公司作为总代理，开始了Saber仿真软件在中国的全面推广。4.1.2 Saber软件仿真优势1支持自顶向下的系统设计和由底向上的具体设计验证，可以分析从SOC到大型系统之间的设计；在概念设计阶段支持模块化的方框图设计，详细设计阶段可用具体元器件组成实际系统；2提供了一个功能强大的混合信号仿真器，支持包括模拟电路、数字电路及混合电路，混合技术系统设计；3通过单一的混合信号仿真内核就可以提供精确有效的仿真结果；4Avant获得专利的 Calaveras算法，Calaveras能使模拟和数字两种算法得到最大效率的运行，只有在需要时才交互信息；5Saber内部采用5种不同的算法依次对系统进行仿真，一旦其中某一种算法失败，Saber将自动采用下一种算法，在仿真精度和仿真时间上进行平衡，保证在最少的时间内获得最高的仿真精度；6通过直观的图形化用户界面全面控制仿真过程；7可以在各种流行的EDA设计环境中运行，采用通用的建模语言，实现信息共享，提供对标准库的支持；8可以通过对稳态、时域、频域、统计、可靠性及控制等方面的分析来检验系统性能；9可以仿真一个实际系统， SABER的仿真原理图里有相应主电路和控制模块。实际
