【正文】 ........................ 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 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的迅猛發(fā)展，開關電源在計算機、通信、工業(yè)自動化、電子和電工儀器等領域的應用更加廣泛。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構一般采用跨導運算放大器結構，它的差模直流小信號 增益、跨導、補償方式 等都將作為誤差放大器研究的重要方面。 本論 文主要研究內容 本 論文 主要工作是開關電源控制 電路誤差放大 的 分析與研究，首先對開關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 轉換器 進行了小信號分析， 最后，在前幾章分析的基礎上，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)設計中的應用 。 開關電源基本工作原理 開關電源的工作原理可以用圖 進行說明。即可改變脈沖占空比 D，從而達到調節(jié)輸出電壓的目的。 圖 開關電源的基本組成 開關電源系統(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、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電源變換器。軟開關的開通、關斷損耗理想值為零。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。他激式包括調頻、調寬、調幅、諧振等幾種。開關元件即功率開關晶體管 VT 串聯(lián)在輸人與輸出之間。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備的電源電路中已較少采用串聯(lián)開關電源，而更多的是采用并聯(lián)開關電源。 圖 并聯(lián)開關電源原理圖 正激開關電源結構 正激開關電源是一種采用變壓器耦合的降壓型開關穩(wěn)壓電源，其電路如圖 所示。當功率開關管 VT 導通時，輸入側的電能以磁能的形式存儲在變壓 6 器的初級線圈 N1 中，由于同名端關系，次級側二極管 V1 不導通，負載沒有電流流過。兩個功率開關管 VT1 和 VT2 在開關脈沖信號的作用下，交替地導通與截止。變壓器初級側的脈沖電壓峰值為 Ui/2。由 4 個功率開關管 VT VT VT VT4 組成一個電橋形式 的電路，其中，由 VT1 與 VT VT2 與 VT3 分別組成兩個導通回路。全橋開關電源常用在輸出功率較大的場合。 Buck 型 DCDC 轉換器通常由主電路和控制電路兩大部分組成，其電路框圖如圖 所示。 每種結構的輸入輸出電壓大小和極性關系如下： (1) Buck 型 ——降壓斬波器，如圖 (a)所示。 (3) Buck——Boost 型 ——降壓或升壓斬波器，如圖 (c)所示。 9 電路的工作可以看作一個機械飛輪和單活塞發(fā)動 機。 LC 濾波器的作用可用下式表示 [1]： Vout = inV D 式 （ 24） 式中： D——占空比。當開關導通時，輸出電壓加到 LC濾波器的輸入端，電感上的電流以固定斜率線性上升。在這階段流過電感上的電流用下式描述： oof foutpkof fL L tVIi ??)( 式 （ 27） 在這個階段，電流波形是一條斜率為負的斜線，斜率為 Vout/L0 。在典型應用中，電感電流的最大值為負載電流的 150％，最小值為負載電流的 50％。使用變壓器的好處是：實現(xiàn)輸入與輸出間的電隔離，可以增加輸出電壓的組數(shù)，并且使輸出電壓不會受輸入電壓高低的限制。在這種情況下，開關管導通時，電流環(huán)路僅包括電感、開關管和輸入電壓源。這時，電感與開關相連 端的電壓被輸出電壓鉗位，這個電壓被稱作反激電壓，其幅值是輸出電壓加上二極管的正向導通壓降。由于升壓式變換器工作在電流連續(xù)模式下存在固有的不穩(wěn)定問題，所以升壓式變換器通 常工作在電流斷續(xù)模式下。 221pkopoutl oa d LIfPP ??? 式 （ 212） 式中： fop 變換器的開關頻率。在所有拓撲中，這類變換器所用的元件較少，因而在中小功率的應用場合中很多。所以用理想的無損耗開關器件，并利用電感、電容組成的低通濾波網絡消除不需要的開關頻率諧波，便可以得到穩(wěn)定的直流輸 出電壓。因為輸出電壓是開關占空比的函數(shù)，所以要求控制系統(tǒng)能調節(jié)占空比，使得輸出電壓始終能夠穩(wěn)定在一個給定的電壓。 Buck 型 DCDC 轉換器及其控制方式 在上節(jié)中已知 Buck 型 DCDC 轉換器是種降壓型的直流開關轉換器，它有三種調制方式，它們分別是脈寬調制方式 (PWM)，頻率調制方式 (PFM)以及脈寬調制和頻率調制混合調制方式 (PMFM)。這些調制方式與兩種基本反饋方式的組合便構成了 DCDC 轉換器的不同控制方式?？刂齐娐酚煞答伨W絡、誤差放大器和占空比調制器構成。以上分析是基于 Buck型 DCDC 轉換器工作于連續(xù)導電工作模式 (CCM)下，還有一種工作模式是不連續(xù)導電模式 (DCM)，本文將在后續(xù)小節(jié)對這兩種工作模式做詳細介紹。它的穩(wěn)壓原理是當輸入電壓升高時，控制器輸出信號的脈沖寬度不變，而是使周期變長，占空比就將隨之變小， 用這種方式使輸出電壓降低 [3]。 PWM 的開關頻率一般都為一個恒定值，它的控制取樣信號包括輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、輸出電感上的電壓以及開關器件的峰值電流 [9]。 (1) 電壓模式 圖 (a)為 Buck 變換器的電壓模式控制 PWM 反饋系統(tǒng)原理圖。這兩個延時滯后就是導致暫時響應慢的主要原因 [2]。相比電壓型 PWM，電流型 PWM 具有更好的電壓調 整率和負載調整率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性也得到明顯的改善，這就使電流型 PWM 技術得到了飛速的發(fā)展 [2]。 型 DCDC 轉換器 工作模式 根據(jù)電感電流是否連續(xù)， Buck 型 DCDC 轉換器有兩種工作模式。由于在這兩種模式下開關電源的頻率相位變化十分顯著，所以希望在所有預期的工作條件下，開關電源都只處于一種工作模式。一方面誤差放大器用來將輸出采樣電壓和參考電壓比較，并產生誤差放大信號，以用該誤差來校正控制脈沖占空比，從而穩(wěn) 定輸出電壓；另一方面轉換器的負載調整率主要由環(huán)路直流增益決定 ，直流增益越高，負載調整率越好，而誤差放大器提供大部分環(huán)路增益。 圖 峰值模式 Buck 型 DCDC 轉換器控制環(huán)路 由圖 可見，在 PWM 峰值電流控制模式下，整個控制系 統(tǒng)有兩個反饋環(huán)路，電流反饋內環(huán)和電壓反饋外環(huán)。 電壓反饋外環(huán)對輸出電壓的調整實質是：當負載改變引起輸出電壓改變 (假設輸出電壓減小 )，則由電阻分壓網 絡采得的電壓 VFB減小，誤差放大器 EA 的輸出電壓 VERROUT增大，控制電感峰值電流增大，經過 PWM 電流采樣電壓與 VERROUT 交點后移，導致占空比增加，從而調整輸出電壓增大而穩(wěn)定到原值?？刂评碚撌欠治鰰r變系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎，經典的控制論指出一個閉環(huán)反饋系統(tǒng)在系統(tǒng)開環(huán)增益為 1 的頻率 (通常稱為交越頻率 )處如果系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)的總相移達到 360176。時系統(tǒng)開環(huán)增益降到 1以下的量 (單位分貝 dB)為了使系統(tǒng)不產生振蕩而且有好的響應速度，相位裕量在 45176。在分析系統(tǒng)時，其動態(tài)特性的解析解的分析方法較復雜，人們建立了許多小信號模型來分析峰值電流控制開關電源系統(tǒng)的特性，其中比較典型的是 Raymond 提出的連續(xù)時間模型 [3]。度。 型 轉換器電壓環(huán)路控制模型 基于 Ridely 提出的電流反饋控制 DCDC 轉換器的連續(xù)時間定頻調脈寬小信號控制環(huán)路模型，并將電壓反饋環(huán)路補全得到圖 所示 Buck 型 DCDC 控制環(huán)路的小信號模型如圖 所示。 圖 Buck 型 DCDC 控制環(huán)路小信號模型 22 下面主要分析整個電壓控制環(huán)路的零極點分布和傳輸函數(shù)。 ?Dmc? SWn T?? ??1 nec SSm ??1 由此可見 FP(s)在系統(tǒng)中引入了一個極點和一個零點，極點來源于輸出濾波 電容和負載電阻，零點來源于輸出濾波電容的 ESR，分別如下： 039。 24 圖 所示是系統(tǒng)環(huán)路開環(huán)增益波特圖示意圖 [3]。 綜上，系統(tǒng)環(huán)路零極點分布總結如下 [3]： 系統(tǒng)主極點 fpc1 (由補償獲取 )： 1pcf =)(0121EAc rC ??? ( 21 SWZs ff ?) =1)(0211)(0212)(01)(0211)(01)(0211 2 4)()(2 1cEAcccEACcEAcEAcccEAcEAccc RrcC RrCCrCrCRCrCrCRC ???????? （ 21 SWZs ff ?） 式 （ 412） 系統(tǒng)次極點 fps1 (由輸出濾波電容和負載電阻引入 )，由式 (45)給出。 輸入波動可以通過兩條路徑傳遞到輸出：一條路徑是通過功率級的小信號模型，另 25 一條路徑是通過前饋項 K＇ f進入系統(tǒng)影響控制開關管導通與截止的脈沖占空比從而引起輸出波動