【正文】 .............................................. 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(kāi)關(guān)電源在計(jì)算機(jī)、通信、工業(yè)自動(dòng)化、電子和電工儀器等領(lǐng)域的應(yīng)用更加廣泛。本論文主要針對(duì)目前常用于便攜式設(shè)備、分布式電源系統(tǒng)的 Buck 型 DCDC 開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)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(guān)參數(shù)，因而，在對(duì)其系統(tǒng)工 作原理分析的基礎(chǔ)上，主要從系統(tǒng)控制環(huán)路穩(wěn)定性、負(fù)載調(diào)整率及響應(yīng)速度方面來(lái)分析研究誤差放大電路。誤差放大器主要用于對(duì)輸出端的反饋電壓與基準(zhǔn)電壓的差值進(jìn)行放大，并產(chǎn)生與電流比較器正向輸入端信號(hào)進(jìn)行比較的誤差放大信號(hào)，誤差放大器的核心結(jié)構(gòu)一般采用跨導(dǎo)運(yùn)算放大器結(jié)構(gòu)，它的差模直流小信號(hào) 增益、跨導(dǎo)、補(bǔ)償方式 等都將作為誤差放大器研究的重要方面。這 兩種模式，雖然采樣的方式各不相同，但是都需要 誤差放大器將輸出采樣電壓與預(yù)設(shè)基準(zhǔn)電壓進(jìn)行差分運(yùn)算并放大生成誤差放大信號(hào)反饋給系統(tǒng)控制電路，所以誤差放大器對(duì)開(kāi)關(guān)變換電路系統(tǒng)的穩(wěn)定性、負(fù)載調(diào)整率以及響應(yīng)速度有著決定性作用，它的性能好壞直接影響到開(kāi)關(guān)變換器系統(tǒng)的性能，因而對(duì)開(kāi)關(guān)電源管理電路中誤差放大器的分析與研究具有重要的意義。 本論 文主要研究?jī)?nèi)容 本 論文 主要工作是開(kāi)關(guān)電源控制 電路誤差放大 的 分析與研究，首先對(duì)開(kāi)關(guān)電源的基本原理進(jìn)行了介紹 ， 接著 在峰值電流模式下 對(duì)控制模塊 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器 進(jìn)行了小信號(hào)分析， 最后，在前幾章分析的基礎(chǔ)上，對(duì)閉環(huán)控制電路進(jìn)行了誤差放大分析， 還 著重研究了誤差放大器在閉環(huán)設(shè)計(jì)中的應(yīng)用 。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)電源基本工作原理 開(kāi)關(guān)電源的工作原理可以用圖 進(jìn)行說(shuō)明。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] 。即可改變脈沖占空比 D，從而達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓的目的。其中 DCDC 變換器用以進(jìn)行功率變換，它是開(kāi)關(guān)電源的核心部分；驅(qū)動(dòng)器是開(kāi)關(guān)信號(hào)的放大部分，對(duì)來(lái)自信號(hào)源的開(kāi)關(guān)信號(hào)進(jìn)行放大和整形，以適應(yīng)開(kāi)關(guān)管的驅(qū)動(dòng)要求；信號(hào)源產(chǎn)生控制信號(hào)，該信號(hào)由它激或自激電路 3 產(chǎn)生，可以是 PWM 信號(hào)、 PFM 信號(hào)或其他信號(hào)；比較放大器對(duì)給定信號(hào)和輸出反饋信號(hào)進(jìn)行比較運(yùn)算，控制開(kāi)關(guān)信號(hào)的幅值、頻率、波形等，通過(guò)驅(qū)動(dòng)器控制開(kāi)關(guān)器件的占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓值的目的。 圖 開(kāi)關(guān)電源的基本組成 開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)一般包括兩大模塊，第一個(gè)模塊是功率主回路部分，完成能量的變換和傳輸，主回路使用的元件只有電子開(kāi)關(guān)、電感和電容，但這三種元件的不同組合和連接形成不同類(lèi)型的開(kāi)關(guān)電源變換器。 開(kāi)關(guān)電源的各種分類(lèi) 開(kāi)關(guān)電源 種類(lèi)繁多，根據(jù)開(kāi)關(guān)晶體管的導(dǎo)通與關(guān)斷是否與自身電流以及兩端所加電壓有關(guān)分為 “硬開(kāi)關(guān) ”和 “軟開(kāi)關(guān) ”和 “硬開(kāi)關(guān) ”中功率開(kāi)關(guān)管按外加控制脈沖而通斷，控制與本身流過(guò)的電流、二端所加的電壓無(wú)關(guān)。軟開(kāi)關(guān)的開(kāi)通、關(guān)斷損耗理想值為零。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(chēng)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。若按控制信號(hào)的隔離方法，則可分為直流式、光電耦合式、變壓器式、磁放大器式等。若按激勵(lì)形式不同，可分為自激式和他激式兩種。他激式包括調(diào)頻、調(diào)寬、調(diào)幅、諧振等幾種。若按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來(lái)分常見(jiàn) 的多達(dá)十幾種，最常用的有以下六種拓?fù)洌?Buck、 Boost、 BuckBoost、 Cuk、 Sepic和 Zeta[11]。開(kāi)關(guān)元件即功率開(kāi)關(guān)晶體管 VT 串聯(lián)在輸人與輸出之間。輸入不穩(wěn)定的直流電壓通過(guò)功率開(kāi)關(guān)晶體管VT 后輸出為周期性脈沖電壓，再經(jīng)脈沖整流濾波后，就可得到平滑 f 直流輸出電壓 U0 。由于輸入電壓和輸出電壓共用地線，電源輸入與輸出不隔離，因此在目前的電子裝置和視聽(tīng)設(shè)備的電源電路中已較少采用串聯(lián)開(kāi)關(guān)電源，而更多的是采用并聯(lián)開(kāi)關(guān)電源。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。 圖 并聯(lián)開(kāi)關(guān)電源原理圖 正激開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu) 正激開(kāi)關(guān)電源是一種采用變壓器耦合的降壓型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電源，其電路如圖 所示。 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。當(dāng)功率開(kāi)關(guān)管 VT 導(dǎo)通時(shí)，輸入側(cè)的電能以磁能的形式存儲(chǔ)在變壓 6 器的初級(jí)線圈 N1 中，由于同名端關(guān)系，次級(jí)側(cè)二極管 V1 不導(dǎo)通，負(fù)載沒(méi)有電流流過(guò)。 圖 反激開(kāi)關(guān)電源結(jié)構(gòu) 反激開(kāi)關(guān)電源電路簡(jiǎn)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(kāi)關(guān)電源中。兩個(gè)功率開(kāi)關(guān)管 VT1 和 VT2 在開(kāi)關(guān)脈沖信號(hào)的作用下，交替地導(dǎo)通與截止。當(dāng)開(kāi)關(guān)管 VT1 截止、 VT2 導(dǎo)通時(shí)，輸入電源經(jīng) C變壓器初級(jí) 側(cè)繞組 N1 和開(kāi)關(guān)管 VT2給變壓器初級(jí)繞組 N1 勵(lì)磁，同時(shí)經(jīng)次級(jí)側(cè)二極管 V2 給負(fù)載供電。變壓器初級(jí)側(cè)的脈沖電壓峰值為 Ui/2?？梢云鸬阶云胶鈱?duì)稱(chēng)作用。由 4 個(gè)功率開(kāi)關(guān)管 VT VT VT VT4 組成一個(gè)電橋形式 的電路，其中，由 VT1 與 VT VT2 與 VT3 分別組成兩個(gè)導(dǎo)通回路。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。全橋開(kāi)關(guān)電源常用在輸出功率較大的場(chǎng)合。 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器作為開(kāi)關(guān)電源的一種電源管理芯片，在電子產(chǎn)品中應(yīng)用很廣泛，它通過(guò)控制開(kāi)關(guān)晶體管開(kāi)通和關(guān)斷的時(shí)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(diào)節(jié)電路能量傳輸過(guò)程，使輸出信號(hào)保持恒定 [10]。 Buck 型 DCDC 轉(zhuǎn)換器通常由主電路和控制電路兩大部分組成，其電路框圖如圖 所示?？刂齐娐酚糜诳刂浦麟娐返墓ぷ鳡顟B(tài)，通過(guò)調(diào)節(jié)開(kāi)關(guān)管的通斷實(shí)現(xiàn)輸出 電壓的調(diào)節(jié)并保證輸出電壓穩(wěn)定在一個(gè)設(shè)定值。 每種結(jié)構(gòu)的輸入輸出電壓大小和極性關(guān)系如下： (1) Buck 型 ——降壓斬波器，如圖 (a)所示。 (2) Boost 型 ——升壓斬波器，如圖 (b)所示。 (3) Buck——Boost 型 ——降壓或升壓斬波器，如圖 (c)所示。 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(lèi)開(kāi)關(guān)電源拓?fù)?，其電路結(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。 9 電路的工作可以看作一個(gè)機(jī)械飛輪和單活塞發(fā)動(dòng) 機(jī)。 LC 濾波器的輸入就是經(jīng)過(guò)斬波以后的電壓。 LC 濾波器的作用可用下式表示 [1]： Vout = inV D 式 （ 24） 式中： D——占空比。 Buck 變換器之所以 被稱(chēng)作降壓變換器，是因?yàn)樗妮敵鲭妷罕囟ǖ陀谳斎腚妷?。?dāng)開(kāi)關(guān)導(dǎo)通時(shí)，輸出電壓加到 LC濾波器的輸入端，電感上的電流以固定斜率線性上升。 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(chēng)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。在這階段流過(guò)電感上的電流用下式描述： oof foutpkof fL L tVIi ??)( 式 （ 27） 在這個(gè)階段，電流波形是一條斜率為負(fù)的斜線，斜率為 Vout/L0 。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。在典型應(yīng)用中，電感電流的最大值為負(fù)載電流的 150％，最小值為負(fù)載電流的 50％。 在功率開(kāi)關(guān)管和 LC 濾波器之間可以放置一個(gè)用于提升或降低輸入電壓的變換器。使用變壓器的好處是：實(shí)現(xiàn)輸入與輸出間的電隔離，可以增加輸出電壓的組數(shù)，并且使輸出電壓不會(huì)受輸入電壓高低的限制。 圖 基本的升壓式變換器（ Boost 變換器） 升壓式變換器與正激式變換器 （ Buck