【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(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。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。 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 。 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。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。 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。軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)通、關(guān)斷損耗理想值為零。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。他激式包括調(diào)頻、調(diào)寬、調(diào)幅、諧振等幾種。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。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。 圖 并聯(lián)開(kāi)關(guān)電源原理圖 正激開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu) 正激開(kāi)關(guān)電源是一種采用變壓器耦合的降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，其電路如圖 所示。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管 VT 導(dǎo)通時(shí)，輸入側(cè)的電能以磁能的形式存儲(chǔ)在變壓 6 器的初級(jí)線(xiàn)圈 N1 中，由于同名端關(guān)系，次級(jí)側(cè)二極管 V1 不導(dǎo)通，負(fù)載沒(méi)有電流流過(guò)。兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管 VT1 和 VT2 在開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的作用下，交替地導(dǎo)通與截止。變壓器初級(jí)側(cè)的脈沖電壓峰值為 Ui/2。由 4 個(gè)功率開(kāi)關(guān)管 VT VT VT VT4 組成一個(gè)電橋形式 的電路，其中，由 VT1 與 VT VT2 與 VT3 分別組成兩個(gè)導(dǎo)通回路。全橋開(kāi)關(guān)電源常用在輸出功率較大的場(chǎng)合。 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)的輸入輸出電壓大小和極性關(guān)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(gè)機(jī)械飛輪和單活塞發(fā)動(dòng) 機(jī)。 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(dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，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(xiàn)性上升。在這階段流過(guò)電感上的電流用下式描述： oof foutpkof fL L tVIi ??)( 式 （ 27） 在這個(gè)階段，電流波形是一條斜率為負(fù)的斜線(xiàn)，斜率為 Vout/L0 。在典型應(yīng)用中，電感電流的最大值為負(fù)載電流的 150％，最小值為負(fù)載電流的 50％。使用變壓器的好處是：實(shí)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(huì)受輸入電壓高低的限制。在這種情況下，開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流環(huán)路僅包括電感、開(kāi)關(guān)管和輸入電壓源。這時(shí)，電感與開(kāi)關(guān)相連 端的電壓被輸出電壓鉗位，這個(gè)電壓被稱(chēng)作反激電壓，其幅值是輸出電壓加上二極管的正向?qū)▔航?。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(wèn)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(kāi)關(guān)頻率。在所有拓?fù)渲?，這類(lèi)變換器所用的元件較少，因而在中小功率的應(yīng)用場(chǎng)合中很多。所以用理想的無(wú)損耗開(kāi)關(guān)器件，并利用電感、電容組成的低通濾波網(wǎng)絡(luò)消除不需要的開(kāi)關(guān)頻率諧波，便可以得到穩(wěn)定的直流輸 出電壓。因?yàn)檩敵鲭妷菏情_(kāi)關(guān)占空比的函數(shù)，所以要求控制系統(tǒng)能調(diào)節(jié)占空比，使得輸出電壓始終能夠穩(wěn)定在一個(gè)給定的電壓。 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器及其控制方式 在上節(jié)中已知 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器是種降壓型的直流開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器，它有三種調(diào)制方式，它們分別是脈寬調(diào)制方式 (PWM)，頻率調(diào)制方式 (PFM)以及脈寬調(diào)制和頻率調(diào)制混合調(diào)制方式 (PMFM)。這些調(diào)制方式與兩種基本反饋方式的組合便構(gòu)成了 DCDC 轉(zhuǎn)換器的不同控制方式?？刂齐娐酚煞答伨W(wǎng)絡(luò)、誤差放大器和占空比調(diào)制器構(gòu)成。以上分析是基于 Buck型 DCDC 轉(zhuǎn)換器工作于連續(xù)導(dǎo)電工作模式 (CCM)下，還有一種工作模式是不連續(xù)導(dǎo)電模式 (DCM)，本文將在后續(xù)小節(jié)對(duì)這兩種工作模式做詳細(xì)介紹。它的穩(wěn)壓原理是當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，控制器輸出信號(hào)的脈沖寬度不變，而是使周期變長(zhǎng)，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(kāi)關(guān)頻率一般都為一個(gè)恒定值，它的控制取樣信號(hào)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(kāi)關(guān)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(gè)延時(shí)滯后就是導(dǎo)致暫時(shí)響應(yīng)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(diào) 整率和負(fù)載調(diào)整率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性也得到明顯的改善，這就使電流型 PWM 技術(shù)得到了飛速的發(fā)展 [2]。 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器 工作模式 根據(jù)電感電流是否連續(xù)， Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器有兩種工作模式。由于在這兩種模式下開(kāi)關(guān)電源的頻率相位變化十分顯著，所以希望在所有預(yù)期的工作條件下，開(kāi)關(guān)電源都只處于一種工作模式。一方面誤差放大器用來(lái)將輸出采樣電壓和參考電壓比較，并產(chǎn)生誤差放大信號(hào)，以用該誤差來(lái)校正控制脈沖占空比，從而穩(wěn) 定輸出電壓；另一方面轉(zhuǎn)換器的負(fù)載調(diào)整率主要由環(huán)路直流增益決定 ，直流增益越高，負(fù)載調(diào)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(zhuǎn)換器控制環(huán)路 由圖 可見(jiàn)，在 PWM 峰值電流控制模式下，整個(gè)控制系 統(tǒng)有兩個(gè)反饋環(huán)路，電流反饋內(nèi)環(huán)和電壓反饋外環(huán)。 電壓反饋外環(huán)對(duì)輸出電壓的調(diào)整實(shí)質(zhì)是：當(dāng)負(fù)載改變引起輸出電壓改變 (假設(shè)輸出電壓減小 )，則由電阻分壓網(wǎng) 絡(luò)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(jīng)過(guò) PWM 電流采樣電壓與 VERROUT 交點(diǎn)后移，導(dǎo)致占空比增加，從而調(diào)整輸出電壓增大而穩(wěn)定到原值。控制理論是分析時(shí)變系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，經(jīng)典的控制論指出一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)在系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益為 1 的頻率 (通常稱(chēng)為交越頻率 )處如果系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)的總相移達(dá)到 360176。時(shí)系統(tǒng)開(kāi)環(huán)增益降到 1以下的量 (單位分貝 dB)為了使系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩而且有好的響應(yīng)速度，相位裕量在 45176。在分析系統(tǒng)時(shí)，其動(dòng)態(tài)特性的解析解的分析方法較復(fù)雜，人們建立了許多小信號(hào)模型來(lái)分析峰值電流控制開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的特性，其中比較典型的是 Raymond 提出的連續(xù)時(shí)間模型 [3]。度。 型 轉(zhuǎn)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(zhuǎn)換器的連續(xù)時(shí)間定頻調(diào)脈寬小信號(hào)控制環(huán)路模型，并將電壓反饋環(huán)路補(bǔ)全得到圖 所示 Buck 型 DCDC 控制環(huán)路的小信號(hào)模型如圖 所示。 圖 Buck 型 DCDC 控制環(huán)路小信號(hào)模型 22 下面主要分析整個(gè)電壓控制環(huán)路的零極點(diǎn)分布和傳輸函數(shù)。 ?Dmc? SWn T?? ??1 nec SSm ??1 由此可見(jiàn) FP(s)在系統(tǒng)中引入了一個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)，極點(diǎn)來(lái)源于輸出濾波 電容和負(fù)載電阻，零點(diǎn)來(lái)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(kāi)環(huán)增益波特圖示意圖 [3]。 綜上，系統(tǒng)環(huán)路零極點(diǎn)分布總結(jié)如下 [3]： 系統(tǒng)主極點(diǎn) fpc1 (由補(bǔ)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(diǎn) fps1 (由輸出濾波電容和負(fù)載電阻引入 )，由式 (45)給出。 輸入波動(dòng)可以通過(guò)兩條路徑傳遞到輸出：一條路徑是通過(guò)功率級(jí)的小信號(hào)模型，另 25 一條路徑是通過(guò)前饋?lái)?xiàng) K＇ f進(jìn)入系統(tǒng)影響控制開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通與截止的脈沖占空比從而引起輸出波動(dòng)