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2018年4月24日星期二
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脉冲序列技术和数字集成控制器芯片在开关电源中的应用
Application of Pulse Train Technique and Digital Controller Chips in Power Supply
■中国航空计算技术研究所 田育新


摘 要: 本文介绍一种脉冲序列技术及相应的数字集成控制器芯片。电源设计者们根据此控制器可设计出数字型开关电源,为数字技术在电源设计中的应用提供了一条道路。

关键词:脉冲序列技术;数字控制型集成电路


传统的脉宽调制型开关电源已经广泛且成熟地应用到各种电子设备中。然而,电源的设计者们却遇到了棘手的问题,为了提高开关电源1%的工作效率,需要对已有的电路设计进行较大的变动,另外对元器件性能提出了更高的要求。在市场竞争的压力下,电源的设计者们特别希望在不增加成本的基础上,研制出功能更加灵活、性能更加可靠,负载调整率和电压调整率有更好表现的电源。现在,一系列灵活的、可编程的,不同于传统脉宽调制器的数字开关电源集成控制器的出现,大大地提高了隔离式和非隔离式AC/DC、DC/DC变换器的性能。


脉冲序列技术


脉冲序列技术包括一对脉冲发生器:能量驱动脉冲(Power pulse)发生器、感应脉冲(sense pulse)发生器。能量驱动脉冲决定变压器转换给负载的能量,感应脉冲用来监视负载电压。优化器设置两种脉冲的导通及截止时间 。经变压器初级边反馈,脉冲率控制器通过发出脉冲,固定能量驱动脉冲宽度和周期的方式来调整电压。(见图1)

数字脉冲序列通过提供或不提供能量驱动脉冲的方式,控制输出电压。具体上讲,如果输出电压低于额定电压,能量驱动脉冲将会连续发出,直到输出电压达到额定值。同样的,当输出电压高于额定值时,感应脉冲取代能量驱动脉冲去驱动开关管导通,由于感应脉冲的导通时间比能量驱动脉冲要短(见图2),所以在单位时间内传递较少的能量,使输出电压降低后达到额定值。

图1 数字脉冲序列工作原理(略)
图2 变压器初级电压波形(略)
图3 iW2202原理框图(略)
图4 iW2202电路实例(略)

数字脉冲序列技术通过设置脉冲的导通与截止时间,可使电源工作状态保持稳定。在单端反激式开关电源应用中,当变压器次极电流降为零时,脉冲截止时间(off-time)可确保开关管导通,使电源在低负载时工作在非连续状态。另一方面,脉冲导通时间(on-time)可用来保证变压器初级尖峰电流的连续。总之,数字脉冲序列通过设置脉冲的导通与截止时间,在输入电压和负载较大范围内可使电源保持高效率工作状态。

传统的脉宽调制型(PWM)、或脉频调制型(PFM)变换器发出的每一个能量驱动脉冲都要进行调整,以使输出电压不偏离额定值。而脉冲序列变换器工作方式类似数字技术中的"Bang-Bang"工作方式。在每一个周期内,数字脉冲序列抽样一个二进制误差信号,决定是否驱动开关管导通,从而实现输出电压稳压的功能。模拟调整技术则根据滤波后的误差信号来调整电压。在实际应用中,采用数字脉冲序列控制技术的电源输出电压稳定度,要优于采用模拟调整技术的开关电源。

传统的脉宽调制型(PWM)开关电源在低负载时,效率、稳定性会急剧下降。使用数字脉冲序列控制技术的开关电源,在负载有较大变动时,仍能保持80%~89%的工作效率,并且不需要反馈环补偿。这样光电耦合器和其它相关器件就可从电路中去掉,降低了电源成本。


数字集成控制器芯片

脉冲序列技术与其他控制器件包括控制逻辑、波形分析器、乘法器、电压调整器、驱动器可集成化为数字集成控制器芯片。

目前iWATT公司提供三种不同的数字集成控制器芯片,可在各种AC/DC、DC/DC变换器上应用。iW2101是隔离式AC/DC变换器控制芯片,iW2101是DC/DC变换器控制芯片,iW2202是内部含有源功率因数校正器(PFC)的AC/DC变换器控制芯片。(见图3)

传统的有源功率因数校正器(PFC)涉及到复杂电路设计及脉宽调制工作方式,而iW2202仅通过变压器初级边反馈(见图4),即可同时提供有源功率因数校正和电压调整功能,从而了简化电路、提高了电源可靠性。


内部波形分析器

数字集成控制芯片内部具有波形分析器,利用波形分析器可确定电路一些关键参数。单端反激式电源变压器初级电压在选定时间被测量,用来反映次极电压、变压器磁通恢复时间、开关管零电压时间等参数,将结果应用到电流周期中可实现电压、电流、有源功率因数校正三者独立控制。利用新控制技术的电源、电压与负载调整率均小于1%,电源的动态响应要比传统电源快5倍左右。


结束语

利用脉冲序列技术的数字集成控制器芯片为数字技术在开关电源中的应用提供了一条新路。

         
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