【正文】 ation scheme was proposed. At last, according to the system level to analysis the error amplifier. Key words： Switching power。這個(gè)脈沖電壓經(jīng)濾波電路進(jìn)行平滑濾波后就可得到穩(wěn) 定的直流輸出電壓 U0[1] 。若按激勵(lì)形式不同，可分為自激式和他激式兩種。 圖 正激開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu) 正激開(kāi)關(guān)電源電路正激開(kāi)關(guān)電源的特點(diǎn)是，當(dāng)初級(jí)側(cè)的功率開(kāi)關(guān)管 VT 導(dǎo)通時(shí)，電源輸入側(cè)的能量由次級(jí)側(cè)二極管 V1 經(jīng)輸出電感 L 為負(fù)載供電；當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管 VT 斷開(kāi)時(shí)，由續(xù)流二極管 V2 繼續(xù)為負(fù)載供電，并由消磁繞組 N3 和消磁二極管 V3 將初級(jí)繞組N1 的能量回饋到電源輸入端。同理，當(dāng) VT VT3 關(guān)斷 ,VTVT4 導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓 Ui從和 VT VT3 導(dǎo)通時(shí)電流相反的方向?yàn)樽儔浩鞒跫?jí)線圈 N1勵(lì)磁，并通過(guò)次級(jí)線圈 N2 和整流二極管 V2 為負(fù)載供電，這樣在次級(jí)得到如 Up 所示的脈沖波 形。 圖 (a)Buck 型 (b)Boost 型 (c) Buck Boost 型 變換器 正激式電路構(gòu)成一大類開(kāi)關(guān)電源拓?fù)洌潆娐方Y(jié)構(gòu)特點(diǎn)是功率管之后或變壓器二次側(cè)輸出整流器之后緊跟 LC 濾波器。在開(kāi)關(guān)導(dǎo)通前瞬間，電感上的電流 Imin就是開(kāi)關(guān)管通過(guò)的初始電流。在這種情況下，電流和電壓波形如圖所示。然而實(shí)際中開(kāi)關(guān)器件和電容、電感元件以及控制開(kāi)關(guān)器件通斷的控制電路都要產(chǎn)生一定的功耗，因而開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率不可能達(dá)到 100%，一般是 (80～ 90)%，有的甚至達(dá)到 90%以上，所以開(kāi)關(guān)電源的效率是很高的 [2]。反饋網(wǎng)絡(luò)中的輸出電壓采樣電阻 RFB1 和 RFB2 按一定的比例將輸出電壓采樣與參考電壓 Vref 比較，誤差放大器將此比較誤差放大并送給 PWM 調(diào)制器的一個(gè)輸入端，將其與頻率一定的鋸齒波比較后得到頻率一定的、脈沖寬度被調(diào)制的方波。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(jìn)行比較，在通過(guò) PWM 調(diào)制后得到脈沖寬度如 (a)中所示波形，電路在工作時(shí)必須逐個(gè)附加脈沖的限流保護(hù)電路。 環(huán)路 控制中 誤差放大器的重要作用 DCDC 開(kāi)關(guān)變換器中控 制策略的研究與選取可以歸結(jié)為主要為了更好地達(dá)到以下兩個(gè)性能指標(biāo)：一是保證穩(wěn)態(tài)時(shí)直流電壓穩(wěn)態(tài)輸出誤差為零；二是控制系統(tǒng)對(duì)電路參數(shù)和外界環(huán)境的變化魯棒性較強(qiáng)，具有良好的動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)，即控制性能良好。一般通過(guò)相位裕量和增益裕量來(lái)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(shí)際總相移和 360176。 f是在開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通階段輸入和輸出電壓變化對(duì)占空比影響的前饋系數(shù)， K39。 系統(tǒng)輸出零點(diǎn) fzs1 (由輸出濾波電容的 ESR 引入 )，如式 (46)所示。一旦 fzs1fsw/2，則采用本補(bǔ)償方案，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)僅由 Rc1 和 Cc1構(gòu)成。 綜上， Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器的雙環(huán)控制系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)換為單環(huán)反饋控制系統(tǒng)來(lái)分析，包含電流反饋內(nèi)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(gè)等效跨導(dǎo)級(jí)，電壓反饋外環(huán)包括：輸出端電阻分壓網(wǎng)絡(luò) (RFB1, RFB2)，誤差放大器 (EA)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，控制 到輸出跨導(dǎo)級(jí)以及開(kāi)關(guān)功率級(jí)五個(gè)部分。 PWM 峰值電流控制方式也存在一些缺點(diǎn)，比如輸出電感峰值電流恒定而非其平均電流恒定的問(wèn)題和輸出電感電流擾動(dòng)會(huì)引起振蕩的問(wèn)題，而采用斜坡補(bǔ)償技術(shù)則可以很好的解決上述的兩個(gè)問(wèn)題。在轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)管 S 導(dǎo)通期間，電感中的電流上升，在轉(zhuǎn)換器的開(kāi)關(guān)管 S 截止期間，電感電流下降。同時(shí)，這些信號(hào)還可以實(shí)現(xiàn)一些附加的功能，例如過(guò)電流保護(hù)，抗偏磁以及均流等。 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器工作原理 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器如圖 所示， S1是開(kāi)關(guān)管，其反復(fù)導(dǎo)通和截止控制了 Vin。因此直流開(kāi)關(guān)變換器的基本工作方式有三種：一是脈寬調(diào)制方式 (PWM)， TS不變，改變 ton(通用 )則可以控制輸出電壓的大??；二是頻率調(diào)制方式 (PFM)， ton 不變，改變 Ts (易產(chǎn)生干擾 )同樣可以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓大小的效果；三是脈寬調(diào)制和頻率調(diào)制混合控制方式 (PWM／ PFM) [2]。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(gè)階段，能量存儲(chǔ)在電感鐵心的磁通中。 圖 正激式變換器 （ Buck 變換器）電壓電流波形 當(dāng)開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，由于電感上的電流不能突變，電感電流就通過(guò)二極管續(xù)流，該二極管稱為續(xù)流二極管，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)原先流過(guò)開(kāi)關(guān)管電流的續(xù)流，同時(shí)電感中存儲(chǔ)的一 10 部分能量向負(fù)載釋放。 (2) Boost 型 ——升壓斬波器，如圖 (b)所示。可以起到自平衡對(duì)稱作用。功率開(kāi)關(guān)管 VT 與開(kāi)關(guān)變壓器初級(jí)線圈相串聯(lián)接在電源供電輸入端，功率開(kāi)關(guān)管 VT 在開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的控制下周期性地導(dǎo)通與截止，集電極輸出的脈沖電壓通過(guò)變壓器耦合在次級(jí)得到脈沖電壓，這個(gè)次級(jí)脈沖電壓經(jīng)整流濾波后得到直流輸出電壓 U0，同樣，經(jīng)過(guò)取樣電路后將得到的取樣電壓與基準(zhǔn) 5 電壓 Ue 進(jìn)行比較，其誤差電壓再被誤差放大器放大后輸出至功率 開(kāi)關(guān)管 VT，來(lái)控制功率開(kāi)關(guān)管 VT 的導(dǎo)通、截止，達(dá)到控制脈沖占空比的目的，從而穩(wěn)定直流輸出電壓。凡用脈寬調(diào)制方式控制電子開(kāi)關(guān)的開(kāi)關(guān)變換器，稱為 PWM 開(kāi) 關(guān)變換器，它是以使用 “硬開(kāi)關(guān) ”為主要特征的。開(kāi)關(guān)晶體 管的控制電路調(diào)節(jié)著能量傳輸過(guò)程，使輸出信號(hào)保持恒定。 開(kāi)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(kāi)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(gè)直流開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)的穩(wěn) 定性，因而 對(duì) 高性能誤差放大器 的分析 是本論文的主要研究目標(biāo)。本文從最基本的開(kāi)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(lái)分析， 研究管理電路中誤差放大模塊對(duì)電源系統(tǒng)的影響。凡用控制方法使功率開(kāi)關(guān)管在其兩端電壓為零時(shí)導(dǎo)通電流，或使流過(guò)功率開(kāi)關(guān)管電流為零時(shí)關(guān)斷，此開(kāi)關(guān)稱為 “軟開(kāi)關(guān) ”。 圖 串聯(lián) 開(kāi)關(guān)電源原理圖 輸入交流電壓或負(fù)載電流的變化，會(huì)引起輸出直流電壓的變化，通過(guò)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(guò)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。所以 ,初級(jí)側(cè)電源通過(guò)功率開(kāi)關(guān)管 VT V2 交替給變壓器初級(jí)線圈 N1 勵(lì)磁并為負(fù)載供電。 圖 開(kāi)關(guān)型 DCDC 轉(zhuǎn)換器框圖 開(kāi)關(guān)型 DCDC 轉(zhuǎn)換器主電路最常見(jiàn)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(lái)的。 我們可以把 Buck 電路的工作過(guò)程分成兩個(gè)階段。新的布置使變換器的工作過(guò)程和正激式變換器 （ Buck） 完全不同。 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(chǎng)合。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。 本文將對(duì)應(yīng)用范圍最廣泛的 PWM 方式，進(jìn)行詳細(xì)的分析。上 18 述的缺點(diǎn)可以通過(guò)使用斜坡補(bǔ)償?shù)姆椒▉?lái)改善 [4]。由此可見(jiàn)，對(duì)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(hào)，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(cè)到的反電感峰值電流的信號(hào) VSENOUT與這個(gè)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(kāi)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(hào)，從而控制輸出電壓穩(wěn)定 [5]。 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(duì)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。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。而前饋?lái)?xiàng) K＇ f是負(fù)的，那么就有可能使輸入波動(dòng)通 過(guò)兩條路徑引起的輸出波動(dòng)相互抵消。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(jí) +電流環(huán)跨導(dǎo) +輸出功率級(jí)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?！?75176。 通常對(duì)整個(gè)控制環(huán)路的補(bǔ)償就是通過(guò)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(lái)實(shí)現(xiàn)的，目的是對(duì)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挘沟瞄]環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作，并具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。 振 蕩電 路驅(qū) 動(dòng)觸 發(fā) 器Q RSsUeU非 門ont gU與 門daadteUsdaadtont或 非 門振 蕩電 路驅(qū) 動(dòng)觸 發(fā) 器Q RSsUeU非 門ont gU非 門daadt時(shí) 鐘 信 號(hào)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：?jiǎn)苇h(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(guò)程；同時(shí)它還能夠低阻抗輸出，對(duì)于多輸出電源具有較好的交互 調(diào)節(jié)特性 [10]。 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。 圖 所示是一個(gè)直流開(kāi)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(kāi)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(lái)濾掉開(kāi)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(guò)誤差放大器相比較并將誤差信號(hào)放大，產(chǎn)生控制調(diào)制 13 器的信號(hào)，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。 Boost 變換器工作在電流斷續(xù)模式下，存儲(chǔ)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。 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]。電路的 LC 濾波器就是飛輪，存儲(chǔ)從驅(qū)動(dòng)器輸出的脈沖功率。 DCDC 變換器 可以將 DCDC 管理電源芯片分成三類：開(kāi)關(guān)電源、線性集成穩(wěn)壓器、電荷泵，在此我們只討論開(kāi)關(guān)電源類。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)晶體管 VT 斷開(kāi)時(shí)，變壓器次級(jí)繞組以輸出電壓 U0為負(fù)載供電，并對(duì)變壓器進(jìn)行消磁。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。 開(kāi)關(guān)電源的組成 開(kāi)關(guān)電源的基本組成如圖 所示。不同的電子設(shè)備對(duì)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(duì)電源體積、可靠性等的要求各不相同，這就對(duì)開(kāi)關(guān)電源的管理電路提出了很高的要求。 Error Amplifier. 1 目 錄 摘 要 ........................................................................................................................................... I Abstract.......................................................................................................................................II 1. 諸 論 ................................................................................................................................... 1 引言 ...................................................................................