【正文】 .................... 32 Ⅱ 類(lèi)補(bǔ)償誤差放大器 .......................................................................................... 32 Ⅲ 型補(bǔ)償誤差放大器 .......................................................................................... 34 6. 閉環(huán)設(shè)計(jì)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(diǎn)和零點(diǎn) ............................................................. 42 零點(diǎn)、極點(diǎn)和頻率增益斜率變化 ..................................................................... 43 誤差放大器零點(diǎn)、極點(diǎn)的分析與計(jì)算 ................................................................... 43 Ⅱ 型誤差放大器零點(diǎn)和極點(diǎn)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(diǎn)和極點(diǎn)計(jì)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(xiàn) .................................................................................................................................. 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(kāi)關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信、工業(yè)自動(dòng)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(duì)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(duì)電源體積、可靠性等的要求各不相同，這就對(duì)開(kāi)關(guān)電源的管理電路提出了很高的要求。本論文主要針對(duì)目前常用于便攜式設(shè)備、分布式電源系統(tǒng)的 Buck 型 DCDC 開(kāi)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(duì)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(fù)載調(diào)整率及響應(yīng)速度方面來(lái)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(gè)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(duì)輸出端的反饋電壓與基準(zhǔn)電壓的差值進(jìn)行放大，并產(chǎn)生與電流比較器正向輸入端信號(hào)進(jìn)行比較的誤差放大信號(hào)，誤差放大器的核心結(jié)構(gòu)一般采用跨導(dǎo)運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)，它的差模直流小信號(hào) 增益、跨導(dǎo)、補(bǔ)償方式 等都將作為誤差放大器研究的重要方面。 開(kāi)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(zhǔn)電壓進(jìn)行差分運(yùn)算并放大生成誤差放大信號(hào)反饋給系統(tǒng)控制電路，所以誤差放大器對(duì)開(kāi)關(guān)變換電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性、負(fù)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(kāi)關(guān)變換器系統(tǒng)的性能，因而對(duì)開(kāi)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(kāi)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(fù)載調(diào)整率及響應(yīng)速度要求的角度出發(fā)來(lái)分析， 研究管理電路中誤差放大模塊對(duì)電源系統(tǒng)的影響。 本論 文主要研究?jī)?nèi)容 本 論文 主要工作是開(kāi)關(guān)電源控制 電路誤差放大 的 分析與研究，首先對(duì)開(kāi)關(guān)電源的基本原理進(jìn)行了介紹 ， 接著 在峰值電流模式下 對(duì)控制模塊 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器 進(jìn)行了小信號(hào)分析， 最后，在前幾章分析的基礎(chǔ)上，對(duì)閉環(huán)控制電路進(jìn)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(jì)中的應(yīng)用 。 2 2. 開(kāi)關(guān)電源 基礎(chǔ)及其類(lèi)型 開(kāi)關(guān)電源基礎(chǔ)理論 開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)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(kāi)關(guān)晶體 管的控制電路調(diào)節(jié)著能量傳輸過(guò)程，使輸出信號(hào)保持恒定。開(kāi)關(guān)電源內(nèi)部功率管工作在高頻開(kāi)關(guān)狀態(tài)，其等效電阻很小，當(dāng)流過(guò)大的電流時(shí)，消耗在功率管上的能量很小，所以電源效率可以達(dá)到 70％～ 90％ ，比普通線(xiàn)性穩(wěn)壓電源提高近一倍。 開(kāi)關(guān)電源基本工作原理 開(kāi)關(guān)電源的工作原理可以用圖 進(jìn)行說(shuō)明。圖中輸入的直流不穩(wěn)定電壓 Ui經(jīng)開(kāi)關(guān)S 加至輸出端， S 為受控開(kāi)關(guān)，是一個(gè)受開(kāi)關(guān)脈沖控制的開(kāi)關(guān)調(diào)整管，若使開(kāi)關(guān) S 按要求改變導(dǎo)通或斷開(kāi)時(shí)間，就能把輸入的直流電壓 Ui 變成矩形脈沖電壓。這個(gè)脈沖電壓經(jīng)濾波電路進(jìn)行平滑濾波后就可得到穩(wěn) 定的直流輸出電壓 U0[1] 。 圖 開(kāi)關(guān)電源的工作原理 為方便分析開(kāi)關(guān)電源電路，定義脈沖占空比如下： TTD ON? 式 （ 21） 開(kāi)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(kāi)關(guān)周期了 T 一定，改變開(kāi)關(guān) S 的導(dǎo)通時(shí)間 TON。即可改變脈沖占空比 D，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。 開(kāi)關(guān)電源的組成 開(kāi)關(guān)電源的基本組成如圖 所示。其中 DCDC 變換器用以進(jìn)行功率變換，它是開(kāi)關(guān)電源的核心部分；驅(qū)動(dòng)器是開(kāi)關(guān)信號(hào)的放大部分，對(duì)來(lái)自信號(hào)源的開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行放大和整形，以適應(yīng)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)要求；信號(hào)源產(chǎn)生控制信號(hào)，該信號(hào)由它激或自激電路 3 產(chǎn)生，可以是 PWM 信號(hào)、 PFM 信號(hào)或其他信號(hào)；比較放大器對(duì)給定信號(hào)和輸出反饋信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，控制開(kāi)關(guān)信號(hào)的幅值、頻率、波形等，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制開(kāi)關(guān)器件的占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓值的目的。除此之外，開(kāi)關(guān)電源還有 輔助電路，包括啟動(dòng)、過(guò)流過(guò)壓保護(hù)、輸入濾波、輸出采樣、功能指示等電路 [3]。 圖 開(kāi)關(guān)電源的基本組成 開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)一般包括兩大模塊，第一個(gè)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(kāi)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(lèi)型的開(kāi)關(guān)電源變換器。第二個(gè)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(lái)了極大方便。 開(kāi)關(guān)電源的各種分類(lèi) 開(kāi)關(guān)電源 種類(lèi)繁多，根據(jù)開(kāi)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(kāi)關(guān) ”和 “軟開(kāi)關(guān) ”和 “硬開(kāi)關(guān) ”中功率開(kāi)關(guān)管按外加控制脈沖而通斷，控制與本身流過(guò)的電流、二端所加的電壓無(wú)關(guān)。凡用控制方法使功率開(kāi)關(guān)管在其兩端電壓為零時(shí)導(dǎo)通電流，或使流過(guò)功率開(kāi)關(guān)管電流為零時(shí)關(guān)斷，此開(kāi)關(guān)稱(chēng)為 “軟開(kāi)關(guān) ”。軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)通、關(guān)斷損耗理想值為零。 按控制方式來(lái)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(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)變換器，稱(chēng)為 PWM 開(kāi) 關(guān)變換器，它是以使用 “硬開(kāi)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(wú)隔離兩類(lèi)。若按控制信號(hào)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(xiàn)路通過(guò)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(hào)隔離。若按激勵(lì)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?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)分常見(jiàn) 的多達(dá)十幾種，最常用的有以下六種拓?fù)洌?Buck、 Boost、 BuckBoost、 Cuk、 Sepic和 Zeta[11]。 開(kāi)關(guān)電源典型結(jié)構(gòu) [4] 串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu) 如圖 所示。開(kāi)關(guān)元件即功率開(kāi)關(guān)晶體管 VT 串聯(lián)在輸人與輸出之間。正常工作時(shí)，功率開(kāi)關(guān)晶體管 VT 在開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的作用下周期性地在導(dǎo)通、截止之問(wèn)交替轉(zhuǎn)換，使輸入與輸出之間周期性地閉合與斷開(kāi)。輸入不穩(wěn)定的直流電壓通過(guò)功率開(kāi)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(kāi)關(guān)電源原理圖 輸入交流電壓或負(fù)載電流的變化，會(huì)引起輸出直流電壓的變化，通過(guò)輸出取樣電路后將得到的取樣電壓與基準(zhǔn)電壓相比較，其誤差電壓通過(guò)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(dá)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(xiàn)，電源輸入與輸出不隔離，因此在目前的電子裝置和視聽(tīng)設(shè)備的電源電路中已較少采用串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源，而更多的是采用并聯(lián)開(kāi)關(guān)電源。 并聯(lián)開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu) 如圖 所示，其中功率開(kāi)關(guān)管 VT 與輸入電壓、輸出負(fù)載并聯(lián)，輸出電壓為 DUU i ?? 1 10 式 （ 23） 如圖電路中有一個(gè)儲(chǔ)能電感，適當(dāng)利用這個(gè)儲(chǔ)能電感，可將輸出升壓型并聯(lián)開(kāi)關(guān)電源轉(zhuǎn)變?yōu)閺V泛使用的變壓器耦合并聯(lián)開(kāi)關(guān)電源。功率開(kāi)關(guān)管 VT 與開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線(xiàn)圈相串聯(lián)接在電源供電輸入端，功率開(kāi)關(guān)管 VT 在開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)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(guò)變壓器耦合在次級(jí)得到脈沖電壓，這個(gè)次級(jí)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(guò)取樣電路后將得到的取樣電壓與基準(zhǔn) 5 電壓 Ue 進(jìn)行比較，