【文章內(nèi)容簡介】 流的變化而變化。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。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(diào)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(chǎn)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。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)對這兩種工作模式做詳細介紹。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)制(PWM)，(3) 混合式調(diào)制。目前生產(chǎn)的開關(guān)電源多數(shù)采用PWM方式，少數(shù)采用PFM，很少有混合式調(diào)制方式。PFM的定義是將脈沖寬度固定，通過調(diào)節(jié)工作頻率來調(diào)節(jié)輸出電壓。它的穩(wěn)壓原理是當(dāng)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]。(a) (b) (a) PWM控制方式 (b) PFM控制方式?；旌峡刂品绞绞侵该}沖寬度與頻率都不固定，都可以改變，由于兩種控制方式共存，相互影響較大，穩(wěn)定性比較差，電路也比較復(fù)雜，所以現(xiàn)在并沒有得到廣泛的應(yīng)用。本文將對應(yīng)用范圍最廣泛的PWM方式，進行詳細的分析。PWM的開關(guān)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(guān)器件的峰值電流[9]。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)，從而實現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流及恒定功率的目的。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。PWM調(diào)制方式根據(jù)反饋采樣方式的不同可分為：電壓模式和電流模式，下面將對兩種模式進行對比分析。(1) 電壓模式(a)為Buck變換器的電壓模式控制PWM反饋系統(tǒng)原理圖。電壓模式控制采用脈沖寬度調(diào)制方式。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的三角波斜坡進行比較，(a)中所示波形，電路在工作時必須逐個附加脈沖的限流保護電路。當(dāng)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(chǎn)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(jīng)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。這兩個延時滯后就是導(dǎo)致暫時響應(yīng)慢的主要原因[2]。 (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)點是：單環(huán)反饋的設(shè)計與分析較易實現(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]。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(shè)計變得更加復(fù)雜；任一個輸入電壓或是輸出負載的變化都要先轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化，然后才經(jīng)過反饋環(huán)采樣進行反饋控制調(diào)節(jié)，這就意味著動態(tài)響應(yīng)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。(2) 電流模式電流型PWM控制器增加了一個電感電流反饋作為PWM的斜坡函數(shù)，就不需要三角波發(fā)生器，而且還引入了電感電流反饋使系統(tǒng)的性能具有了明顯的優(yōu)越性。相比電壓型PWM，電流型PWM具有更好的電壓調(diào)整率和負載調(diào)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(shù)得到了飛速的發(fā)展[2]。電流型PWM控制器有以上幾種方案：恒定遲滯環(huán)寬控制：在電感中產(chǎn)生一個固定的電流減小量后，功率開關(guān)管被導(dǎo)通，(a)中是由遲滯比較器實現(xiàn)；恒定關(guān)斷時間控制：經(jīng)過一個固定的時間間隔后，功率開關(guān)管被導(dǎo)通，(b)中由一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來實現(xiàn)；恒定頻率控制：有一個固定頻率的時鐘信號控制RS觸發(fā)器從而控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通，(c)所示。 (a) (b) (c) (a)恒頻遲滯環(huán)寬控制 (b) 恒定關(guān)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(diào)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(dāng)占空比大于50%時，采用電流控制技術(shù)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(dǎo)致電路不穩(wěn)定。上述的缺點可以通過使用斜坡補償?shù)姆椒▉砀纳芠4]。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。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。在轉(zhuǎn)換器的開關(guān)管S導(dǎo)通期間，電感中的電流上升，在轉(zhuǎn)換器的開關(guān)管S截止期間，電感電流下降。如果在S截止期間，電感中的電流降到零而S還未開始下次導(dǎo)通，則在截止期間的剩余時間內(nèi)電感中存儲的能量將為零，轉(zhuǎn)換器工作于非連續(xù)導(dǎo)通模式否則轉(zhuǎn)換器工作于連續(xù)導(dǎo)通模式。由于在這兩種模式下開關(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，開關(guān)電源都只處于一種工作模式。在正常情況下，Buck型開關(guān)轉(zhuǎn)換器很少工作在非連續(xù)導(dǎo)通模式，但是一旦負載電流低于臨界水平，非連續(xù)導(dǎo)通模式就會發(fā)生[4]。 環(huán)路控制中誤差放大器的重要作用DCDC開關(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到以下兩個性能指標(biāo)：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(yīng)，即控制性能良好。由上章可知，在開關(guān)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(yīng)有很大的影響，對直流開關(guān)變換器系統(tǒng)的穩(wěn)定性，負載調(diào)整率和響應(yīng)速度有著決定性作用。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(chǎn)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(zhuǎn)換器的負載調(diào)整率主要由環(huán)路直流增益決定，直流增益越高，負載調(diào)整率越好，而誤差放大器提供大部分環(huán)路增益。通常對整個控制環(huán)路的補償就是通過適當(dāng)選擇誤差放大器的補償策略以調(diào)整誤差放大器的頻率響應(yīng)來實現(xiàn)的，目的是對整個閉環(huán)系統(tǒng)進行校正，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)。系統(tǒng)控制環(huán)路直流增益越大負載調(diào)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(yīng)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(guān)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(guān)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(guān)電源管理電路進行誤差放大的分析與研究。4. 開關(guān)電源管理電路系統(tǒng)分析 Buck型DCDC轉(zhuǎn)換器本章主要基于Buck型DCDC轉(zhuǎn)換器，在電流峰值PWM控制模式下，從系統(tǒng)穩(wěn)定性、負載調(diào)整率及響應(yīng)速度要求的角度出發(fā)，結(jié)合Buck型DCDC轉(zhuǎn)換器的工作原理，進而對誤差放大電路進行分析與研究。 峰值模式Buck型DCDC轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路，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(nèi)環(huán)和電壓反饋外環(huán)。電流反饋內(nèi)環(huán)通過電流檢測電路CS感應(yīng)并采樣功率開關(guān)管電流，將其轉(zhuǎn)化為電壓信號放大后與斜坡補償電壓相加得到一個反應(yīng)電感峰值電流變化的電壓信號VSENOUT，并將其送入PWM比較器的一與誤差放大器的輸出信號VERROUT相比較，最后經(jīng)過一系列邏輯處理電路產(chǎn)生占空比被調(diào)節(jié)的脈沖信號以控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止，進而控制輸出電壓。電壓反饋外環(huán)則包含了電流反饋內(nèi)環(huán)，其核心模塊是誤差放大器及其補償網(wǎng)絡(luò)，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(chǎn)生輸出信號VERROUT進入電流反饋內(nèi)環(huán)與VSENOUT進行比較。由此可見，對電流反饋內(nèi)環(huán)而言，VERROUT可以看作是一個給定的控制信號，反應(yīng)了負載變化時要保持輸出電壓穩(wěn)定所需提供的電感峰值電流基準值，檢測到的反電感峰值電流的信號VSENOUT與這個基準值VERROUT之間的誤差經(jīng)PWM比較和一系列邏輯處理電路產(chǎn)生控制開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷時間的占空比被調(diào)節(jié)的脈沖信號，從而控制輸出電壓穩(wěn)定[5]。電壓反饋外環(huán)對輸出電壓的調(diào)整實質(zhì)是：當(dāng)負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PWM電流采樣電壓與VERROUT交點后移，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。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，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。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(shù)則可以很好的解決上述的兩個問題。 開關(guān)電源控制環(huán)路的分析研究本質(zhì)上講，開關(guān)電源系統(tǒng)是一個非線性時變系統(tǒng)?？刂评碚撌欠治鰰r變系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，經(jīng)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。，則系統(tǒng)將不穩(wěn)定而產(chǎn)生振蕩。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。之差；增益裕量指的是環(huán)路總相移為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(chǎn)生振蕩而且有好的響應(yīng)速度，相位裕量在45176?！?5176。之間[2]。要使輸入電壓變化和負載條件變化的情況下為負載提供一個穩(wěn)定的輸出電壓，而反饋控制環(huán)路中的任何環(huán)節(jié)都可能存在噪聲和干擾，要使系統(tǒng)在任何條件下都穩(wěn)定工作，一般要用反饋補償改善系統(tǒng)頻率響應(yīng)。在分析系統(tǒng)時，其動態(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模型來分析峰值電流控制開關(guān)電源系統(tǒng)的特性，其中比較典型的是Raymond [3]。對系統(tǒng)的小信號環(huán)路模型，大致可以分成兩段傳遞函數(shù)：從誤差放大器EA輸出端電壓VERROUT經(jīng)由帶電流反饋環(huán)路的功率級到輸出電壓的傳遞函數(shù)，通常稱為控制到輸出傳遞函數(shù)，根據(jù)Ridley模型，引入電流環(huán)后，功率級的從控制到輸出的傳遞函數(shù)會發(fā)生改變，即由電流反饋引起，從電壓環(huán)上EA輸出端到輸出電感電流(控制到輸出部分)可以看成一個等效跨導(dǎo)級，其等效跨導(dǎo)稱為控制到輸出跨導(dǎo)，這里用GCS表示。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(chǎn)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。為輸出電壓經(jīng)由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、誤差放大器EA和補償網(wǎng)絡(luò)到VERROUT的傳遞函數(shù)，這段傳遞函數(shù)應(yīng)該對前者進行補償，原則為在截止頻率前最好補償為單極點系統(tǒng)，在截止頻率處，環(huán)路增益的相位裕度大于45176。度。在截止頻率之后，增益迅速下降以抑制噪聲的影響[4]。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)可以看成一個等效跨導(dǎo)級，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)，補償網(wǎng)絡(luò)，控制到輸出跨導(dǎo)級以及開關(guān)功率級五個部分。控制到輸出跨導(dǎo)級是組成環(huán)路增益的一部分，另外峰值電流控制還存在大信號不穩(wěn)定的問題，需要斜坡補償，所以電流環(huán)路決定著電壓外環(huán),因而我們在電流環(huán)分析的基礎(chǔ)上，來分析研究電壓環(huán)路。基于Ridely提出的電流反饋控制DCDC轉(zhuǎn)換器的連續(xù)時間定頻調(diào)脈寬小信號控制環(huán)路模型。其中各參數(shù)意義如下，D是占空比，TSW是開關(guān)周期，E是調(diào)制器增益，Ri是電感電流采樣增益，Sn是電感電流采樣斜坡信號上升斜率，S6是斜坡補償信號斜率，H6 (s)是電流反饋采樣傳輸函數(shù)，這里采用了其二階近似形式，Kf是在開關(guān)管導(dǎo)通階段輸入和輸出電壓變化對占空比影響的前饋系數(shù)，Kr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)。 Buck型DCDC控制環(huán)路小信號模型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)。在前面已經(jīng)指出整個電壓反饋外環(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）：= 式（41）其中：GCS是控制到輸出的跨導(dǎo)： = 式（42）FP(s)反映了電流環(huán)路的主要低頻特性： = 式（43）Fh(s)反映了電流環(huán)路的采樣特性：= 式（44）其中： , Q= 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： 式（47） 式（46）Fh(s)為系統(tǒng)引入了兩個高頻極點，分別如下： = 式（47） = 式（48）輸出到控制增益(電阻分壓+EA增益+補償網(wǎng)絡(luò)PI(s)) =PI(s) 式（49）由