摘要自20世紀(jì)80年代以來，開關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點，在郵電通信、軍事裝備、交通設(shè)施、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的效益。近年來，隨著新電子元器件、新電磁材料、新變換技術(shù)、新控制理論及新的軟件不斷出現(xiàn)，使開關(guān)電源技術(shù)向著高可靠性、智能化方向開展。本文介紹一種以80C196KC單片機為核心，以MOSFET管為主開關(guān)管，用PFM,PWM調(diào)節(jié)相結(jié)合的方法，使輸出電壓連續(xù)可調(diào)的開關(guān)電源。該開關(guān)電源利用單片機強大的控制能力，改良了開關(guān)電源的控制系統(tǒng)，不僅滿足開關(guān)電源的高性能和高可靠性的要求，同時還能對工作中的開關(guān)電源進行檢測、自動顯示電源狀態(tài)。本開關(guān)電源的控制系統(tǒng)是以Intel公司16位單片機80C196KC為控制核心，擴展了程序存儲器2764，選用MAXIM公司生產(chǎn)的Maxim691組成復(fù)位／看門狗電路，與時鐘電路一起構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)。人機交互接口是本開關(guān)電源很重要的一個特色?？紤]到開關(guān)電源的商業(yè)化、產(chǎn)品化的需要，選用7in〔英寸〕4096色彩色液晶觸摸屏及相應(yīng)的智能控制終端。關(guān)鍵詞：開關(guān)電源、PWM、PFMAbstractSincethe1980s,theswitchingpowersupplyhasbeensmallbyitsvolume,theweightislight,theefficiencyhighermerit,indomainsandsoonpostsandtelecommunicationscorrespondence,militaryequipment,trafficequipment,industrialequipmentobtainsthewidespreadapplication,andhasmadetheremarkableprogress.Inrecentyears,alongwiththenewelectronicprimarydevice,thenewelectromagnetismmaterial,thenewconvertertechnique,thenewcontroltheoryandthenewsoftwareappearedunceasingly,causestheswitchingpowersupplytechnologytoturntowardtheredundantreliability,theintellectualizeddirectiontodevelop.Thisarticleintroducedthatonekindtakethe80C196KCmonolithicintegratedcircuitasacore,bytheMOSFETtubeswitchingvalve,adjuststhemethodwhichprimarilywithPFM,PWMunifies,causestheoutputvoltagecontinuouslyadjustableswitchingpowersupply.Thisswitchingpowersupplyusemonolithicintegratedcircuitformidablecontrol,improvedswitchingpowersupply'scontrolsystem,notonlysatisfiesswitchingpowersupply'shighperformanceandtheredundantreliablerequest,meanwhilecancarryontheexamination,theautomaticdemonstrationpowersourceconditiontotheworkswitchingpowersupply.Thisswitchingpowersupply'scontrolsystemistakeIntelCorporation16monolithicintegratedcircuit80C196KCasthecontrolcore,expandedtheprogrammemory2764,selectsMaxim691compositionreplacement/watch-dogelectriccircuitwhichMAXIMCorporationproduces,constitutesthemonolithicintegratedcircuitsmallestsystemtogetherwiththeclockcircuit.Theman-machineinteractionconnectionisthisswitchingpowersupplyveryimportantcharacteristic.Consideredswitchingpowersupply'scommercialization,theproductionneed,selects7in(inch)4096colorcoloredliquidcrystaltouchscreenandthecorrespondingintelligentcontrolterminal.Keyword:Switchingpowersupply,PWM,PFM目錄第1章緒論 1課題背景 1課題背景 1研究的目的及意義 11.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及開展 1低功耗化技術(shù) 11.2.2低噪聲化技術(shù) 2小型化技術(shù) 3第2章開關(guān)電源的原理及設(shè)計 52.1開關(guān)電源的工作原理 52.2開關(guān)電源的硬件系統(tǒng)設(shè)計 5單片機80C196KC簡介 52.2.2開關(guān)電源控制系統(tǒng)的組成 62.2.3高頻變換電路的組成 82.3開關(guān)電源的軟件設(shè)計 82.3.1軟件的設(shè)計思想 82.3.2軟件的設(shè)計流程 9第3章單片機抗干擾技術(shù) 11抗干擾濾波器特征 113.2EMI濾波器中電感材料的選擇 123.3抗干擾濾波器的開展趨勢 14第4章總結(jié) 15當(dāng)前同步整流技術(shù) 154.2最正確的初級PWM控制IC 154.3VICOR的最新科技 18致謝 19參考文獻 20第1章緒論課題背景自20世紀(jì)80年代以來，開關(guān)電源以其體積小、重量輕、效率高等優(yōu)點，在郵電通信、軍事裝備、交通設(shè)施、工業(yè)設(shè)備等領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)用，并取得了顯著的效益。近年來，隨著新電子元器件、新電磁材料、新變換技術(shù)、新控制理論及新的軟件不斷出現(xiàn)，使開關(guān)電源技術(shù)向著高可靠性、智能化方向開展。本文介紹一種以80C196KC單片機為核心，以MOSFET管為主開關(guān)管，用PFM,PWM調(diào)節(jié)相結(jié)合的方法，使輸出電壓連續(xù)可調(diào)的開關(guān)電源。該開關(guān)電源利用單片機強大的控制能力，改良了開關(guān)電源的控制系統(tǒng)，不僅滿足開關(guān)電源的高性能和高可靠性的要求，同時還能對工作中的開關(guān)電源進行檢測、自動顯示電源狀態(tài)。研究的目的及意義近來，伴隨著人們對開關(guān)電源要求的進一步升級，低電壓大電流轉(zhuǎn)換器的高效化以及響應(yīng)的高速化成為了有關(guān)廠商和研究機構(gòu)的熱門課題。另外，電子信息設(shè)備用量的激增還使得電磁干擾〔EMI〕問題日益突出，而開關(guān)操作時產(chǎn)生的浪涌和噪聲那么是開關(guān)電源的固有缺陷，為此人們將開關(guān)電源的低功耗化、小型化和低噪聲化作為今后的三大重點研究目標(biāo)。舉個例子，如果功耗增加，就會導(dǎo)致元件溫升的增加，這不僅會降低電源的可靠性，還因為需要增設(shè)散熱器而不利于實現(xiàn)小型化。由此可見低功耗化與小型化是密切相關(guān)的，所以在研究時不能割裂。而且，來自業(yè)界的低生產(chǎn)本錢要求也是必須盡力滿足的。1.2國內(nèi)外的研究現(xiàn)狀及開展低功耗化技術(shù)近年來，電子設(shè)備所采用的LSI的驅(qū)動電壓正在逐漸下降，而消耗電流卻因為設(shè)備功能的多功能化增大了許多，隨著轉(zhuǎn)換器的低電壓大電流化，以半導(dǎo)體元件為首，變壓器、配線等的導(dǎo)通損耗變得愈創(chuàng)造顯，往往很難維持高效率，為此人們做了大量的研究工作。例如，在把通信領(lǐng)域中常用的48V輸入電壓轉(zhuǎn)換成LSI所用的1V低電壓時，以往的降壓型轉(zhuǎn)換器需要將接通時間比〔TimeRatio〕設(shè)定在1/40以下。在如此短的時間里流經(jīng)開關(guān)元件的巨大脈沖電流是導(dǎo)致效率下降的主要原因。

但是，采用抽頭電感器〔TapInductor〕的降壓型轉(zhuǎn)換器中，即使不采用非常小的時間比也能夠獲得很大的降壓比。雖然當(dāng)抽頭電感器的繞組之間存在漏電感時會產(chǎn)生非常大的浪涌電壓，但由于采用了有源鉗位〔ActiveClamp〕電路，故使得浪涌電壓受到抑制。70A輸出的條件下實現(xiàn)高達91%的效率。上面講到的幾種電路方式根本上都是一段式結(jié)構(gòu)，最近，出于進一步提高效率的考慮，人們正在加緊研發(fā)兩段式結(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器。就普通的轉(zhuǎn)換器而言，采用兩段式結(jié)構(gòu)將導(dǎo)致效率下降是人所共知的常識，然而，在低電壓大電流轉(zhuǎn)換器中，對輸出進行同步整流是很普遍的做法，因此，如何實現(xiàn)同步整流操作的高效化便成為了關(guān)鍵所在。

降壓型轉(zhuǎn)換器與半橋式轉(zhuǎn)換器級聯(lián)而成的兩段式轉(zhuǎn)換器。電壓控制由第一段的降壓型轉(zhuǎn)換器來完成，第二段的半橋式轉(zhuǎn)換器那么以50%的固定時間比來工作。因此，20A60A低噪聲化技術(shù)伴隨著開關(guān)電源開關(guān)操作時急劇的電壓和電流變化而產(chǎn)生的浪涌和噪聲將作為傳導(dǎo)噪聲或輻射噪聲傳遞至設(shè)備的外部，從而引發(fā)電磁干擾〔EMI〕問題。傳導(dǎo)噪聲〔特別是共模噪聲〕中也時常會產(chǎn)生很大的環(huán)路電流，這是輻射噪聲的起因。近幾年來，ZVS〔零電壓開關(guān)〕和ZCS〔零電流開關(guān)〕等軟開關(guān)〔SoftSwitching〕技術(shù)作為抑制浪涌發(fā)生的常規(guī)方法已經(jīng)廣為人知。不過，人們在此根底上又提出了多種能夠兼顧低功耗和低噪聲目標(biāo)的電路方案。采用有源鉗位電路的傳統(tǒng)型轉(zhuǎn)換器電路。鉗位開關(guān)Q2需要在高壓側(cè)進行絕緣驅(qū)動，這里通常采用的是脈沖變壓器。然而，研究人員最近又提出了一種共源極型有源鉗位電路方案，它將兩個MOSFET開關(guān)的源極端子共接，從而簡化了柵極驅(qū)動。不僅如此，這種共源極型電路方式還有望降低噪聲，經(jīng)實驗測量，其噪聲電平較之傳統(tǒng)型電路下降了約30dB。為了弄清其降噪原因，讓我們來設(shè)想一下共源極型有源鉗位電路中的噪聲電流通路。雖然各MOSFET開關(guān)與外殼之間存在著通過散熱器等而形成的寄生電容C4和C5，但如果將變壓器初級繞組的極性考慮在內(nèi)，就會發(fā)現(xiàn)Q1漏極的電位與Q2漏極的電位只產(chǎn)生等量的逆向變化。因此，當(dāng)電壓在開關(guān)操作時發(fā)生變化的時候，流經(jīng)C4和C5的電流將會是反向的，從而相互抵消。在Q1關(guān)斷時通過寄生電容C5產(chǎn)生的共模噪聲電流經(jīng)由寄生電容C4而被封閉于電路內(nèi)部，這樣便能夠大幅度地減小流經(jīng)輸入電源側(cè)的共模噪聲電流。另一方面，由于擔(dān)憂該封閉噪聲電流會引發(fā)輻射噪聲，因此應(yīng)將其封閉在預(yù)測的通路中。而且，對于噪聲頻率也應(yīng)該借助等效電路通過解析法來加以確認(rèn)。由該共模噪聲電流所引起的輻射噪聲與電流環(huán)路的面積成正比，故需盡可能地減小上述電流環(huán)路的面積。小型化技術(shù)提高開關(guān)頻率是實現(xiàn)開關(guān)電源小型化、輕量化的有效措施，從1970年到1980年這10年間，開關(guān)電源的開關(guān)頻率提高了100倍，而尺寸縮小了10倍。另外，變壓器和電感器等磁性元件的集成也是實現(xiàn)小型化的途徑之一。最近，人們又開始嘗試一種開關(guān)電源小型化的新方法，即采用壓電變壓器來取代傳統(tǒng)的電磁變壓器。壓電變壓器具有外形扁薄、結(jié)構(gòu)簡單、易于絕緣和無磁性噪聲等諸多優(yōu)點。目前，適合于液晶背光源用逆變器的扁平壓電變壓器業(yè)已實用化，有關(guān)其在DC/DC轉(zhuǎn)換器中應(yīng)用的實用化研究也在進行之中，這里我們以AC適配器所采用的壓電變壓器轉(zhuǎn)換器為例做簡要介紹。日本的研究人員開發(fā)成功一種振動型壓電變壓器，其厚度僅為4mm。該壓電變壓器的驅(qū)動電路采用方波逆變器，通過改變其開關(guān)頻率〔PFM方式〕以到達借助壓電變壓器的諧振特性來調(diào)整輸出電壓的目的。但是，由于壓電變壓器具有多種由其形狀所決定的諧振頻率，所以很難通過大幅度地改變頻率的做法來控制輸出電壓。為此，人們正在研究引入逆變器的脈寬調(diào)制〔PWM〕技術(shù)。通過將驅(qū)動用逆變器、采用電流倍增器的整流電路以及采用PFM和PWM方式的混合控制電路與壓電變壓器相連而構(gòu)成的壓電變壓器DC/DC轉(zhuǎn)換器。利用增設(shè)了有源鉗位電路的逆變器，可使施加在壓電變壓器之上的輸入電壓的根本頻率分量與主開關(guān)的時間比D大致成正比，因而能夠進行PWM控制。關(guān)于控制方式，當(dāng)輸入電壓較低時，執(zhí)行PWM控制；而當(dāng)輸入電壓升高時，那么切換至PFM控制，實驗結(jié)果顯示這能夠針對90～260V的寬輸入電壓范圍來相應(yīng)地調(diào)整輸出電壓。第2章開關(guān)電源的原理及設(shè)計2.1開關(guān)電源的工作原理本開關(guān)電源原理框圖如圖2.1所示。電網(wǎng)電壓通過輸入回路中的整流器和濾波器轉(zhuǎn)換為直流電壓輸入高頻變換器，高頻變換器那么把輸入的直流電壓轉(zhuǎn)變?yōu)楦哳l脈沖方波電壓，該脈沖方波通過輸出回路中的高頻整流器和濾波器變成直流電壓供給負(fù)載。以單片機為核心的控制回路，在控制軟件的支持下對開關(guān)電源的輸出電壓、電流采樣，并與給定的數(shù)據(jù)進行比擬，然后去調(diào)整和控制逆變器，改變MOSFET管的導(dǎo)通頻率或?qū)ǎ刂箷r間以穩(wěn)定輸出，并監(jiān)測開關(guān)電源的工作狀態(tài)。高頻整流濾波高頻變換高頻整流濾波高頻變換整流濾波電網(wǎng)輸出單片機控制系統(tǒng)單片機控制系統(tǒng)輔助電源輔助電源設(shè)定輸出圖2.1開關(guān)電源工作原理框圖2.2開關(guān)電源的硬件系統(tǒng)設(shè)計單片機80C196KC簡介開關(guān)電源的控制器采用16位的Intel80C196KC芯片，這種芯片比一般的8位單片機有更高的運算速度和較高的集成度，而比照DSP芯片來講，雖然運算速度上稍微慢了點，但196芯片價格廉價這個特點又使其在性價比上占了一定優(yōu)勢，而且196芯片的CPU晶振頻率現(xiàn)在也已到達了16MHz，再加上它自身具有乘除法運算指令，使其已經(jīng)能夠滿足控制數(shù)據(jù)運算處理速度要求。另外，80C196KC芯片豐富的外圍部件功能，以及具有10位A/D高分辨率轉(zhuǎn)換的特點，可以在保證高可靠性的同時降低生產(chǎn)本錢。80C196KC管腳圖如圖2.2所示。圖2.280C196KC管腳圖2開關(guān)電源控制系統(tǒng)的組成本開關(guān)電源的控制系統(tǒng)是以80C196KC為控制核心，擴展了程序存儲器2764，選用MAXIM公司生產(chǎn)的Maxim691組成復(fù)位／看門狗電路，與時鐘電路一起構(gòu)成單片機最小系統(tǒng)。單片機外部總線為8位。組成電路還包括輸出電壓、輸出電流、輸入電壓等采集信號的調(diào)理電路，脈寬輸出信號驅(qū)動電路，過流、過壓保護電路，人機交互接口電路?？刂葡到y(tǒng)組成如圖2.3所示：80C196KC單片機外部程序存儲器外部程序存儲器電源監(jiān)控/復(fù)位電路人機交互接口電路采集的輸出電壓調(diào)理電路人機交互接口電路采集的輸出電壓調(diào)理電路過流、過壓保護電路過流、過壓保護電路采集的輸出電流調(diào)理電路PWM輸出驅(qū)動電路采集的輸入電壓調(diào)理電路PWM輸出驅(qū)動電路采集的輸入電壓調(diào)理電路圖2.3開關(guān)電源控制系統(tǒng)組成原理框圖輸出電壓、輸出電流、輸入電壓等采集信號調(diào)理電路主要由精密運算放大器組成，通過差動、比例運算放大，消除信號的共模干擾，把采集信號調(diào)理成標(biāo)準(zhǔn)的0—5V電壓信號。80C196KC具有8路10位D／A轉(zhuǎn)換器，調(diào)理后的標(biāo)準(zhǔn)信號經(jīng)過ACH0,ACH1和ACH2接入到80C196KC單片機內(nèi)。PWM輸出驅(qū)動電路主要是把80C196KC單片機高速輸出口HSO0輸出的由軟件產(chǎn)生的PWM的信號首先通過快速光電隔離耦合器，然后通過三極管進行驅(qū)動放大。過流、過壓保護主要由傳統(tǒng)的繼電器，組合邏輯電路組成。當(dāng)單片機控制電路檢測到輸出過壓、過流，輸入過壓的時候，80C196KC單片機輸出開關(guān)量，開關(guān)量輸入組合邏輯電路，執(zhí)行相應(yīng)的應(yīng)急處理。人機交互接口是本開關(guān)電源很重要的一個特色?？紤]到開關(guān)電源的商業(yè)化、產(chǎn)品化的需要，選用7in〔英寸〕4096色彩色液晶觸摸屏及相應(yīng)的智能控制終端。單片機的數(shù)據(jù)可通過I2C總線送到液晶觸摸屏顯示出來，觸摸屏的觸摸坐標(biāo)可以通過串行口輸入到單片機。既以通過觸摸顯示出開關(guān)電壓的柱狀圖，指針圖以及電源的工作狀態(tài)；也可以觸摸屏設(shè)定開關(guān)電源的輸出電壓及其他相關(guān)參數(shù)。高頻變換電路的組成本開關(guān)電源需要具有可調(diào)輸出電壓的功能，必須采用PWM和PFM相結(jié)合的調(diào)節(jié)方法，選擇適宜的高頻變換電路也是開關(guān)電源可靠工作的關(guān)鍵。設(shè)計時，選用雙MOSFET管組成反激半橋高頻變換電路，如圖2.4所示:圖2.4反激變橋高頻變換電路該電路中的高頻變壓器T1一次繞組通過兩個場效應(yīng)管接向工頻整流后的直流電源，這兩個場效應(yīng)管同時導(dǎo)通、同時關(guān)斷。場效應(yīng)管開通時儲存能量；斷開時，磁場能量轉(zhuǎn)化成電能供給負(fù)載。這種電路適用于固定頻率、可變頻率、完全和不完全能量傳遞的應(yīng)用場合。其他的工頻整流、濾波電路以及高頻整流濾波電路均選用普通開關(guān)電源常用的電路形式。2.3開關(guān)電源的軟件設(shè)計軟件的設(shè)計思想本開關(guān)電源是一個新型的智能的輸出連續(xù)可調(diào)的開關(guān)電源，輸出電壓范圍寬，單獨采用PWM或PFM調(diào)節(jié)都很難到達理想效果，因此本開關(guān)電源采用PWM和PFM調(diào)節(jié)相結(jié)合的調(diào)節(jié)方法。在軟件設(shè)計中，主要采用PFM調(diào)節(jié)方法來實現(xiàn)開關(guān)電源的粗調(diào)，采用PWM調(diào)節(jié)方法實現(xiàn)開關(guān)電源的細(xì)調(diào)。根據(jù)實際情況，把輸出電壓的調(diào)節(jié)域分成假設(shè)干調(diào)節(jié)擋，采用查表的方法求出對應(yīng)的輸出調(diào)節(jié)頻率。然后在相應(yīng)的調(diào)節(jié)域內(nèi)根據(jù)設(shè)定值和輸出值的偏差采用PWM進行調(diào)節(jié)。軟件的設(shè)計流程本軟件采用結(jié)構(gòu)化、模塊化程序設(shè)計方法。它主要包括軟件初始化模塊、AD采樣模塊、控制算法模塊、符點數(shù)運算模塊、觸摸屏顯示及處理模塊等。如圖2.5所示:開始開始初始化模塊初始化模塊讀A/D采樣值讀A/D采樣值輸出電壓、電流、輸入電壓超限否輸出電壓、電流、輸入電壓超限否NYN應(yīng)急處理模塊根據(jù)輸出電壓值調(diào)用控制算法應(yīng)急處理模塊根據(jù)輸出電壓值調(diào)用控制算法輸出相應(yīng)的PWM信號輸出相應(yīng)的PWM信號改變PWM輸出頻率，設(shè)置PWM相應(yīng)的初始寬度設(shè)定電壓改變PWM輸出頻率，設(shè)置PWM相應(yīng)的初始寬度設(shè)定電壓改變否？YN采樣周期采樣周期到否？NY圖2.5開關(guān)電源主程序流程圖第3章單片機抗干擾技術(shù)隨著開關(guān)電源類的數(shù)字電路的普及和開展，電子設(shè)備輻射和泄漏的電磁波不僅嚴(yán)重干擾其他電子設(shè)備正常工作，導(dǎo)致設(shè)備功能紊亂、傳輸錯誤、控制失靈，而且威脅著人類的健康與平安，已成為一種無形污染，并不遜色于水、空氣、噪聲等有形污染的危害。因此降低電子設(shè)備的電磁干擾(EMI)已成為世界電子行業(yè)關(guān)注的問題。為此歐洲共同體有關(guān)EMC委員會制定有關(guān)法令于1992年1月1日開始實施，歷時4年后于1996年1月1日最終生效。該法令指出凡不符合歐洲和國際EMC標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的產(chǎn)品一律不得進入市場銷售，違者重罰，同時把EMC認(rèn)證和電氣平安認(rèn)證作為一些產(chǎn)品認(rèn)證的首要條件。此舉引起世界電子市場巨大的震動，EMC成為影響國際貿(mào)易一個重要的指標(biāo)。為了與國際接軌，我國也相繼制定了有關(guān)EMC法規(guī)。為此我國屢次召開電磁兼容標(biāo)準(zhǔn)與論證會，建議自1997年1月1日起在市場上流通的電子設(shè)備必須制定、設(shè)計對無線電干擾的抑制措施，安置抑制元器件，使產(chǎn)生的電磁干擾不超過標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的電平。于2001年1月1日起凡進入市場產(chǎn)品必須有EMC標(biāo)志。這是我國電子產(chǎn)品參與國際市場競爭的第一步。3．1抗干擾濾波器特征抗干擾濾波器與通常的信號濾波器之間有著概念上的區(qū)別。信號濾波器是在阻抗匹配的條件下工作，即通過濾波器要保持輸入與輸出信號振幅不變?yōu)榍疤?，將其中局部頻域作預(yù)期的處理和變換。而EMI濾波器用于抑制進入設(shè)備與出自設(shè)備的電磁干擾，具有雙向抑制性。因此這就要求EMI濾波器的端口處與設(shè)備產(chǎn)生最大失配。這樣才能使濾波器對電磁干擾的衰減等于自身網(wǎng)絡(luò)的衰減再加上輸入和輸出端口所產(chǎn)生的反射。從電學(xué)角度來說只有阻抗不匹配的條件下才能在濾波器內(nèi)產(chǎn)生最大的吸收(或損耗)，用EMC俗語稱之為“濾波器插入損耗〞。EMI濾波器主要是消除或降低傳導(dǎo)干擾。實際上傳導(dǎo)干擾又分為共模干擾和差模干擾，所謂共模干擾是指相線與地線之間干擾信號的相位相同、電位相等，而差模干擾是相線間干擾信號相位差180°(電位相等)。因此濾波電路也分為抗共模和抗差模干擾電路，參見圖3.1。圖3.1抗共模和抗差模干擾電路圖中LC1LC2，Cy1Cy2構(gòu)成共模濾波電路，LC1LC2為共模濾波電感，而Ld1Ld2Cx1Cx2構(gòu)成差模電路。共模電感Lc一般數(shù)值0.3mH～38mH，共模電容Cy，只要控制在漏電電流于<1mA條件下，選擇較大數(shù)值為準(zhǔn)。而差模電感Ld一般在幾十至幾百微亨，其電容應(yīng)選耐壓大于1.4kV的陶瓷或聚酯電容。Ld1Ld2差模電感、電容值越大，低頻效果越好。市場上購置的EMI濾波器大都是對共模干擾設(shè)計的，對差模抑制效果很差。實際上開關(guān)電源中共模與差模干擾同時存在，特別對于有源功率因數(shù)校正電路中差模干擾的強度很大。對于開關(guān)電源，EMI濾波器對高頻的EMI信號抑制比低頻的EMI傳導(dǎo)消除容易得多。常常利用共模電感的差值形成的差模電感就能消除300kHz～30MHz傳導(dǎo)干擾電平。設(shè)計和選用濾波器一定要根據(jù)電路的實際需要而定。首先測出傳導(dǎo)干擾電平與所規(guī)定的EMC標(biāo)準(zhǔn)極限比擬，一般0.01MHz～0.1MHz是差模干擾起主導(dǎo)作用，0.1MHz～1MHz是差模與共模干擾聯(lián)合作用，而1MHz～30MHz主要是共模干擾起作用。根據(jù)實驗結(jié)果來判斷和選擇對超標(biāo)信號有抑制作用的濾波器或器件。當(dāng)然實際操作相當(dāng)復(fù)雜，要有相當(dāng)高的技術(shù)水平和經(jīng)驗。3.2EMI濾波器中電感材料的選擇降低電子設(shè)備的電磁干擾已成為電子產(chǎn)品是否有市場的關(guān)鍵問題。而軟磁材料已成為EMI濾波器中不可少的元件，并起著舉足輕重的作用?，F(xiàn)在用軟磁材料制成的各種抑制EMI元器件廣泛地應(yīng)用于各種電子電路和設(shè)備之中。這是因為軟磁材料具有它獨特的性能，致使其在抗電磁干擾領(lǐng)域發(fā)揮主要作用。然而，電子產(chǎn)品生產(chǎn)廠家希望能得到通用EMI濾波器對所有的電子設(shè)備都能把干擾降低到標(biāo)準(zhǔn)以下，這是不現(xiàn)實的。EMI濾波器的設(shè)計要根據(jù)該電子設(shè)備的EMC標(biāo)準(zhǔn)，即需要衰減EMI信號的頻段范圍和超標(biāo)電平上下來選擇，特別是其中的軟磁材料。因為軟磁材料種類繁多，各有自己的電磁特征。除了根本磁參數(shù)如Bsμi損耗外，還要利用它們的電特性電阻率、頻寬、阻抗等。根據(jù)所需衰減干擾信號范圍，確定對應(yīng)的濾波電路，然后再精心挑選適合于該頻段的磁性材料，濾波電感才能到達最經(jīng)濟和最正確效果。想用一種材料滿足各種抗干擾濾波器是不能到達預(yù)期效果的，必需選用適合該頻段的磁性材料。從材料的觀點看，EMI濾波器的作用是阻隔不需要的信號并以發(fā)熱的形式消耗掉，而讓需要的信號無衰減或幾乎不衰減地通過。值得指出的是以發(fā)熱形式所消耗掉的能量并不是指線圈在電流作用下的焦耳熱〔即I2R〕。故在繞制線圈時一定要選用足夠大線徑的銅線，盡量減少這種能量的損耗。EMI濾波器可分為共?？垢蓴_濾波器和差?？垢蓴_濾波器。因此對濾波電感的磁性能要求完全不同?，F(xiàn)簡述如下：〔1〕共模濾波電感材料的選擇共模電感線圈是繞在磁環(huán)上的兩只獨立的線圈，所繞圈數(shù)相同，繞向相反。使EMI濾波器接入電路后，兩只線圈產(chǎn)生的磁通在磁芯中相互抵消，不會使磁芯飽和。由于干擾信號比擬弱，所以磁芯一般工作在低磁場的區(qū)域，選用磁性材料要求具有較高的初始磁導(dǎo)率μ0的材料做共模濾波電感。但也不是初始磁導(dǎo)率愈高愈好，還要考慮磁性材料在電路中的電特性?！?〕差模濾波電感材料的選擇與共模濾波電感完全不同，因為電感與負(fù)載是串聯(lián)，輸入電流或輸出電流直接通過電感磁芯，其交流〔直流〕電流很大，當(dāng)然不能用高磁導(dǎo)率的材料。為了適應(yīng)差?？垢蓴_濾波器的電感磁芯的需要，最初采用鐵氧體或金屬磁性材料開氣隙增加退磁場方法，降低磁導(dǎo)率，增加磁芯抗飽和能力。但這對用于電源輸入端的交變電流抗干擾濾波顯然是很不恰當(dāng)?shù)?。不僅在開氣隙處有很強的交變漏磁場引起的很大輻射干擾外，還在氣隙斷口處產(chǎn)生局部的損耗而發(fā)熱，導(dǎo)致鐵氧體磁性惡化甚至消失。因為鐵氧體居里溫度為200℃，在此溫度附近μ0降低至零，此時已失去濾波作用。再者由于磁致伸縮在氣隙處產(chǎn)生新的機械噪聲，污染環(huán)境。為此人們采用新穎的復(fù)合磁粉芯。這是目前最理想的濾波電感材料，它是將金屬軟磁粉末經(jīng)絕緣包裹壓制退火而成，它相當(dāng)于把一集中的氣隙分散成微小孔穴均勻分布在磁芯中，不但材料的抗飽和強度增加，而且磁芯的電阻率比原來增加幾個數(shù)量級且各向同性，改變了金屬磁性材料不能在高頻下使用的缺點。這就是在國外所有差模濾波電感都是用磁粉芯，而不用開口鐵氧體磁芯的原因。3.3抗干擾濾波器的開展趨勢當(dāng)前電子線路向高速數(shù)字電路轉(zhuǎn)移。高組裝密度和高運算速度對EMC提出更高的要求。電子產(chǎn)品的微型化、多功能、移動化的開展又促使電子產(chǎn)品在組裝方式上向外表貼裝技術(shù)轉(zhuǎn)移，又進一步降低干擾。同時為了提高其動態(tài)響應(yīng)，降低干擾，必須力求減小供電母線的引線電感。最有效的方法是將電源直接裝在負(fù)載附近，用分散供電方式〔即小功率源)而不采用集中供電的形式〔大功率源〕，這樣大大減少引線的長度有效降低輻射干擾。所以今后幾年美國將大力開展小功率16W～25W低壓〔輸出電壓最低為1.2V〕DC/DC開關(guān)電源?？梢?，片式磁性器件是微型化的關(guān)鍵材料之一，它可分為線繞型片式電感、疊層型片式電感、薄膜型片式電感。為此上海鋼鐵研究所已開始著手金屬薄膜電感和薄膜變壓器元件的研制。目前美國和日本的一些重要研究所都開始研究薄膜電感和薄膜變壓器，并與集成元件組合制成新穎的超小型、高可靠性、高抗干擾能力的電源模塊。由此可見超小型電感和變壓器將是21世紀(jì)磁性元件的開展方向。第4章總結(jié)

自從20世紀(jì)90年代末期同步整流技術(shù)誕生以后，它給開關(guān)電源效率的提升做出了重要奉獻。當(dāng)前采用IC控制技術(shù)的同步整流方案已經(jīng)為研發(fā)工程師普遍接受。新上市的高中檔開關(guān)電源幾乎沒有不采用同步整流技術(shù)的作品?，F(xiàn)在的同步整流技術(shù)都在努力地實現(xiàn)ZVS及ZCS方式的同步整流。自從2002年美國銀河公司發(fā)表了ZVS同步整流技術(shù)之后，現(xiàn)在已經(jīng)得到了廣泛應(yīng)用。這種方式的同步整流技術(shù)巧妙地將副邊驅(qū)動同步整流的脈沖信號與原邊PWM脈沖信號聯(lián)動起來，其上升沿超前于原邊PWM脈沖信號的上升沿，而下降沿滯后的方法實現(xiàn)了同步整MOSFET的ZVS方式工作。最新問世的雙輸出式PWM控制IC幾乎都在控制邏輯內(nèi)增加了對副邊實現(xiàn)ZVS同步整流的控制端子。例如凌特公司(Linear-Tech)的LTC3722，LTC3723，英特塞爾(INTERSIL)公司的ISL6752等。這些IC不僅解決好初級側(cè)功率MOSFET的軟開關(guān)，而且重點解決好副邊的ZVS方式的同步整流。用這幾款I(lǐng)C制作的DCDC變換器，總的轉(zhuǎn)換效率都到達了94%以上。

在非對稱的開關(guān)電源電路拓?fù)渲?，特別是對于性能良好的正激電路或正激有源箝位電路，在副邊的同步整流中，為了實現(xiàn)ZVS方式的同步整流，消除MOSFET體二極管的導(dǎo)通損耗和反向恢復(fù)時間帶來的損耗，德州儀器公司最新的專利技術(shù)“預(yù)檢測柵驅(qū)動技術(shù)〞在控制芯片中增加了大量的數(shù)字控制技術(shù)，正激電路同步整流的控制芯片UCC27228的誕生使正激電路的效率到達了前所未有的高效率。再配合好原邊的有源箝位技術(shù)之后，使這種最新的電路模式既做到了初級側(cè)的軟開關(guān)ZVS方式工作，又解決了磁芯復(fù)位及能量回饋，減輕了功率MOSFET的電壓應(yīng)力，還做到了副邊的ZVS最正確狀態(tài)的同步整流，綜合使用這兩項技術(shù)的中小功率的DCDC變換器，其效率都在94%以上，功率密度也都能到達每立方英寸200W以上。

4.2最正確的初級PWM控制IC

有源箝位技術(shù)歷經(jīng)十余年經(jīng)久不衰，自從2002年VICOR公司此項專利技術(shù)到期解禁之后，各家公司發(fā)表的新型有源箝位控制IC如雨后春筍一樣誕生出來，給用戶最充分的選擇。持有早期有源箝位控制技術(shù)的TI公司，不僅保持了原有的UCC3580系列，又新開發(fā)了性能更優(yōu)越的UCC2891-94，它采用電流型控制方式，綜合了高邊箝位和低邊箝位兩種控制方案，給出了全新的控制技巧。ONSEMI(安森美)公司首先推出了低壓(100V)有源箝位的NCP1560控制芯片，隨后又推出了高壓應(yīng)用的有源箝位控制芯片NCP1280。它不僅解決了LCDTV、等離子TV電源的要求，現(xiàn)在又用于下一代無風(fēng)扇的PC機電源做主控PWMIC，可見該項技術(shù)未來的市場前景多么美好。美國國家半導(dǎo)體公司的5000系列中專門有一款有源箝位控制IC，型號是LM5025。即使名不見經(jīng)傳的Semtech公司也給出了有源箝位的控制芯片，型號是SC4910。這么多家半導(dǎo)體公司不約而同的將資金投在這種控制芯片上，決不是有錢無處花，有力無處使，這背后有著巨大的市場商機。直到最近TI公司新推出的有源箝位控制ICUCC2897，已經(jīng)將有源箝位的PWM控制做到了完美無缺。美國國家半導(dǎo)體公司剛剛推出的可以交互式工作的有源箝位正激式工作的控制ICLM5034，它可以在輸入濾波電容不增加的情況下將輸出功率增大一倍，使有源箝位技術(shù)到達1kW的功率水平。而臺商飛兆公司那么給出了最廉價的有源箝位控制ICSD7558和SD7559，極大地降低了有源箝位技術(shù)的使用本錢。在大功率領(lǐng)域人們熟悉且普遍使用的全橋移相ZVS軟開關(guān)技術(shù)在解決大功率開關(guān)電源的效率上功不可沒，這10年來也得到很大開展。從TI公司的UC3875到UCC3895，從凌特公司的LTC1922到LTC3722增加了自適應(yīng)檢測功率MOSFET工作狀態(tài)，從而更準(zhǔn)確地調(diào)整開關(guān)時間做到ZVS狀態(tài)的技術(shù)，使全橋移相技術(shù)到達了頂峰。特別是LTC3722控制IC，大幅度縮小了諧振電感的感量和體積，減小了非ZVS工作狀態(tài)的邊界條件，縮小了占空比的喪失量等。然而，在同步整流技術(shù)普遍應(yīng)用的今天，它卻無法實現(xiàn)最正確的ZVS同步整流，因為全橋移相電路在本質(zhì)上是屬于非對稱的，因此它無法實現(xiàn)完全的ZVS同步整流。盡管TI公司的工程師做了很大的努力，它給出的同步整流方案的電路中，開啟和關(guān)斷過程總有一半是硬開關(guān)，因而效率總是比不上對稱電路拓樸的ZVS方式的同步整流。在制作大功率開關(guān)電源領(lǐng)域里，最新的科技成果應(yīng)該INTERSIL公司最新推出的PWM對稱全橋的ZVS控制IC，其型號是ISL6752。它很好地解決了既控制原邊的4個MOSFET開關(guān)為ZVS工作狀態(tài)，又能準(zhǔn)確地給出控制副邊的同步整流為ZVS工作狀態(tài)的驅(qū)動信號。在此我們可以多花費一些筆墨介紹一下：ISL6752控制一個對稱的全橋電路。4個橋臂中左上和右上兩個開關(guān)以各50%的占空比工作，其脈沖寬度不受調(diào)制。而左下和右下兩個開關(guān)那么采用脈沖寬度調(diào)制的方法去調(diào)節(jié)脈寬以便控制輸出電壓。它能精確地控制相關(guān)脈沖的開啟、關(guān)斷及其延遲時間，從而巧妙地利用寄生參數(shù)實現(xiàn)全橋4只功率MOSFET的ZVS軟開關(guān)，保持原邊的最高轉(zhuǎn)換效率。除此以外，它還能給出副邊的同步整流的驅(qū)動信號。此驅(qū)動信號能在原邊控制IC中調(diào)節(jié)其相對于PWM脈沖的超前或延遲，從而克服傳輸信號送到副邊造成的延遲，以便使副邊的同步整流在任何占空比的情況下都絕對保持ZVS的開關(guān)狀態(tài)，確保了同步整流的高效率。而這樣一顆IC卻保持著低價位，幾乎比任何一款的全橋移相控制IC都要廉價。采用這顆IC制作的400W的DCDC變換器再加上優(yōu)秀的功率MOSFET，轉(zhuǎn)換效率到達了95%。對于小功率的開關(guān)電源那么仍舊采用反激變換器的PWM控制IC，但是它必須要能很好地解決副邊的同步整流的控制方式。ONSEMI公司的NCP1207和NCP1377仍舊是高壓ACDC領(lǐng)域的佼佼者。假設(shè)能再配上TI公司的反激變換器的同步整流控制ICUCC27226，那么能使它們成為幾乎完美無暇的高效率電源。低壓DCDC領(lǐng)域中的反激變換器控制IC中，Linear-Tech公司的LTC3806那么是上乘之作。LTC3806不僅控制好PWM，還給出準(zhǔn)確的副邊同步整流驅(qū)動信號，是低壓小功率電源控制IC的杰作。

綜上所述，我們可以給出當(dāng)今開關(guān)電源設(shè)計時可以選擇的最正確控制方式和最正確電路拓?fù)淞?。大功率?yīng)該是全橋ZVS加上副邊ZVS同步整流，典型控制IC是ISL6752；中等功率到小功率應(yīng)該是有源箝位正激變換ZVS軟開關(guān)配上副邊的預(yù)檢側(cè)柵驅(qū)動技術(shù)的同步整流；而小功率應(yīng)該是配好同步整流的準(zhǔn)諧振的反激變換電路。

近來，在LCDTV的電源供給器里，更多的是采用不對稱半橋ZVS技術(shù)。電視系統(tǒng)中，模擬電路及小信號處理電路較多，希望電源中的dvdt和didt越小越好。而不對稱半橋電路中的開關(guān)元件剛好工作在這種狀態(tài)，這對于200W左右的電視系統(tǒng)可謂性能價格比最好的電路。目前控制IC已經(jīng)有ST公司的L6598，飛利浦公司的TEA1610，ONSEMI公司的NCP1395。它們的性能根本相同，具體的有一些細(xì)微的功能差異。

當(dāng)然，這里沒有絕對的界限，只是不同的條件下應(yīng)該有相應(yīng)的最正確選擇。4.3VICOR的最新科技VICOR公司新推出的MHz級工作頻率，每立方英寸1000W超高功率密度的PRM〔預(yù)穩(wěn)壓模塊〕和VTM〔電壓變換模塊〕的DCDC仍舊是當(dāng)今電源技術(shù)領(lǐng)域的頂峰。它首次使模塊電源的功率密度上升到每立方英寸1000W的級別，真正地讓電源產(chǎn)品有了小型化的意義。然而目前VICOR公司的PRM的技術(shù)及產(chǎn)品仍舊沒有徹底過關(guān)推向市場，只有VTM能批量進入市場，但其技術(shù)方向是對的。其實PRM加上VTM組合成一組穩(wěn)壓電源，本質(zhì)上就是美國SYNQOR公司的專利———級聯(lián)技術(shù)；其第一級用于穩(wěn)壓，第二級用于隔離和變壓。把PRM這種思維方式改良一下，將PRM中的Buck-Boost給分開，要末選擇Buck，要末選擇Boost。選擇Buck時，采用1MHz工作頻率的預(yù)檢側(cè)柵驅(qū)動控制技術(shù)，將輸入電壓降到某一個中間值電壓，然后再加上VTM就組成了一套高功率密度的電源。選擇Boost時，采用1MHz工作頻率的同步Boost控制技術(shù)，將輸入電壓升到某一個較高的中間值，再加上VTM也組成一套高功率密度電源。VTM的優(yōu)點在于突破性的技術(shù)思維方式，這種思維方式的全面推廣在目前的中國還有困難，還要相當(dāng)長時間的開展。這要有足夠的風(fēng)險投資機制，還要從政府到企業(yè)有較長遠(yuǎn)的眼光，不要投一點資就盼望立竿見影。VICOR的VTM中有3項專利技術(shù)，大家知道越是專利技術(shù)多的工程就越容易突破，很多專利技術(shù)是誰想到了誰就掌握了，我們只好等十年后再用這項技術(shù)了。致謝本學(xué)位論文是在王林麗教授的悉心指導(dǎo)下完成的，從論文選題到完成論文都浸透了老師的大量心血和精力，導(dǎo)師淵博的知識、嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)態(tài)度和求實精神、忘我的工作作風(fēng)、學(xué)術(shù)上的遠(yuǎn)見和生活上的平易近人，時刻鼓勵著學(xué)生，是學(xué)生畢生學(xué)習(xí)的典范。值此論文完成之際，特向?qū)熤乱哉\摯的感謝和無盡的敬意！在本文的完成過程中，始終得到系領(lǐng)導(dǎo)和教員的熱情幫助和指導(dǎo)。從論文選題、課題研究到學(xué)位論文完成，都有他們的一份辛勤汗水。在此謹(jǐn)向他們表示誠摯的謝意和感謝之情。在課題研究中，得到了全體同學(xué)的關(guān)心和幫助。與他們進行了屢次有益的探討和學(xué)術(shù)交流，得到了許多啟發(fā)。對于他們的支持和幫助表示誠摯的謝意！最后，向所有給予我關(guān)心和幫助的領(lǐng)導(dǎo)、老師、親人、同學(xué)和朋友再次表示衷心的感謝！參考文獻:[8].:清華大學(xué)出版社.2002[9].HYPERLINK"://go