原边反馈反激变换器的高效率数字多模式控制设计

发布时间：2019-10-25 22:16

【摘要】：数字原边反馈反激变换器凭借其低成本、高精度、高集成度、复用性与灵活性强等优点,在中小功率便携式充电器中获得广泛青睐。在能源日益紧缺的背景下,提高电源效率、尤其是轻载时的转换效率,成为电源设计中刻不容缓的要求,而多模式控制可以根据负载状态合理地选择不同的控制模式以提高转换效率,因此,多模式控制设计成为电源管理芯片中的研究热点。本论文给出了一种适用于原边反激变换器的数字多模式(P WM/PFM/NPSM/DPFM)控制设计,有效提高了全负载范围内、尤其是轻载条件下的系统转换效率。本文首先介绍了原边反馈反激变换器的基本工作原理,分析了现有多模式控制方案的优缺点；然后设计了一种适用于原边反馈反激变换器的NPSM控制方案,可在避免音频噪声的基础上有效地提高轻载效率；详细研究了NPSM控制模式下输出电压的纹波问题,并对各损耗源进行分析与建模；基于所建立的效率模型对数字多模式控制中各个功能模块进行具体设计,重点为分段NPSM模式所控负载范围设定、多模式控制的实现与切换、自适应谷底导通的实现,并对Verilog代码进行仿真；最后,对整体设计进行系统测试,验证其可行性与正确性。测试结果表明：本文所设计的数字多模式控制方案,可以实现5V/1A原边反馈反激变换器的基本功能,实现准确采样、谷底导通与多模式之间的稳定切换,恒压精度为±0.9%,输出电压纹波小于90mV,峰值效率为80.13%,平均效率为79.54%,10%负载效率为74.61%,待机功耗不超过47mW,无音频噪声,基本满足设计指标的要求。
【图文】：

全负载,控制模式,切换点,负载点

０逦０．１逦０．２逦０．３邋口邋．４逦０．５邋Ｏ．Ｅ邋０．７逦０．８逦０．９逦１逡逑ＪＪＡ逡逑图４．５邋ＰＷＭ／ＰＦＭ全负载范围频率曲线图逡逑在５Ｖ／１Ａ变换器中一般认为当负载低于化ｌＡ时，变换器的输出功率己足够低可忽略人耳噪声，逡逑但从图４．５中可发现，当负载在化１Ａ－０．１７Ａ范围内时，开关频率已降到２０ＫＨｚＷ下，也就是说在该逡逑段负载范围内，存在着不可忽略的音频噪声，这也意味着，在该段范围内不能再采用ＰＦＭ控制模式，逡逑必须考虑到音频噪声与系统效率的折衷－这里选择切换点为０．１７Ａ负载。当负载低于化１７Ａ时，，若逡逑使用ＰＷＭ控制模式系统转换效率会很低，而使用ＰＦＭ控制模式则会带来音频噪声的影响，因此在逡逑３８逡逑

效率曲线,全负载,变换器,输出功率

邋０逦０．１逦（Ｘ２逦０．３逦０．４逦０．５逦０．６逦０７逦０．６逦０．９逦１逡逑／0／Ａ逡逑图４．４邋ＰＷＭ／ＰＦＭ全负载范围效率曲线图逡逑在把化６Ａ负载点作为ＰＷＭ与ＰＦＭ控制模式切换点的前提下，当负载小于化６Ａ时，如果均采逡逑用？１＾＾１控制模式，可得到全负载范围内的频率曲线图如园４．５所示。可＾＾看到，随着负载的降低，逡逑系统开关频率会越来越小，特别是当负载下降到化１７ＡＬ：Ａ下时，此时的开关频率会降低到２０ＫＨｚＬ＾逡逑下，也就是达到了人耳可听范围。逡逑＜１０＊邋ＰＷＭ／ＰＦＭ全负载范围频率曲线（ｒｈ＝９０Ｖａｃ）逡逑７｜邋Ｉ逦！逦！逦！逦！￣ｙ．逦！逦！逦！逡逑幫！逦；逦ｉ逦！逦ｉ逦Ｉ逡逑ｒｉＬＥＩ／ｉＨＥＬ逡逑ｆ邋ｐ邋！邋ｊ邋！邋Ｐｉ．邋ｊ．．．ｉ逡逑Ｉ邋…＇…ｉｌ／ｌｉｆ．．．．．．ｉＩ．！＇…－逡逑＼．．．．．．ｌ／ｉ．．．．．．．．．．．．．；．．．．．．Ｉ．．．．．．ＩＩ．．．．．．．Ｉ．．…■逡逑：ｉ邋Ｍ邋Ｉ邋Ｍ逡逑１７ｌ邋…ｉ邋；邋ｉ…ｉ邋．．！．．．．．．Ｉ……ｉ．…．…Ｉ＇逡逑０逦０．１逦０．２逦０．３邋口邋．４逦０．５邋Ｏ．Ｅ邋０．７逦０．８逦０．９逦１逡逑ＪＪＡ逡逑图４．５邋ＰＷＭ／ＰＦＭ全负载范围频率曲线图逡逑在５Ｖ／１Ａ变换器中一般认为当负载低于化ｌＡ时，变换器的输出功率己足够低可忽略人耳噪声，逡逑但从图４．５中可发现，当负载在化１Ａ－０．１７Ａ范围内时，开关频率已降到２０ＫＨｚＷ下，也就是说在该逡逑段负载范围内
【学位授予单位】：东南大学
【学位级别】：硕士
【学位授予年份】：2016
【分类号】：TN624

【参考文献】