【正文】 world, ranging from domestic equipments to sophisticated munication and data handling systems, especially in portable devices, they have unsurpassable advantages. The rapid development of products in corresponding application areas requires the power supplies to have better performances. The robustness of switch—mode power supplies directly affect the performance of electronic devices. As one of the most important parts of switched mode DC to DC converters, error amplifier has significant influences on the voltage control loop’s stability. Thus this paper focuses on the design of high performance error amplifier for DCDC converters based on system requirements analysis. A buck DCDC converter was concerned, an error amplifier for the buck converter was designed from the points of view of system stability, load regulation and response speed requirements. At the first place, the Buck DCDC converter’s voltage control loop stability and polezero analysis was done based on a small signal model of the voltage control loop, the pensation scheme was proposed. At last, according to the system level to analysis the error amplifier. Key words： Switching power。 開關(guān)電源的穩(wěn)定性直接影響著電子產(chǎn)品的 工作性能 ,誤差放大器是直流開關(guān)電源系統(tǒng)中電壓控制環(huán)路的核心部分，其性能優(yōu)劣直接影響著整個直流開關(guān)電源系統(tǒng)的穩(wěn) 定性，因而 對 高性能誤差放大器 的分析 是本論文的主要研究目標(biāo)。本文誤差放大器的 分析基于 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器，從系統(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)，首先對該款 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)電壓控制環(huán)路進(jìn)行小信號 分析 ,并對 控制環(huán)路進(jìn)行了 零極 點(diǎn)分布 分析 ，確定環(huán)路補(bǔ)償 策略 。 Buck DCDC Converter。 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)。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(fù)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。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(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％ ，比普通線性穩(wěn)壓電源提高近一倍。 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(shí)間 TON。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(hù)、輸入濾波、輸出采樣、功能指示等電路 [3]。凡用控制方法使功率開關(guān)管在其兩端電壓為零時(shí)導(dǎo)通電流，或使流過功率開關(guān)管電流為零時(shí)關(guān)斷，此開關(guān)稱為 “軟開關(guān) ”。 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。自激式包括單管式變換器和推挽式變換器兩種。 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。 圖 串聯(lián) 開關(guān)電源原理圖 輸入交流電壓或負(fù)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(zhǔn)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(dá)到穩(wěn)定直流輸出電壓 U0的目的。由于采用變壓器耦合，因此變壓器的初、次級可以相互隔離，從而使初級側(cè)電路地與次級側(cè)電路地分開，做到次級側(cè)電路地不帶電，使用安全。 反激開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 如圖 所示。 半橋開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 如圖 所示。所以 ,初級側(cè)電源通過功率開關(guān)管 VT V2 交替給變壓器初級線圈 N1 勵磁并為負(fù)載供電。 全橋開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 如圖 所示。 圖 全橋開關(guān)電源電路及波形 與 半橋開關(guān)電源相比，由于加在全橋變壓器初級線圈上的電壓、電流比半橋開關(guān)電源的各大一倍，因此在同樣的電源供電電壓 Ui 下，全橋開關(guān)電源的輸出功率是半橋開關(guān)電源的 4 倍。 本論文主要 研究的是 Buck 型 DCDC 變換器，因?yàn)樵擃愞D(zhuǎn)換器在便攜式電子產(chǎn)品中 8 比較常見。 圖 開關(guān)型 DCDC 轉(zhuǎn)換器框圖 開關(guān)型 DCDC 轉(zhuǎn)換器主電路最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有 Buck 型、 Boost 型和 BuckBoost型三種，各自的電路架構(gòu)如下圖所示，其他的結(jié)構(gòu)都是從這三種構(gòu)架中衍變出來的。其輸出平均電壓 Vo 大于輸入電壓Vt，極性相同。圖 是一種簡單正激式變換器電路，即所謂的Buck 變換器。 LC 濾波器平均了占空比調(diào)制的脈沖電壓。 我們可以把 Buck 電路的工作過程分成兩個階段。續(xù)流電流包括：二極管、電感、負(fù)載。 直流輸出的負(fù)載電流在最大值和最小值之間波動。這些拓?fù)浣M成了一類變換器，稱為變壓器隔離正激式變換器。新的布置使變換器的工作過程和正激式變換器 （ Buck） 完全不同。開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于電感中的電流不 11 能突變，于是二極管立刻正向?qū)?。如果鐵心中的磁通沒有完全變?yōu)榱悖€有一部分剩磁，就稱電路工作在電流連續(xù)模式，見圖 。 221pkopoutl oa d LIfPP ??? 式 （ 211） 式中： fop變換器的開關(guān)頻率。 圖 Boost 變換器電流連續(xù)模式的波形圖 由于升壓式變換器中峰值電流較高， 因此只適合于功率不大于 150W 的應(yīng)用場合。 假設(shè)開關(guān)是理想的，那么當(dāng)開關(guān)閉合則其上的電壓降為零，因此功耗為零，當(dāng)開關(guān)斷開則電流為零，功耗也為零。 圖 DCDC 控制系統(tǒng)示意圖 前面已經(jīng)指出直流開關(guān)變換器中開關(guān)器件的導(dǎo)通與截止是通過一個反饋控制系統(tǒng)控制的。 本 文重點(diǎn)為以 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)來分析研究誤差放大器，因此以后的討論主要基于 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器，接下來的兩節(jié)將 重 點(diǎn)分析 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器的工作原理、控制方式、工作模式及其 誤差放大電路。DCDC 變換器一般采用兩種基本的負(fù)反饋方式：電流負(fù)反饋和電壓負(fù)反饋。加到負(fù)載尺 D 上的時(shí)間比例，可調(diào)節(jié)輸出電壓 V0； L 是儲能電感 ，用以平滑電流， D1是續(xù)流二極管，在開關(guān)管 S1 截止時(shí)為電感電流提供一個續(xù)流通路，一方面避免電感感應(yīng)出高壓而損壞晶體管，另一方面提供電感能量釋放到負(fù)載的通路； C0是濾波電容。如果輸出電壓偏高，誤差放大器會輸出一個比較低的電平，從而調(diào)制器會輸 出一個占空比低的脈沖，反之如果輸出電壓偏低，控制電路會產(chǎn)生占空比高的脈沖使得輸出電壓升高，如此采樣電壓會穩(wěn)定在Vref的值上，從而輸出電壓會穩(wěn)定在 Vref (RFB1+RFB2)/RFB2)的值上。 PFM 的定義是將脈沖寬度固定，通過調(diào)節(jié)工作頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓。 本文將對應(yīng)用范圍最廣泛的 PWM 方式，進(jìn)行詳細(xì)的分析。 PWM 調(diào) 制方式根據(jù)反饋采樣方式的不同可分為：電壓模式和電流模式，下面將對兩種模式進(jìn)行對比分析。當(dāng)輸入電壓或負(fù)載阻抗突然變小時(shí)，因?yàn)橹麟娐分械妮敵鲭娙?C 及電感 L 的值都較大，會產(chǎn)生相移延時(shí)作用，輸出電壓的變小也會延時(shí)滯后，這 樣輸出電壓變小的消息還要經(jīng)過電壓誤差放大器的補(bǔ)償電路延時(shí)滯后，才能傳至 PWM 比較，最后再將脈沖寬度擴(kuò)展。 (2) 電流模式 電流型 PWM 控制器增加了一個電感電流反饋?zhàn)鳛?PWM 的斜坡函數(shù)，就不需要三角波發(fā)生器，而且還引入了電感電流反饋使系統(tǒng)的性能具有了明顯的優(yōu)越性。上 18 述的缺點(diǎn)可以通過使用斜坡補(bǔ)償?shù)姆椒▉砀纳?[4]。如果在 S 截止期間，電感中的電流降到零而 S 還未開始下次導(dǎo)通，則在截止期間的剩余時(shí)間內(nèi)電感中存儲的能量將為零，轉(zhuǎn)換器工作于非連續(xù)導(dǎo)通模式否則轉(zhuǎn)換器工作于連續(xù)導(dǎo)通模式。 由上章可知，在 開關(guān)電源采 用 的 控制方式中，誤差放大器是電壓反饋控制環(huán)路的核心部分，在控制環(huán)路中有著非常重要的作用，對環(huán)路的頻率響應(yīng)有很大的影響，對直流開關(guān)變換器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，負(fù)載調(diào)整率和響應(yīng)速度有著決定性作用。 19 4. 開關(guān)電源管理電路系統(tǒng)分析 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器 本 章主要基于 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器，在電流峰值 PWM 控制模式 下， 從系統(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)，結(jié)合 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器的工作原理，進(jìn)而對誤差放大電路進(jìn)行分析 與 研究。由此可見，對電流反饋內(nèi)環(huán)而言， VERROUT 可以看作 是一個給定的控制信號，反應(yīng)了 負(fù) 載變化時(shí)要保持輸出電壓穩(wěn)定所需提供的電感峰值電流基準(zhǔn)值，檢測到的反電感峰值電流的信號 VSENOUT與這個基準(zhǔn)值 VERROUT之間的誤差經(jīng) PWM比較和一系列邏輯處理電路產(chǎn)生控 20 制開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間的占空比被調(diào)節(jié)的脈沖信號，從而控制輸出電壓穩(wěn)定 [5]。 開關(guān)電源控制環(huán)路 的 分 析 研究 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性分析 本質(zhì)上講，開關(guān)電源系統(tǒng)是一個非線性時(shí)變系統(tǒng)。之差； 增益裕量指的是環(huán)路總相移為 360176。 要使 輸入電壓變化和負(fù)載條件變化的情況下為負(fù)載提供一個穩(wěn)定的輸出電壓，而反饋控制環(huán)路中的任何環(huán)節(jié)都可能存在噪聲和干擾，要使系統(tǒng)在任何條件下都穩(wěn)定工作，一般要用反饋補(bǔ)償改善系統(tǒng)頻率響應(yīng)。 21 為輸出電壓經(jīng)由電阻 分壓網(wǎng)絡(luò)、誤差放大器 EA 和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)到 VERROUT 的傳遞函數(shù)，這段傳遞函數(shù)應(yīng)該對前者進(jìn)行補(bǔ)償，原則為在截止頻率前最好補(bǔ)償為單極點(diǎn)系統(tǒng)，在截止頻率處，環(huán)路增益的相位裕度大于 45176?？刂频捷敵隹鐚?dǎo)級是組成環(huán)路增益的一部分，另外峰值電流控制還存在大信號不穩(wěn)定的問題，需要斜坡補(bǔ)償，所以電流環(huán)路決定著電壓外環(huán) ,因而我們在電流環(huán)分析的基礎(chǔ)上，來分析研究電壓環(huán)路。 r 是在開關(guān)管關(guān)斷階段輸入和輸出電壓變化對占空比影響的前饋系數(shù)。000 ??? DmLCTRC cSWp? , Q= )( 139。具體補(bǔ)償策略根據(jù)由 ESR 引入的零點(diǎn)位置不同分為兩種。另一種補(bǔ)償方案是針對當(dāng)輸出濾波電容的 ESR 比較大時(shí)，以致 fzs1 fsw/2，這樣會造成較大的相位裕度，影響環(huán)路響應(yīng)速度，故需要在 PI 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中添加 Cc2以引入極點(diǎn) fpc2去補(bǔ)償?shù)?fzs1，其余零極點(diǎn)分布策略與低 ESR 時(shí)相同：將 fpc1設(shè)置為主極點(diǎn)，利用fzs1去補(bǔ)償 fps1，使環(huán)路基本呈現(xiàn)單極點(diǎn)特性 ，并保證 fPFH1 fc，如圖 (b)所示。系統(tǒng)補(bǔ)償零點(diǎn) fzc1 (由補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)引入 )： 1c11 21CRfCzc ?? 式 （ 414） 另外 Ridely 指出對于 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器在電流反饋控制下有一個比較特殊的特性就是音頻衰減率，反應(yīng)了未將電壓 環(huán)閉合情況下輸入到輸出的小信號傳遞特性。系統(tǒng)的小信號等效輸出阻抗為： )()(1)(00 sFDmLTRRsZPCSWo u t ????? 式 （ 416） 基于以上電壓環(huán)路控制策 略，可以得到如圖 所示的簡化 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器頻域模型： 圖 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器頻域模型 。而前饋項(xiàng) K＇ f是負(fù)的，那么就有可能使輸入波動通 過兩條路徑引起的輸出波動相互抵消。 若系統(tǒng)需采用第二種補(bǔ)償方案，即需要在