【正文】 式 （ 33） 因而電感電流線性減小，減小量為 ： 式 （ 34） 根據(jù)伏秒平衡原理 (VoltsSecond Balance)有 ? IL1= ? IL2，從而得出 Buck 型 DCDC轉(zhuǎn)換器輸出電壓與占空比 D 和輸入電壓的關(guān)系為： iDVV ?0 式 （ 35） 式 (35)表明輸出電壓隨占空比 D 的變化而變化，只要通過控制電路控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止的切換時間就可以使輸出電壓不隨輸入電壓和負(fù)載電流的變化而變化。加到負(fù)載尺 D 上的時間比例，可調(diào)節(jié)輸出電壓 V0； L 是儲能電感 ，用以平滑電流， D1是續(xù)流二極管，在開關(guān)管 S1 截止時為電感電流提供一個續(xù)流通路，一方面避免電感感應(yīng)出高壓而損壞晶體管，另一方面提供電感能量釋放到負(fù)載的通路； C0是濾波電容。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。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。無論哪種調(diào)制方式其目的都可以理解為在轉(zhuǎn)換器負(fù)載改變的情況下通 過調(diào)制改變了開關(guān)管的導(dǎo)通占空比以獲得穩(wěn)定的輸出電壓。 本 文重點(diǎn)為以 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器為基礎(chǔ)來分析研究誤差放大器，因此以后的討論主要基于 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器，接下來的兩節(jié)將 重 點(diǎn)分析 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器的工作原理、控制方式、工作模式及其 誤差放大電路。 圖 所示是一個直流開關(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)生一個方波，這個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，這樣整個系統(tǒng)形成一個負(fù)反饋回路，使得輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)計值。 圖 DCDC 控制系統(tǒng)示意圖 前面已經(jīng)指出直流開關(guān)變換器中開關(guān)器件的導(dǎo)通與截止是通過一個反饋控制系統(tǒng)控制的。如果電感、電容元件也是理想的，那么該系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率可以達(dá)到 10%。 假設(shè)開關(guān)是理想的，那么當(dāng)開關(guān)閉合則其上的電壓降為零，因此功耗為零，當(dāng)開關(guān)斷開則電流為零，功耗也為零。 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)，一個周期內(nèi)，電子開關(guān)接通時間 ton 所占整個周期 Ts 的比例，稱接通占空比 D， D=ton/TS；斷開時間 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 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)用場合。 圖 所示的 Boost 變換器只能用于升壓情況，也就是說輸出電壓必須高于輸入電壓的最大幅值。 221pkopoutl oa d LIfPP ??? 式 （ 211） 式中： fop變換器的開關(guān)頻率。 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。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 。在開關(guān)管關(guān)斷這段時間里，電感上的電流用下式表示： L tVVItI of finoutpkof fL )()( ??? 式 （ 29） 如果在下個周期之前，鐵心中的磁通完全為零，就稱電路工作在電流斷續(xù)模式。開關(guān)管關(guān)斷時，由于電感中的電流不 11 能突變，于是二極管立刻正向?qū)āＴ谶@段時間中，二極管是反向阻斷的。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。 變換器 另一類變換器是升壓式變換器，最基本的升壓式變換器，即所謂的 Boost 變換器 [3]。這些拓?fù)浣M成了一類變換器，稱為變壓器隔離正激式變換器。 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]。 直流輸出的負(fù)載電流在最大值和最小值之間波動。當(dāng)開關(guān)再次導(dǎo)通時，二極管迅速關(guān)斷，電流從輸入電源和開關(guān)管流過。續(xù)流電流包括：二極管、電感、負(fù)載。電感上的電流用下面的公式描述： )(onLi =ooutinLVV ? ton + minI 式 （ 25） 在這 個階段，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。 我們可以把 Buck 電路的工作過程分成兩個階段。 圖 基本的正激式變換器（ Buck 變換器） 通過控制電路改變占空比，既可保持輸出電壓恒定。 LC 濾波器平均了占空比調(diào)制的脈沖電壓。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。圖 是一種簡單正激式變換器電路，即所謂的Buck 變換器。其輸出平均電壓Vo 可以大于或小于輸入電壓 Vt，極性相反，電感傳輸。其輸出平均電壓 Vo 大于輸入電壓Vt，極性相同。其輸出平均電壓 Vo 小于輸入電壓Vt，極性相同。 圖 開關(guān)型 DCDC 轉(zhuǎn)換器框圖 開關(guān)型 DCDC 轉(zhuǎn)換器主電路最常見的拓?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)架中衍變出來的。主電路也稱功率級，用于完成電能的轉(zhuǎn)換和傳輸，對設(shè)備的電性能、效率、溫升、可靠性、體積和重量等指標(biāo)有著決定性的作用，通常包括輸入電源、功率開關(guān)管、整流管以及儲能電感、濾波電容和負(fù)載。 本論文主要 研究的是 Buck 型 DCDC 變換器，因?yàn)樵擃愞D(zhuǎn)換器在便攜式電子產(chǎn)品中 8 比較常見。 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。 圖 全橋開關(guān)電源電路及波形 與 半橋開關(guān)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(guān)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(guān)電源的輸出功率是半橋開關(guān)電源的 4 倍。當(dāng) VT VT3 的觸發(fā)控制信號有效時， VT VT4 的觸發(fā)控制信號無效， VT VT3 導(dǎo)通時，輸入電壓 Ui經(jīng) VT2 變壓器的初級線圈 N1 和 VT3 形成電流回路，加至變壓器初級線圈的電壓為電源電壓 Ui，并經(jīng)次級側(cè)二極管 V1 整流、濾波后為負(fù)載供電。 全橋開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 如圖 所示。 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 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。所以 ,初級側(cè)電源通過功率開關(guān)管 VT V2 交替給變壓器初級線圈 N1 勵磁并為負(fù)載供電。當(dāng)開關(guān)管 VT1 導(dǎo)通、 VT2 截止時，輸入電壓 Ui經(jīng) VT1 變壓器初級繞組 N1 和電容 C2 為變壓器初級線圈 N1 勵磁，同時經(jīng)次級側(cè)二極管 V1,繞組 N2 給負(fù)載供電。 半橋開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 如圖 所示。當(dāng)功率開關(guān)晶體管 VT 斷開時，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。 反激開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 如圖 所示。加在變壓器 N1，繞組上的電壓振幅等于輸人電壓 Ui，功率開關(guān)管 VT 導(dǎo)通時間 TON 為開關(guān)脈沖寬度，變壓器次級側(cè)開關(guān)脈沖電壓經(jīng)二極管 V1 整流變?yōu)橹绷?。由于采用變壓器耦合，因此變壓器的初、次級可以相互隔離，從而使初級側(cè)電路地與次級側(cè)電路地分開，做到次級側(cè)電路地不帶電，使用安全。 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） 如圖電路中有一個儲能電感，適當(dāng)利用這個儲能電感，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。 圖 串聯(lián) 開關(guān)電源原理圖 輸入交流電壓或負(fù)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(zhǔn)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(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。正常工作時，功率開關(guān)晶體管 VT 在開關(guān)脈沖信號的作用下周期性地在導(dǎo)通、截止之問交替轉(zhuǎn)換，使輸入與輸出之間周期性地閉合與斷開。 開關(guān)電源典型結(jié)構(gòu) [4] 串聯(lián)開關(guān)電源結(jié)構(gòu) 如圖 所示。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。自激式包括單管式變換器和推挽式變換器兩種。有些線路通過電子器件完成電壓 頻率，或者頻率 電壓的轉(zhuǎn)換工作之后，用變壓器與控制信號隔離。 根據(jù) DCDC 轉(zhuǎn)換器從輸入到輸出之間是否有變壓器隔離，可以分成有隔離、無隔離兩類。 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。凡用控制方法使功率開關(guān)管在其兩端電壓為零時導(dǎo)通電流，或使流過功率開關(guān)管電流為零時關(guān)斷，此開關(guān)稱為 “軟開關(guān) ”。第二個模塊是控制回路，控制回路比較復(fù)雜，早期由分立器件組成，隨著大規(guī)模集成電路的發(fā)展，現(xiàn)在集成電路芯片逐步代替了分立器件，集成電路是電源產(chǎn)品體積小、可靠性高，給應(yīng)用帶來了極大方便。除此之外，開關(guān)電源還有 輔助電路，包括啟動、過流過壓保護(hù)、輸入濾波、輸出采樣、功能指示等電路 [3]。 開關(guān)電源的組成 開關(guān)電源的基本組成如圖 所示。 圖 開關(guān)電源的工作原理 為方便分析開關(guān)電源電路，定義脈沖占空比如下： TTD ON? 式 （ 21） 開關(guān)電源直流輸出電壓 U0與輸入電壓 Ui，之間有如下關(guān)系： DUU i?0 式 （ 22） 由式 (21)和式 22)可以看出，若開關(guān)周期了 T 一定，改變開關(guān) S 的導(dǎo)通時間 TON。圖中輸入的直流不穩(wěn)定電壓 Ui經(jīng)開關(guān)S 加至輸出端， S 為受控開關(guān)，是一個受開關(guān)脈沖控制的開關(guān)調(diào)整管，若使開關(guān) S 按要求改變導(dǎo)通或斷開時間，就能把輸入的直流電壓 Ui 變成矩形脈沖電壓。開關(guān)電源內(nèi)部功率管工作在高頻開關(guān)狀態(tài)，其等效電阻很小，當(dāng)流過大的電流時，消耗在功率管上的能量很小，所以電源效率可以達(dá)到 70％～ 90％ ，比普通線性穩(wěn)壓電源提高近一倍。 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。本文從最基本的開關(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)來分析， 研究管理電路中誤差放大模塊對電源系統(tǒng)的影響。 開關(guān)電源控制模式分為兩種：電壓控制模式 和電流控制模式。 本文研究的目的與意義 誤差放大電路作為電源管理電路中的關(guān)鍵模塊，其性能優(yōu)劣與整個電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性能密切相關(guān)。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。 Buck DCDC Converter。 關(guān)鍵詞： 開關(guān)電源 ； Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器； 誤差放大器 。本文誤差放大器的 分析基于 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器，從系統(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)，首先對該款 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)電壓控制環(huán)路進(jìn)行小信號 分析 ,并對 控制環(huán)路進(jìn)行了 零極 點(diǎn)分布 分析 ，確定環(huán)路補(bǔ)償 策略 。 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。 開關(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關(guān)電源系