【正文】 的信號 VSENOUT與這個基準值 VERROUT之間的誤差經 PWM比較和一系列邏輯處理電路產生控 20 制開關管導通與關斷時間的占空比被調節(jié)的脈沖信號，從而控制輸出電壓穩(wěn)定 [5]。 由上章可知，在 開關電源采 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)路的頻率響應有很大的影響，對直流開關變換器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，負載調整率和響應速度有著決定性作用。上 18 述的缺點可以通過使用斜坡補償?shù)姆椒▉砀纳?[4]。當輸入電壓或負載阻抗突然變小時，因為主電路中的輸出電容 C 及電感 L 的值都較大，會產生相移延時作用，輸出電壓的變小也會延時滯后，這 樣輸出電壓變小的消息還要經過電壓誤差放大器的補償電路延時滯后，才能傳至 PWM 比較，最后再將脈沖寬度擴展。 本文將對應用范圍最廣泛的 PWM 方式，進行詳細的分析。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。DCDC 變換器一般采用兩種基本的負反饋方式：電流負反饋和電壓負反饋。 圖 DCDC 控制系統(tǒng)示意圖 前面已經指出直流開關變換器中開關器件的導通與截止是通過一個反饋控制系統(tǒng)控制的。 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 的應用場合。如果鐵心中的磁通沒有完全變?yōu)榱?，還有一部分剩磁，就稱電路工作在電流連續(xù)模式，見圖 。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。 直流輸出的負載電流在最大值和最小值之間波動。 我們可以把 Buck 電路的工作過程分成兩個階段。圖 是一種簡單正激式變換器電路，即所謂的Buck 變換器。 圖 開關型 DCDC 轉換器框圖 開關型 DCDC 轉換器主電路最常見的拓撲結構有 Buck 型、 Boost 型和 BuckBoost型三種，各自的電路架構如下圖所示，其他的結構都是從這三種構架中衍變出來的。 圖 全橋開關電源電路及波形 與 半橋開關電源相比，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，全橋開關電源的輸出功率是半橋開關電源的 4 倍。所以 ,初級側電源通過功率開關管 VT V2 交替給變壓器初級線圈 N1 勵磁并為負載供電。 反激開關電源結構 如圖 所示。 圖 串聯(lián) 開關電源原理圖 輸入交流電壓或負載電流的變化，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寬電路的脈沖占空比 D，達到穩(wěn)定直流輸出電壓 U0的目的。自激式包括單管式變換器和推挽式變換器兩種。凡用控制方法使功率開關管在其兩端電壓為零時導通電流，或使流過功率開關管電流為零時關斷，此開關稱為 “軟開關 ”。 圖 開關電源的工作原理 為方便分析開關電源電路，定義脈沖占空比如下： TTD ON? 式 （ 21） 開關電源直流輸出電壓 U0與輸入電壓 Ui，之間有如下關系： DUU i?0 式 （ 22） 由式 (21)和式 22)可以看出，若開關周期了 T 一定，改變開關 S 的導通時間 TON。本文從最基本的開關電源工作原理及其控制方式入手，從 Buck 型 DCDC 轉換器系統(tǒng)穩(wěn)定性、負載調整率及響應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。 Buck DCDC Converter。 開關電源的穩(wěn)定性直接影響著電子產品的 工作性能 ,誤差放大器是直流開關電源系統(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。本論文主要針對目前常用于便攜式設備、分布式電源系統(tǒng)的 Buck 型 DCDC 開關轉換器，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參數(shù)，因而，在對其系統(tǒng)工 作原理分析的基礎上，主要從系統(tǒng)控制環(huán)路穩(wěn)定性、負載調整率及響應速度方面來分析研究誤差放大電路。開關晶體 管的控制電路調節(jié)著能量傳輸過程，使輸出信號保持恒定。其中 DCDC 變換器用以進行功率變換，它是開關電源的核心部分；驅動器是開關信號的放大部分，對來自信號源的開關信號進行放大和整形，以適應開關管的驅動要求；信號源產生控制信號，該信號由它激或自激電路 3 產生，可以是 PWM 信號、 PFM 信號或其他信號；比較放大器對給定信號和輸出反饋信號進行比較運算，控制開關信號的幅值、頻率、波形等，通過驅動器控制開關器件的占空比，以達到穩(wěn)定輸出電壓值的目的。凡用脈寬調制方式控制電子開關的開關變換器，稱為 PWM 開 關變換器，它是以使用 “硬開關 ”為主要特征的。若按拓撲結構來分常見 的多達十幾種，最常用的有以下六種拓撲： Buck、 Boost、 BuckBoost、 Cuk、 Sepic和 Zeta[11]。功率開關管 VT 與開關變壓器初級線圈相串聯(lián)接在電源供電輸入端，功率開關管 VT 在開關脈沖信號的控制下周期性地導通與截止，集電極輸出的脈沖電壓通過變壓器耦合在次級得到脈沖電壓，這個次級脈沖電壓經整流濾波后得到直流輸出電壓 U0，同樣，經過取樣電路后將得到的取樣電壓與基準 5 電壓 Ue 進行比較，其誤差電壓再被誤差放大器放大后輸出至功率 開關管 VT，來控制功率開關管 VT 的導通、截止，達到控制脈沖占空比的目的，從而穩(wěn)定直流輸出電壓。 圖 反激開關電源結構 反激開關電源電路簡單，輸出電壓 U0高于輸入電壓 Ui又可低于輸入電壓 Ui 一般適用在輸出功率為 200W 以下的開關電源中?？梢云鸬阶云胶鈱ΨQ作用。 Buck 型 DCDC 轉換器作為開關電源的一種電源管理芯片，在電子產品中應用很廣泛，它通過控制開關晶體管開通和關斷的時間比率，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，調節(jié)電路能量傳輸過程，使輸出信號保持恒定 [10]。 (2) Boost 型 ——升壓斬波器，如圖 (b)所示。 LC 濾波器的輸入就是經過斬波以后的電壓。 圖 正激式變換器 （ Buck 變換器）電壓電流波形 當開關斷開時，由于電感上的電流不能突變，電感電流就通過二極管續(xù)流，該二極管稱為續(xù)流二極管，這樣就實現(xiàn)了對原先流過開關管電流的續(xù)流，同時電感中存儲的一 10 部分能量向負載釋放。 在功率開關管和 LC 濾波器之間可以放置一個用于提升或降低輸入電壓的變換器。電感電流波形也是以固定斜率線性上升，可用下式描述： LtVti oninonL ?)( 式 （ 28） 在這個階段，能量存儲在電感鐵心的磁通中。這就意味著在開關管導通期間，存儲的能量要足夠大，即電流峰值 IPK 要滿足下式的要求 [8]。因此直流開關變換器的基本工作方式有三種：一是脈寬調制方式 (PWM)， TS不變，改變 ton(通用 )則可以控制輸出電壓的大小；二是頻率調制方式 (PFM)， ton 不變，改變 Ts (易產生干擾 )同樣可以達到調節(jié)輸出電壓大小的效果；三是脈寬調制和頻率調制混合控制方式 (PWM／ PFM) [2]。由此可見誤差放大器是直流開關變換器中非常關鍵的一個模塊，一個高性能的誤差放大器是保證直流開關變換器系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作的關鍵。 型 DCDC 轉換器工作原理 Buck 型 DCDC 轉換器如圖 所示， S1是開關管，其反復導通和截止控制了 Vin。目前生產的開關電源多數(shù)采用 PWM 方式，少數(shù)采用 PFM，很少有混合式調制方式。同時，這些信號還可以實現(xiàn)一些附加的功能，例如過電流保護，抗偏磁以及均流等。 電壓模式的缺點是：由于環(huán)路增益是隨著輸入電壓的變化而變化的，使得補償電路的設計變得更加復雜；任一 個 輸入電壓或是輸出負載的變化都要先轉化為輸出電壓的變化，然后才經過反饋環(huán)采樣進行反饋控制調節(jié)，這就意味著動態(tài)響應速度較慢；輸出濾波器的控制環(huán)上增加了兩個極點，這就需要在其上在增加一個零點補償。在轉換器的開關管 S 導通期間，電感中的電流上升，在轉換器的開關管 S 截止期間，電感電流下降。系統(tǒng)控制環(huán)路直流增益越大負載調整率越好，相位裕量越大系統(tǒng)越穩(wěn)定，帶寬越大系統(tǒng)響應速度越快，然而在實際電路中，直流增益、相位裕量和帶寬之間存在著緊密的相互制約關系，需要根據(jù)實際情況進行折中 選取，因而，誤差放大電路對于開關電源系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定非常重要，所以在后面章節(jié)中，重點對開關 電源管理 電路進行誤差放大 的 分析與研究。 PWM 峰值電流控制方式也存在一些缺點，比如輸出電感峰值電流恒定而非其平均電流恒定的問題和輸出電感電流擾動會引起振蕩的問題，而采用斜坡補償技術則可以很好的解決上述的兩個問題。之間 [2]。 綜上， Buck 型 DCDC 轉換器的雙環(huán)控制系統(tǒng)可以轉換為單環(huán)反饋控制系統(tǒng)來分析，包含電流反饋內環(huán)的從電壓環(huán)上 EA 輸出端到輸出電感電流部分 (控制到輸出部分 )可以看成一個等效跨導級，電壓反饋外環(huán)包括：輸出端電阻分壓網(wǎng)絡 (RFB1, RFB2)，誤差放大器 (EA)，補償網(wǎng)絡，控制 到輸出跨導級以及開關功率級五個部分。0 式 （ 42） FP(s)反映了電流環(huán)路的主要低頻特性： )(sFP =pCsRsC???11 0 式 （ 43） Fh(s)反映了電流環(huán)路的采樣特性： )(sFh =nnsQs2211?? ?? 式 （ 44） 其中： )(1 39。一旦 fzs1fsw/2，則采用本補償方案，補償網(wǎng)絡僅由 Rc1 和 Cc1構成。 Ridely 給出了 Buck 型 DCDC 轉換器的音頻衰減率傳輸函數(shù)的近似表達式如下： )()]21([??00???????DmTR LDDmDCSWCIN?? )()( sFsF hp 式 （ 415） 式中組成分子的兩項是相減的關系，這就意味著設計合適的控制環(huán)路和功級參數(shù)可以消去輸入波動引起的輸出變化或者將其減到最小。 系統(tǒng)輸出零點 fzs1 (由輸出濾波電容的 ESR 引入 )，如式 (46)所示。在截止頻率之后，增益迅速下降以抑制噪聲的影響。 f是在開關管導通階段輸入和輸出電壓變化對占空比影響的前饋系數(shù)， K39。這樣就可以將輸出端的 LC 低通濾波 器拆分，輸出端僅由輸出電容和負載電阻并聯(lián)起濾波作用，那么輸出端 引入由輸出電容和負載電阻產生的一個極點以及輸出電容 ESR 引起的一個零點，這樣說來，電流模式有比電壓模式更容易進行環(huán)路補償?shù)膬?yōu)點。一般通過相位裕量和增益裕量來衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，相位裕量指的是交越頻率處的環(huán)路實際總相移和 360176。電 壓 反饋外環(huán)則包含了電流反饋內環(huán)，其核心模塊是誤差放大器及其補償網(wǎng)絡，差放大器將采樣的輸出反饋電壓 VFB與一個基準電壓 Vref比較并將誤 差 信號 放大產生輸出信號 VERROUT 進入電流反饋內環(huán)與 VSENOUT 進行比較。 環(huán)路 控制中 誤差放大器的重要作用 DCDC 開關變換器中控 制策略的研究與選取可以歸結為主要為了更好地達到以下兩個性能指標：一是保證穩(wěn)態(tài)時直流電壓穩(wěn)態(tài)輸出誤差為零；二是控制系統(tǒng)對電路參數(shù)和外界環(huán)境的變化魯棒性較強，具有良好的動態(tài)負載響應，即控制性能良好。 功 率 級 ???oVgVcViVSWV iLR SWVLiI mI（ 由 V c 置 定 ） (a) 功 率 級 ???oVgVcViVSW iLR SWVLiI mI（ 由 V c 置 定 ）單 穩(wěn) 態(tài)offT (b) T功 率 級 ???oVgVcViVSW iLR SWVLiI mI（ 由 V c 置 定 ）觸 發(fā) 器時 鐘 (c) 圖 (a)恒頻遲滯環(huán)寬控制 (b) 恒定關斷時間控制 (c)恒定頻率控制 電流控制模式電路有以下優(yōu)點：與電壓型相比在輸入輸出方面具有良好的且快速的 線性調制率；并且消除了由輸出濾波電感所帶來的系統(tǒng)及極點的二階特性，消除了系統(tǒng)中環(huán)路穩(wěn)定性方面的問題，于此同時還具有最佳大信號的特性； 但當占空比大于 50%時，采用電流控制技術容易發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，主要 原因為： (1)占空比大于 50%時，電路容易發(fā)生次諧振蕩； (2)占空比大于 50%時，電流的下降率大于上升率，平坦的上升率使電感電流出現(xiàn)一個干擾而被放大，最終導致電路不穩(wěn)定。它的工作原理是首先將電壓誤差放大器采樣放大的直流與恒定頻率 16 的三角波斜坡進行比較，在通過 PWM