【正文】 .................... 32 Ⅱ 類補償誤差放大器 .......................................................................................... 32 Ⅲ 型補償誤差放大器 .......................................................................................... 34 6. 閉環(huán)設(shè)計中誤差放大器的分析與研究 ........................................................................... 36 閉環(huán)控制系統(tǒng)中的誤差放大分析 ........................................................................... 36 環(huán)路增益 ................................................................................................................... 38 帶有 LC 濾波電路的環(huán)路增益 .......................................................................... 38 增益 ............................................................................................................ 39 取樣增益－反饋系數(shù) ......................................................................................... 40 輸出 LC 濾波器的總增益 .................................................................................. 40 誤差放大器的特性分析 ........................................................................................... 40 誤差放大器的幅頻特性整形 ............................................................................. 40 誤差放大器的傳遞函數(shù)、極點和零點 ............................................................. 42 零點、極點和頻率增益斜率變化 ..................................................................... 43 誤差放大器零點、極點的分析與計算 ................................................................... 43 Ⅱ 型誤差放大器零點和極點分析 ...................................................................... 43 采用 Ⅲ 型誤差放大器及其傳遞函數(shù) ................................................................. 45 Ⅲ 型誤差放大器的相位滯后分析 ...................................................................... 45 Ⅲ 型誤差放大器零點和極點計算 ...................................................................... 46 反饋環(huán)路條件穩(wěn)定探討 ........................................................................................... 47 結(jié) 論 ........................................................................................................................................ 49 致 謝 ........................................................................................................................................ 50 參考文獻 .................................................................................................................................. 51 1 1. 諸 論 引言 隨著電力電子及電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，開關(guān)電源在計算機、通信、工業(yè)自動化、電子和電工儀器等領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛。不同的電子設(shè)備對電源參數(shù)諸如效率、電壓、電流能力、噪聲、紋波等的要求以及對電源體積、可靠性等的要求各不相同，這就對開關(guān)電源的管理電路提出了很高的要求。本論文主要針對目前常用于便攜式設(shè)備、分布式電源系統(tǒng)的 Buck 型 DCDC 開關(guān)轉(zhuǎn)換器，其輸出電壓的精度、電源抑制比等都直接取決于誤差放大器的相關(guān)參數(shù)，因而，在對其系統(tǒng)工 作原理分析的基礎(chǔ)上，主要從系統(tǒng)控制環(huán)路穩(wěn)定性、負載調(diào)整率及響應(yīng)速度方面來分析研究誤差放大電路。 本文研究的目的與意義 誤差放大電路作為電源管理電路中的關(guān)鍵模塊，其性能優(yōu)劣與整個電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性能密切相關(guān)。誤差放大器主要用于對輸出端的反饋電壓與基準電壓的差值進行放大，并產(chǎn)生與電流比較器正向輸入端信號進行比較的誤差放大信號，誤差放大器的核心結(jié)構(gòu)一般采用跨導(dǎo)運算放大器結(jié)構(gòu)，它的差模直流小信號 增益、跨導(dǎo)、補償方式 等都將作為誤差放大器研究的重要方面。 開關(guān)電源控制模式分為兩種：電壓控制模式 和電流控制模式。這 兩種模式，雖然采樣的方式各不相同，但是都需要 誤差放大器將輸出采樣電壓與預(yù)設(shè)基準電壓進行差分運算并放大生成誤差放大信號反饋給系統(tǒng)控制電路，所以誤差放大器對開關(guān)變換電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性、負載調(diào)整率以及響應(yīng)速度有著決定性作用，它的性能好壞直接影響到開關(guān)變換器系統(tǒng)的性能，因而對開關(guān)電源管理電路中誤差放大器的分析與研究具有重要的意義。本文從最基本的開關(guān)電源工作原理及其控制方式入手，從 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器系統(tǒng)穩(wěn)定性、負載調(diào)整率及響應(yīng)速度要求的角度出發(fā)來分析， 研究管理電路中誤差放大模塊對電源系統(tǒng)的影響。 本論 文主要研究內(nèi)容 本 論文 主要工作是開關(guān)電源控制 電路誤差放大 的 分析與研究，首先對開關(guān)電源的基本原理進行了介紹 ， 接著 在峰值電流模式下 對控制模塊 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器 進行了小信號分析， 最后，在前幾章分析的基礎(chǔ)上，對閉環(huán)控制電路進行了誤差放大分析， 還 著重研究了誤差放大器在閉環(huán)設(shè)計中的應(yīng)用 。 2 2. 開關(guān)電源 基礎(chǔ)及其類型 開關(guān)電源基礎(chǔ)理論 開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時間比率，維持穩(wěn)定輸出電壓的一種電源，它使用電感，變壓器，電容等貯能元件從輸入端向輸出端傳送能量。開關(guān)晶體 管的控制電路調(diào)節(jié)著能量傳輸過程，使輸出信號保持恒定。開關(guān)電源內(nèi)部功率管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，其等效電阻很小，當(dāng)流過大的電流時，消耗在功率管上的能量很小，所以電源效率可以達到 70％～ 90％ ，比普通線性穩(wěn)壓電源提高近一倍。 開關(guān)電源基本工作原理 開關(guān)電源的工作原理可以用圖 進行說明。圖中輸入的直流不穩(wěn)定電壓 Ui經(jīng)開關(guān)S 加至輸出端， S 為受控開關(guān)，是一個受開關(guān)脈沖控制的開關(guān)調(diào)整管，若使開關(guān) S 按要求改變導(dǎo)通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓 Ui 變成矩形脈沖電壓。這個脈沖電壓經(jīng)濾波電路進行平滑濾波后就可得到穩(wěn) 定的直流輸出電壓 U0[1] 。 圖 開關(guān)電源的工作原理 為方便分析開關(guān)電源電路，定義脈沖占空比如下： TTD ON? 式 （ 21） 開關(guān)電源直流輸出電壓 U0與輸入電壓 Ui，之間有如下關(guān)系： DUU i?0 式 （ 22） 由式 (21)和式 22)可以看出，若開關(guān)周期了 T 一定，改變開關(guān) S 的導(dǎo)通時間 TON。即可改變脈沖占空比 D，從而達到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。 開關(guān)電源的組成 開關(guān)電源的基本組成如圖 所示。其中 DCDC 變換器用以進行功率變換，它是開關(guān)電源的核心部分；驅(qū)動器是開關(guān)信號的放大部分，對來自信號源的開關(guān)信號進行放大和整形，以適應(yīng)開關(guān)管的驅(qū)動要求；信號源產(chǎn)生控制信號，該信號由它激或自激電路 3 產(chǎn)生，可以是 PWM 信號、 PFM 信號或其他信號；比較放大器對給定信號和輸出反饋信號進行比較運算，控制開關(guān)信號的幅值、頻率、波形等，通過驅(qū)動器控制開關(guān)器件的占空比，以達到穩(wěn)定輸出電壓值的目的。除此之外，開關(guān)電源還有 輔助電路，包括啟動、過流過壓保護、輸入濾波、輸出采樣、功能指示等電路 [3]。 圖 開關(guān)電源的基本組成 開關(guān)電源系統(tǒng)一般包括兩大模塊，第一個模塊是功率主回路部分，完成能量的變換和傳輸，主回路使用的元件只有電子開關(guān)、電感和電容，但這三種元件的不同組合和連接形成不同類型的開關(guān)電源變換器。第二個模塊是控制回路，控制回路比較復(fù)雜，早期由分立器件組成，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，現(xiàn)在集成電路芯片逐步代替了分立器件，集成電路是電源產(chǎn)品體積小、可靠性高，給應(yīng)用帶來了極大方便。 開關(guān)電源的各種分類 開關(guān)電源 種類繁多，根據(jù)開關(guān)晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷是否與自身電流以及兩端所加電壓有關(guān)分為 “硬開關(guān) ”和 “軟開關(guān) ”和 “硬開關(guān) ”中功率開關(guān)管按外加控制脈沖而通斷，控制與本身流過的電流、二端所加的電壓無關(guān)。凡用控制方法使功率開關(guān)管在其兩端電壓為零時導(dǎo)通電流，或使流過功率開關(guān)管電流為零時關(guān)斷，此開關(guān)稱為 “軟開關(guān) ”。軟開關(guān)的開通、關(guān)斷損耗理想值為零。 按控制方式來分又可分為占空比調(diào)制方式 (主要有脈寬調(diào)制 PWM式、脈頻調(diào)制 PFM式和 PWM／ PFM 混合調(diào)制式 )、諧振式和它們的結(jié)合式。凡用脈寬調(diào)制方式控制電子開關(guān)的開關(guān)變換器，稱為 PWM 開 關(guān)變換器，它是以使用 “硬開關(guān) ”為主要特征的。 根據(jù) DCDC 轉(zhuǎn)換器從輸入到輸出之間是否有變壓器隔離，可以分成有隔離、無隔離兩類。若按控制信號的隔離方法，則可分為直流式、光電耦合式、變壓器式、磁放大器式等。有些線路通過電子器件完成電壓 頻率，或者頻率 電壓的轉(zhuǎn)換工作之后，用變壓器與控制信號隔離。若按激勵形式不同，可分為自激式和他激式兩種。自激式包括單管式變換器和推挽式變換器兩種。他激式包括調(diào)頻、調(diào)寬、調(diào)幅、諧振等幾種。目前應(yīng) 4 用較廣的是調(diào)寬型 (PWM)，它包括正激式、反激式、半橋式和全橋式。若按拓撲結(jié)構(gòu)來分常見 的多達十幾種，最常用的有以下六種拓撲： Buck、 Boost、 BuckBoost、 Cuk、 Sepic和 Zeta[11]。 開關(guān)電源典型結(jié)構(gòu) [4] 串聯(lián)開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 如圖 所示。開關(guān)元件即功率開關(guān)晶體管 VT 串聯(lián)在輸人與輸出之間。正常工作時，功率開關(guān)晶體管 VT 在開關(guān)脈沖信號的作用下周期性地在導(dǎo)通、截止之問交替轉(zhuǎn)換，使輸入與輸出之間周期性地閉合與斷開。輸入不穩(wěn)定的直流電壓通過功率開關(guān)晶體管VT 后輸出為周期性脈沖電壓，再經(jīng)脈沖整流濾波后，就可得到平滑 f 直流輸出電壓 U0 。 圖 串聯(lián) 開關(guān)電源原理圖 輸入交流電壓或負載電流的變化，會引起輸出直流電壓的變化，通過輸出取樣電路后將得到的取樣電壓與基準電壓相比較，其誤差電壓通過誤差放大器放大后控制脈沖調(diào)寬電路的脈沖占空比 D，達到穩(wěn)定直流輸出電壓 U0的目的。由于輸入電壓和輸出電壓共用地線，電源輸入與輸出不隔離，因此在目前的電子裝置和視聽設(shè)備的電源電路中已較少采用串聯(lián)開關(guān)電源，而更多的是采用并聯(lián)開關(guān)電源。 并聯(lián)開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 如圖 所示，其中功率開關(guān)管 VT 與輸入電壓、輸出負載并聯(lián)，輸出電壓為 DUU i ?? 1 10 式 （ 23） 如圖電路中有一個儲能電感，適當(dāng)利用這個儲能電感，可將輸出升壓型并聯(lián)開關(guān)電源轉(zhuǎn)變?yōu)閺V泛使用的變壓器耦合并聯(lián)開關(guān)電源。功率開關(guān)管 VT 與開關(guān)變壓器初級線圈相串聯(lián)接在電源供電輸入端，功率開關(guān)管 VT 在開關(guān)脈沖信號的控制下周期性地導(dǎo)通與截止，集電極輸出的脈沖電壓通過變壓器耦合在次級得到脈沖電壓，這個次級脈沖電壓經(jīng)整流濾波后得到直流輸出電壓 U0，同樣，經(jīng)過取樣電路后將得到的取樣電壓與基準 5 電壓 Ue 進行比較，