【正文】 ..................................................................... 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，開關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、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。 I 摘 要 開關(guān)電源因其具有穩(wěn)壓輸入范圍寬、效率高、功耗低、體積小、重量輕等顯著特點(diǎn)而得到了越來越廣泛的應(yīng)用，從家用電器設(shè)備到通信設(shè)施、數(shù)據(jù)處理設(shè)備、交通設(shè)施、儀器儀表以及工業(yè)設(shè)備等都有較多應(yīng)用，尤其是作為便攜式產(chǎn)品的電池提供高性能電源輸出，比其他結(jié)構(gòu)具有不可超越的優(yōu)勢。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。 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(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。 開關(guān)電源的組成 開關(guān)電源的基本組成如圖 所示。 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。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。 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(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)儲能電感，適當(dāng)利用這個(gè)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。當(dāng)功率開關(guān)晶體管 VT 斷開時(shí)，變壓器次級繞組以輸出電壓 U0為負(fù)載供電，并對變壓器進(jìn)行消磁。 圖 半橋開關(guān)電源電路及波形 半橋開關(guān)電源的最大優(yōu)點(diǎn)是自平衡能力強(qiáng)，不易使變壓器由于 VT VT2 的導(dǎo)通時(shí) 7 問不一致而產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象，使功率開關(guān)管 VT VT2 損壞。 DCDC 變換器 可以將 DCDC 管理電源芯片分成三類：開關(guān)電源、線性集成穩(wěn)壓器、電荷泵，在此我們只討論開關(guān)電源類。其輸出平均電壓 Vo 小于輸入電壓Vt，極性相同。電路的 LC 濾波器就是飛輪，存儲從驅(qū)動器輸出的脈沖功率。電感上的電流用下面的公式描述： )(onLi =ooutinLVV ? ton + minI 式 （ 25） 在這 個(gè)階段，存儲在電感上的能量為： )(21 2m in2 IILE pkostor e d ?? 式 （ 26） 輸入的能量就存儲在電感鐵心材料的磁通中。 Buck 型變換器 的優(yōu)點(diǎn)是：輸出電壓的紋波峰峰值比升壓式變換器低，同時(shí)可以輸出比較高的功率，正激式變換器可以提供 數(shù)千瓦的功率 [3]。在這段時(shí)間中，二極管是反向阻斷的。 Boost 變換器工作在電流斷續(xù)模式下，存儲在電感中的能量為： 221pkstored LIE ? 式 （ 210） 單位時(shí)間內(nèi)，傳輸?shù)哪芰繛椋ń?/秒或瓦）必須滿足負(fù)載連續(xù)功率消耗的需求。 12 3. Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器及其控制方式分析 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器的主要特點(diǎn)是功率管工作在開關(guān)狀態(tài)，一個(gè)周期內(nèi)，電子開關(guān)接通時(shí)間 ton 所占整個(gè)周期 Ts 的比例，稱接通占空比 D， D=ton/TS；斷開時(shí)間 toff所占的比例，稱斷開占空比 D＇ , D＇ = toff/Ts， 很明顯，接通占空比越大，負(fù)載上電壓越高； 1/TS=fs稱開關(guān)頻率， fs 越高，負(fù) 載上電壓也越高。 圖 所示是一個(gè)直流開關(guān)變換器控制系統(tǒng)示意圖，其工作原理如下： 圖中的單箭頭開關(guān)由占空比調(diào)制器控制產(chǎn)生一個(gè)方波，這個(gè)方波的平均電壓等于所期望的直流輸出電壓，低通濾波器用來濾掉開關(guān)頻率諧波，使得輸出為所需的直流電壓，輸出電壓 V0 與基準(zhǔn)電壓 Vref 通過誤差放大器相比較并將誤差信號放大，產(chǎn)生控制調(diào)制 13 器的信號，從而調(diào)節(jié)方波的占空比，這樣整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)負(fù)反饋回路，使得輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值。下面分別對Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器的工作原理和調(diào)制方式、反饋方式做簡單介紹，并重點(diǎn)闡述 PWM電壓反饋控制方式和 PWM 電流反饋控制方式的工作原理。 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器的控制方式 Buck 型 DCDC 變換器的控制方式主要有： (1)脈沖頻率調(diào)制 (PFM)， (2)脈沖寬度調(diào)siL DTL VVLI 01 ???0VtiLV LL ?????SL TDLVI )1(02 ??? 15 制 (PWM)， (3) 混合式調(diào)制。這些控制取樣信號可以用來構(gòu)成單環(huán)、雙環(huán)、多環(huán)反饋系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流及恒定功率的目的。 振 蕩電 路驅(qū) 動觸 發(fā) 器Q RSsUeU非 門ont gU與 門daadteUsdaadtont或 非 門振 蕩電 路驅(qū) 動觸 發(fā) 器Q RSsUeU非 門ont gU非 門daadt時(shí) 鐘 信 號iUiCcC FTRFTCcR 1VTdaadtont eUs 圖 (a) Buck 降壓斬波器的電壓模式控制 (b)電壓前饋模式控制 電壓控制模式的優(yōu)點(diǎn)是：單環(huán)反饋的設(shè)計(jì)與分析較易實(shí)現(xiàn)；鋸齒波振幅較大，可提供較好的噪聲余裕給穩(wěn)定的調(diào)制過程；同時(shí)它還能夠低阻抗輸出，對于多輸出電源具有較好的交互 調(diào)節(jié)特性 [10]。一種是連續(xù)導(dǎo)電模式 (CCM)， DCDC 在重載下通常工作于這種模式；另一種是不連續(xù)導(dǎo)電模式 (DCM)，DCDC 變換器在輕載下工作于這種模式。 通常對整個(gè)控制環(huán)路的補(bǔ)償就是通過適當(dāng)選擇誤差放大器的補(bǔ)償策略以調(diào)整誤差放大器的頻率響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的，目的是對整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行校正，提供足夠的相位裕量和適當(dāng)?shù)膸?，使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作，并具有良好的動態(tài)響應(yīng)。 PWM 峰值電流控制方式是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，最主要的是：電流內(nèi)環(huán)加快了對輸入電壓變化的響應(yīng)，抗干擾性增強(qiáng)?！?75176。在截止頻率之后，增益迅速下降以抑制噪聲的影響 [4]。在前面已經(jīng)指出整個(gè)電壓反饋外環(huán)的傳輸函數(shù)可以分為 兩段 [2]： 電壓環(huán)路上的控制到輸出增益（調(diào)制級 +電流環(huán)跨導(dǎo) +輸出功率級濾波）： )(sAco = )()(0 sFsFRG hPcs 式 （ 41） 其中： GCS 是控制到輸出的跨導(dǎo)： csG =SWci fL DmRR ? ??? )(11139。 一種補(bǔ)償方案是針對輸出濾波電容的 ESR 非常小時(shí)，如圖 (a)所示 ， fzs1位于高頻處，則無需對此零點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償，那么只要在誤差放大器輸出端加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，產(chǎn)生系統(tǒng)主極點(diǎn) fpc1 同時(shí)產(chǎn)生零 點(diǎn)來補(bǔ)償輸出端的極點(diǎn) fps1，則可使環(huán)路基本呈現(xiàn)單極點(diǎn)特性，因而需要保證極點(diǎn) fPFH1 在系統(tǒng)頻率交點(diǎn) fc 以外，即有 fPFH1fc。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。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(gè)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。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。 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)。 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。之差； 增益裕量指的是環(huán)路總相移為 360176。由此可見，對電流反饋內(nèi)環(huán)而言， VERROUT 可以看作 是一個(gè)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