電流模式反激電源的環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)

杭州電子科技大學(xué) 韓 標(biāo) 張海鵬

電流模式反激電源的環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)

杭州電子科技大學(xué) 韓 標(biāo) 張海鵬

開關(guān)電源的反饋網(wǎng)絡(luò)對電源的靜態(tài)性能和動態(tài)性能有著至關(guān)重要的的作用。而反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)是電源設(shè)計(jì)的關(guān)鍵。文中利用TL431結(jié)合光耦器件構(gòu)成電源的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，通過反激式開關(guān)電源的小信號傳遞函數(shù)，對電源的環(huán)路補(bǔ)償作了定量計(jì)算。通過環(huán)路的穩(wěn)定條件，設(shè)計(jì)了合理的相位裕量，截止頻率。并制作實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，驗(yàn)證了電源的穩(wěn)定。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明所設(shè)計(jì)的反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)能夠較好的提高系統(tǒng)的性能。

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)；TL431；反激式電源；相位裕量

引言

電流控制模式的反激開關(guān)電源通過負(fù)反饋控制來保證電源在負(fù)載或輸入變化時保持穩(wěn)定，同時減小靜態(tài)誤差和具有較快的響應(yīng)速度。負(fù)反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)通常有運(yùn)算放大器，跨導(dǎo)放大器或TL431結(jié)合光耦器件構(gòu)成。本文以O(shè)B2263為PWM控制芯片，用TL431結(jié)合光耦組成反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，既能調(diào)節(jié)電源的動態(tài)響應(yīng)，也能實(shí)現(xiàn)隔離的作用。PWM芯片通過檢測反饋信號來調(diào)節(jié)占空比從而使輸出穩(wěn)定。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以提高低頻增益，設(shè)置合理的開環(huán)穿越頻率來調(diào)節(jié)電源系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。

1.系統(tǒng)傳遞函數(shù)

1.1 環(huán)路穩(wěn)定性要求

第一，穿越頻率處的相位裕量大于45度[1]。第二，系統(tǒng)幅值在穿越頻率處以-20dB/dec下降[2]。第三，根據(jù)采樣定理截止頻率至少要小于開關(guān)頻率的一半。第四，由于連續(xù)模式反激電源存在右半平面零點(diǎn)，該零點(diǎn)很難補(bǔ)償，所以要保證截止頻率低于右半平面零點(diǎn)頻率。根據(jù)以上幾點(diǎn)要求進(jìn)行設(shè)計(jì)可滿足當(dāng)負(fù)載或輸入突變時輸出電壓的穩(wěn)定。

1.2 系統(tǒng)網(wǎng)絡(luò)

開關(guān)電源的控制模式可分為電壓型和電流型兩種[3]?？刂品绞降牟煌瑫?dǎo)致系統(tǒng)的傳遞函數(shù)會有很大的不同。本文采用電流型控制方式。采用電流模式控制相當(dāng)于在電壓環(huán)路內(nèi)引入超前補(bǔ)償，其突出優(yōu)點(diǎn)是具備逐個周期限流保護(hù)功能。

圖1 峰值電流控制雙閉環(huán)控制系統(tǒng)

圖2 等效峰值電流閉環(huán)控制系統(tǒng)

如圖1為反激變換器峰值電流控制雙閉環(huán)控制系統(tǒng)的原理圖，圖2是將圖1中開關(guān)變換器和峰值電流控制器等效為等效功率級Gvc(s)后的控制系統(tǒng)原理圖。采用電流型控制模式，由文獻(xiàn)[4]其傳遞函數(shù)為式(1)。其中n為反激變換器一次側(cè)與二次側(cè)匝比，L為一次側(cè)電感量，Ro為輸出電阻，C為輸出濾波電容，Rc為輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻，Rsense為電流檢測電阻，D為占空比。

式(2)是反激變換器存在的一個右半平面零點(diǎn)frz，與普通零點(diǎn)不同的是，在過該零點(diǎn)處以后，增益斜率增加20dB/dec，但相位確是滯后90度。右半平面零點(diǎn)很難補(bǔ)償，經(jīng)常將穿越頻率設(shè)在小于該零點(diǎn)頻率。

2.補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

圖3采用PC817與TL431結(jié)合進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)。其傳遞函數(shù)為式(3)。CTR是PC817的電流傳輸比為0.8，Rup為OB2263上拉電阻約為6kΩ，Rled為PC817二極管的限流電阻，Rbias是偏置電阻。有式可知，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)存在一個初始極點(diǎn)，C2和Rup形成一個極點(diǎn)，R1和Rlow為分壓電阻，同時R1與C1形成一個零點(diǎn)可補(bǔ)償功率級的極點(diǎn)。Rup與C2形成一個極點(diǎn)，將該極點(diǎn)頻率設(shè)置高于穿越頻率來抑制高頻信號，提高幅值裕度。

圖3 PC817與TL431補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

3.設(shè)計(jì)實(shí)例

3.1 功率級設(shè)計(jì)

應(yīng)用圖3補(bǔ)償結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一個90V-260V交流輸入，12V/1A直流輸出的樣機(jī)。其參數(shù)如下：開關(guān)頻率：50kHz，初級匝數(shù)：122，次級匝數(shù)：20，匝比n=6，初級電感量：L=2.5mH，電流檢測電阻Rsense=1.5Ω，輸出電容：470μF，輸出電容等效串聯(lián)電阻Rc=60mΩ，最大占空比D=0.48。由圖4分別是輸入電壓最大和最小時的增益波特圖，從圖中可知輸入電壓越小，右半平面零點(diǎn)頻率越低，系統(tǒng)越趨向于不穩(wěn)定。由式(2)可知，在重載時右半平面零點(diǎn)比輕載時的低。低的右半平面零點(diǎn)更趨向于不穩(wěn)定，因此應(yīng)在最低輸入電壓下和重載情況下設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，若此時滿足穩(wěn)定條件，其他情況也就能穩(wěn)定運(yùn)行。

圖4 輸入電壓最大最小時功率級增益

圖5是輸入電壓最小，負(fù)載滿載情況下功率級的傳遞函數(shù)波特圖。由圖5可知功率級直流增益為24.7dB，右半平面零點(diǎn)頻率frz=15kHz?？砂验_環(huán)穿越頻率fc設(shè)在frz/5處[5]，此時fc=3kHz，此處的增益為-14dB，α(fc)=-65度。則補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在fc處的增益要為14dB。由于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)本身會有270度的相位滯后，故補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)要在穿越頻率處至少提升20度。

圖5 功率級傳遞函數(shù)波特圖

由Venable的K因子算法補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)極點(diǎn)頻率fp與穿越頻率fc的比值和穿越頻率fc與補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)零點(diǎn)頻率fz的比值相等[6]。式（4）可求得K=2.15，其中為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)要提升的相位。同時可以確定補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)零極點(diǎn)的位置，零點(diǎn)Fz=fc/k=1.43kHz，極點(diǎn)fp=k*fz=6.58kHz。其中是補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在穿越頻率處要提升的相位。

在R1與Rlow構(gòu)成的分壓網(wǎng)絡(luò)中，由于TL431的參考電壓為2.5V，令Rlow=10kΩ，則R1=38kΩ。由式（2）和式（3）可求的Rled=960Ω，C1=1/(2πR1fz)=2.9nF，C2=1/(2πRupfp)=4nF。為保證TL431最小1mA的工作電流，取Rbias=1.2/1mA=1.2kΩ。圖6為功率級補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和補(bǔ)償后的開環(huán)波特圖。由圖6可得到補(bǔ)償后的穿越頻率為3.1kHz，相位裕量為49度。

圖6 功率級補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和補(bǔ)償后的開環(huán)波特圖

圖7 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)仿真波特圖

圖8 負(fù)載跳變時輸出電壓變化

圖7為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)仿真波特圖，從圖7中可看出在穿越頻率3kHz時相位提升20度，增益為14dB。此時開環(huán)增益剛好為0dB，相位裕量約為45度。同時具有較高的低頻增益以減小靜態(tài)誤差。圖8是當(dāng)輸出負(fù)載在5毫秒從1歐姆突變到10歐姆的輸出電壓變化，從圖8中可以看出輸出電壓會很快調(diào)整到12V設(shè)計(jì)的電壓。穩(wěn)定時輸出電壓紋波峰峰值小于200mV。

4.測試結(jié)果

表1是在滿載和空載條件下測試的輸出電壓和負(fù)載調(diào)整率。從測試結(jié)果可以看出輸出負(fù)載變化時，輸出電壓能夠保持穩(wěn)定，同時具有較高的負(fù)載調(diào)整率。

表1 輸出測試表

5.結(jié)論

反激式電源采用圖3所示的PC817與TL431結(jié)合的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，既能提高系統(tǒng)低頻增益又可以調(diào)節(jié)系統(tǒng)的動態(tài)響應(yīng)。通過合理的設(shè)計(jì)保證電源系統(tǒng)的相位裕量。經(jīng)測試電源輸出電壓穩(wěn)定且具有較快的負(fù)載動態(tài)響應(yīng)。

[1]C.Basso.Transient Response Counts When choosing Phase Margin[J].Power Electronics and Technology,2008(11).

[2][美]馬尼克塔拉.精通開關(guān)電源設(shè)計(jì)[M].王志強(qiáng)譯.北京:人民郵電出版社,2015.1.

[3]徐德鴻.電力電子系統(tǒng)建模及控制[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,2005.11.

[4]Erickson R W,Dragan M.Fundamentals of Power Electronics Second Edition[M] New York(NY,USA):Springer, 2001.1.

[5]Ramond B R,Cho B H,Fred C Y L. Analysis and interpretaion of loop gains of multiloop-controlled switching regulators[J] IEEE Transactions on Power Electronics,1988,3(4),489-498.

[6]VanYang.峰值電流模式下連續(xù)電流DC_DC轉(zhuǎn)換器建模及環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)[J].中國集成電路,2016(11)50.

韓標(biāo)（1992—），男，安徽亳州人，碩士研究生，現(xiàn)就讀于杭州電子科技大學(xué)，主要研究方向?yàn)殡娏﹄娮印?/p>

張海鵬（1973—），男，遼寧朝陽人，博士，副教授，現(xiàn)供職于杭州電子科技大學(xué)，主要研究方向?yàn)槲㈦娮优c固體電子學(xué)。