毕业论文 开关电源设计

兰州交通大学毕业设计（论文）

摘 要

开关电源因其具有稳压输入范围宽、效率高、功耗低、体积小、重量轻等显著特点而得到了越来越广泛的应用，从家用电器设备到通信设施、数据处理设备、交通设施、仪器仪表以及工业设备等都有较多应用，尤其是作为便携式产品的电池提供高性能电源输出，比其他结构具有不可超越的优势。

开关电源的稳定性直接影响着电子产品的工作性能,误差放大器是直流开关电源系统中电压控制环路的核心部分，其性能优劣直接影响着整个直流开关电源系统的稳定性，因而对高性能误差放大器的分析是本论文的主要研究目标。本文误差放大器的分析基于Buck型DC-DC转换器，从系统稳定性、负载调整率及响应速度要求的角度出发，首先对该款Buck型DC-DC转换器的系统电压控制环路进行小信号分析,并对控制环路进行了零极点分布分析，确定环路补偿策略。最后基于系统级来分析误差放大器。

关键词：开关电源；Buck型DC-DC转换器；误差放大器。

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Abstract

Due to their merits of wide input range, high efficiency, small in size and light in weight ect, switching power supplies are gaining more and more application areas in today’s modern world, ranging from domestic equipments to sophisticated communication and data handling systems, especially in portable devices, they have unsurpassable advantages.

The rapid development of products in corresponding application areas requires the power supplies to have better performances. The robustness of switch—mode power supplies directly affect the performance of electronic devices. As one of the most important parts of switched mode DC to DC converters, error amplifier has significant influences on the voltage control loop’s stability. Thus this paper focuses on the design of high performance error amplifier for DC-DC converters based on system requirements analysis. A buck DC-DC converter was concerned, an error amplifier for the buck converter was designed from the points of view of system stability, load regulation and response speed requirements. At the first place, the Buck DC-DC converter’s voltage control loop stability and pole-zero analysis was done based on a small signal model of the voltage control loop, the compensation scheme was proposed. At last, according to the system level to analysis the error amplifier.

Key words：Switching power; Buck DC-DC Converter; Error Amplifier.

II

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目 录

摘 要 ........................................................................................................................................... I Abstract ...................................................................................................................................... II 1. 诸 论 ................................................................................................................................... 1 1.1 引言 ............................................................................................................................. 1 1.2 本文研究的目的与意义 ............................................................................................. 1 1.3 本论文主要研究内容 ................................................................................................. 1 2. 开关电源基础及其类型 ..................................................................................................... 2 2.1 开关电源基础理论 ..................................................................................................... 2 2.1.1开关电源基本工作原理 ....................................................................................... 2 2.1.2开关电源的组成 ................................................................................................... 2 2.1.3开关电源的各种分类 ........................................................................................... 3 2.2 开关电源典型结构[6] .................................................................................................. 4 2.3 DC-DC变换器 ............................................................................................................ 7 2.3.1Buck变换器 ........................................................................................................... 8 3.3.2Boost变换器 ........................................................................................................ 10 3. Buck型DC-DC转换器及其控制方式分析 ................................................................... 12 3.1 Buck型DC-DC转换器 ........................................................................................... 12 3.2 Buck型DC-DC转换器及其控制方式 ................................................................... 13 3.2.1Buck型DC-DC转换器工作原理 ...................................................................... 13 3.2.2Buck型DC-DC转换器的控制方式 .................................................................. 14 3.2.3Buck型DC-DC转换器工作模式 ...................................................................... 18 3.3 环路控制中误差放大器的重要作用 ....................................................................... 18 4. 开关电源管理电路系统分析 ........................................................................................... 19 4.1 Buck型DC-DC转换器 ........................................................................................... 19 4.2 开关电源控制环路的分析研究 ............................................................................... 20 4.2.1Buck型DC-DC转换器稳定性分析 .................................................................. 20 4.2.2Buck型转换器电压环路控制模型 ..................................................................... 21 5. 误差放大频率特性及其补偿策略 ................................................................................... 27 5.1 控制电路的频率响应分析 ....................................................................................... 27

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5.1.1频率响应 ............................................................................................................. 27 5.1.2开关电源输出滤波电路分析 ............................................................................. 28 5.2 开关电源中负反馈及自激振荡分析 ....................................................................... 30 5.2.1负反馈自激振荡 ................................................................................................. 30 5.2.2误差放大电路稳定分析 ..................................................................................... 30 5.3 补偿误差放大器及频率校正策略 ........................................................................... 32 5.3.1I类补偿误差放大器 ............................................................................................ 32 5.3.2Ⅱ类补偿误差放大器 .......................................................................................... 32 5.3.3Ⅲ型补偿误差放大器 .......................................................................................... 34 6. 闭环设计中误差放大器的分析与研究 ........................................................................... 36 6.1 闭环控制系统中的误差放大分析 ........................................................................... 36 6.2 环路增益 ................................................................................................................... 38 6.2.1带有LC滤波电路的环路增益 .......................................................................... 38 6.2.2PWM增益 ............................................................................................................ 39 6.2.3取样增益－反馈系数 ......................................................................................... 40 6.2.4输出LC滤波器的总增益 .................................................................................. 40 6.3 误差放大器的特性分析 ........................................................................................... 40 6.3.1误差放大器的幅频特性整形 ............................................................................. 40 6.3.2误差放大器的传递函数、极点和零点 ............................................................. 42 6.3.3零点、极点和频率增益斜率变化 ..................................................................... 43 6.4 误差放大器零点、极点的分析与计算 ................................................................... 43 6.4.1Ⅱ型误差放大器零点和极点分析 ...................................................................... 43 6.4.2采用Ⅲ型误差放大器及其传递函数 ................................................................. 45 6.4.3Ⅲ型误差放大器的相位滞后分析 ...................................................................... 45 6.4.4Ⅲ型误差放大器零点和极点计算 ...................................................................... 46 6.5 反馈环路条件稳定探讨 ........................................................................................... 47 结 论 ........................................................................................................................................ 49 致 谢 ........................................................................................................................................ 50 参考文献 .................................................................................................................................. 51

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1. 诸 论 1.1 引言

随着电力电子及电子技术的迅猛发展，开关电源在计算机、通信、工业自动化、电子和电工仪器等领域的应用更加广泛。不同的电子设备对电源参数诸如效率、电压、电流能力、噪声、纹波等的要求以及对电源体积、可靠性等的要求各不相同，这就对开关电源的管理电路提出了很高的要求。本论文主要针对目前常用于便携式设备、分布式电源系统的Buck型DC-DC开关转换器，其输出电压的精度、电源抑制比等都直接取决于误差放大器的相关参数，因而，在对其系统工作原理分析的基础上，主要从系统控制环路稳定性、负载调整率及响应速度方面来分析研究误差放大电路。

1.2 本文研究的目的与意义

误差放大电路作为电源管理电路中的关键模块，其性能优劣与整个电源系统的稳定性能密切相关。误差放大器主要用于对输出端的反馈电压与基准电压的差值进行放大，并产生与电流比较器正向输入端信号进行比较的误差放大信号，误差放大器的核心结构一般采用跨导运算放大器结构，它的差模直流小信号增益、跨导、补偿方式等都将作为误差放大器研究的重要方面。

开关电源控制模式分为两种：电压控制模式和电流控制模式。这两种模式，虽然采样的方式各不相同，但是都需要误差放大器将输出采样电压与预设基准电压进行差分运算并放大生成误差放大信号反馈给系统控制电路，所以误差放大器对开关变换电路系统的稳定性、负载调整率以及响应速度有着决定性作用，它的性能好坏直接影响到开关变换器系统的性能，因而对开关电源管理电路中误差放大器的分析与研究具有重要的意义。本文从最基本的开关电源工作原理及其控制方式入手，从Buck型DC-DC转换器系统稳定性、负载调整率及响应速度要求的角度出发来分析，研究管理电路中误差放大模块对电源系统的影响。

1.3 本论文主要研究内容

本论文主要工作是开关电源控制电路误差放大的分析与研究，首先对开关电源的基本原理进行了介绍，接着在峰值电流模式下对控制模块Buck型DC-DC转换器进行了小信号分析，最后，在前几章分析的基础上，对闭环控制电路进行了误差放大分析，还着重研究了误差放大器在闭环设计中的应用。

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