VXI機(jī)箱電源主功率電路反饋控制環(huán)路設(shè)計(jì)

顧 君， 門秀萍， 王 俊

（1.中國(guó)電子科技集團(tuán)公司第41研究所， 安徽 蚌埠 233006；2.安徽財(cái)經(jīng)大學(xué)管理科學(xué)與工程學(xué)院， 安徽 蚌埠 233030）

VXI總線系統(tǒng)[1]以其數(shù)據(jù)傳輸速度快、組建靈活、系統(tǒng)體積較小、性能價(jià)格比高、平均無(wú)故障時(shí)間(MTBF)長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)迅速發(fā)展起來(lái)。市場(chǎng)上最常見的是C尺寸的VXI總線系統(tǒng)，在VXI總線系統(tǒng)研制過(guò)程中，VXI機(jī)箱電源作為VXI機(jī)箱的一部分，為系統(tǒng)提供總體供電，是整個(gè)系統(tǒng)的動(dòng)力核心。C尺寸VXI機(jī)箱電源輸出電壓和輸出電流要求如表1所示。由于VXI機(jī)箱電源最大輸出功率可達(dá)1100W，最大電流輸出能力高達(dá)90A，在設(shè)計(jì)中不僅要解決低電壓、大電流、高功率和低紋波的技術(shù)難點(diǎn)，還需要解決在VXI總線儀器（模塊）熱插拔，輸入電壓以及輸出電流（負(fù)載）急劇變化時(shí)，電源反饋控制環(huán)路的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)問(wèn)題。

設(shè)計(jì)的C尺寸的VXI機(jī)箱電源主要由輸入電路、主功率電路和待機(jī)電路三部分組成。輸入電路部分包括整流濾波電路和PFC電路。整流濾波電路主要功能是將220V交流電壓經(jīng)過(guò)整流濾波變成300V的直流電壓；PFC電路是將輸入整流濾波的直流電壓經(jīng)PFC變換后變成400V的直流電壓，并改善輸入功率因數(shù)。主功率電路主要包括雙管正激變換器電路、控制電路、反饋電路和輸出電路。雙管正激變換器電路由開關(guān)管和變壓器等組成，主要完成功率變換和傳遞?？刂齐娐酚擅}寬控制器(PWM)電路以及校正器電路等電路組成，脈寬控制器(PWM)電路采用PWM控制芯片提供驅(qū)動(dòng)脈沖去控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷，將400V直流電壓變換為交變的脈沖電壓，經(jīng)變壓器隔離變換，得到所需的次級(jí)交變電壓。校正器電路主要功能是對(duì)電壓環(huán)路增益和相位進(jìn)行校正，從而完成整個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)的穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。反饋電路主要通過(guò)對(duì)主路（+5V/90A）的輸出電壓進(jìn)行采樣和負(fù)反饋后，去調(diào)節(jié)輸出占空比，從而控制開關(guān)管的導(dǎo)通和關(guān)斷。輸出部分主要包括輸出電壓的整流濾波和穩(wěn)壓電路，使其成為純凈的直流電壓，為提高輸出電壓紋波指標(biāo)，副路-2V，-5V，±12V，±24V采用磁放大器電路進(jìn)行穩(wěn)壓控制。待機(jī)電路是一個(gè)反激變換器拓?fù)浣M成的開關(guān)電源，采用TOP200YAI作為PWM控制器，不僅提供待機(jī)輸出，而且給功率控制電路提供輔助供電。

表1 C尺寸VXI機(jī)箱電源模塊輸出電壓和輸出電流要求

二、主功率電路反饋控制方案

功率電路常用控制方法有以下3種：（1）脈寬調(diào)制方法，（2）脈頻調(diào)制方法，（3）PWM 和 PFM 混合調(diào)制方法。因?yàn)閂XI機(jī)箱電源大多工作在較重負(fù)載，且要求噪聲低、效率高，綜合考慮三種控制方法的優(yōu)缺點(diǎn)，在VXI機(jī)箱電源主功率電路中采用更為廣泛的PWM控制方法作為控制方法，副路輸出采用磁放大器后級(jí)穩(wěn)壓，降低輸出紋波和噪聲。要依靠上述的PWM控制方法獲得穩(wěn)定的直流輸出，除了設(shè)計(jì)相應(yīng)的控制電路外，還需要引入反饋環(huán)路。常用的反饋方法有正反饋和負(fù)反饋兩種，由于正反饋在控制時(shí)，反饋控制環(huán)路得不到收斂，無(wú)法穩(wěn)定，所以在功率電路的設(shè)計(jì)中不采用正反饋，而是采用負(fù)反饋。功率電路中一般包括兩個(gè)基本的反饋控制環(huán)路：電壓反饋控制環(huán)路（簡(jiǎn)稱電壓環(huán)路）和電流反饋控制環(huán)路（簡(jiǎn)稱電流環(huán)路）。電流型PWM控制環(huán)路是在傳統(tǒng)的電壓型PWM控制環(huán)路的基礎(chǔ)上，引入電流反饋控制環(huán)路，將原來(lái)的電壓?jiǎn)苇h(huán)控制改進(jìn)為電壓、電流雙環(huán)控制，即一個(gè)電流內(nèi)環(huán)控制和一個(gè)電壓外環(huán)控制，以提高功率電路的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。由于VXI機(jī)箱電源主功率電路對(duì)反饋控制環(huán)路的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性有較高的要求，在設(shè)計(jì)中選用電流型PWM控制方法。本文的VXI機(jī)箱電源主功率電路反饋控制環(huán)路如圖1所示。

圖1 VXI機(jī)箱電源主功率電路反饋控制環(huán)路

三、主功率電路反饋控制環(huán)路參數(shù)計(jì)算

VXI機(jī)箱電源主功率電路的反饋控制環(huán)路由脈寬調(diào)制器、反饋網(wǎng)絡(luò)、輸出LC濾波器和校正器所組成。本文的主功率電路的工作頻率f為100kHz，則T為10μS，取穿越頻率fco為20kHz，共由7路電壓輸出，其中主路輸出電壓5V采用閉環(huán)控制，其它副路6路電壓采用開環(huán)輸出，用磁放大器對(duì)副路電壓進(jìn)行穩(wěn)壓調(diào)整，本文以主路輸出電壓5V，最大輸出電流Iomax=90A，紋波電壓Vo’要求小于50mV（本文取Vo’=20mV）為例，分別對(duì)脈寬調(diào)制器、反饋網(wǎng)絡(luò)、輸出LC濾波器和校正器的增益裕量和相位裕量進(jìn)行反饋控制環(huán)路設(shè)計(jì)。

（一）脈寬調(diào)制器

本文采用安圣美半導(dǎo)體公司的電流控制型脈寬調(diào)制器UC3845作為主功率電路控制核心，具有高達(dá)500kHz的開關(guān)頻率、大圖騰柱輸出電流等特性，是驅(qū)動(dòng)功率場(chǎng)效應(yīng)管的理想器件，其最大輸出占空比為0.5，由于主路輸出電壓為5V，輸出電流高達(dá)90A，則輸出電流取樣電阻Rs取為0.001Ω，采用10個(gè)0.01Ω的3W電阻并聯(lián)，變壓器次級(jí)電壓VSP一般取11V，由文獻(xiàn)[2]可得，脈寬調(diào)制器增益Gm為：

（二）電壓反饋網(wǎng)絡(luò)

對(duì)于UC3845，其電壓誤差放大器的參考電壓為2.5V，而輸出電壓是5V，故反饋電阻R3=R4，R3、R4取3.24kΩ。所以電壓反饋網(wǎng)絡(luò)的增益GS=-6dB。

（三）輸出LC濾波器

首先，根據(jù)設(shè)計(jì)要求計(jì)算出輸出濾波電感L和輸出濾波電容C的值，同時(shí)畫出輸出濾波器的增益特性曲線。本文輸出LC濾波器的等效電路如圖2所示。

圖2 LC濾波器等效電路

從上面等效電路可知，LC輸出濾波器的傳遞函數(shù)為：

其次，將LC濾波器增益與脈寬調(diào)制器增益和反饋網(wǎng)絡(luò)增益相加，即：Gt=GLC+Gm+GS，則整個(gè)Gt的增益如圖3所示。

圖3 整個(gè)控制系統(tǒng)的開環(huán)增益曲線

在理想情況下，LC濾波電路的最大相位滯后180°，由于濾波電容存在等效串聯(lián)電阻Re，在fe處的零點(diǎn)使穿越頻率fco的相位滯后為：

（四）校正器

通過(guò)前面的計(jì)算、分析可知Gt在穿越頻率fco處的增益不等于零，因此若不增加校正器則該反饋控制環(huán)路系統(tǒng)不穩(wěn)定。在自動(dòng)控制原理[3]中，有三種常用的校正裝置（校正器）：（1）串聯(lián)超前校正器；（2）串聯(lián)滯后校正器；（3）串聯(lián)滯后-超前校正器。由于本文中所用的輸出濾波電容不是零等效串聯(lián)電阻的電容（Re≠0），而且在穿越頻率fco的相位滯后為93.5°，串聯(lián)超前校正器只有63.5°的相位調(diào)節(jié)空間，而串聯(lián)滯后校正器有236.5°的相位調(diào)節(jié)空間，為了使反饋控制環(huán)路系統(tǒng)穩(wěn)定，我們使用的具有滯后相角的校正器來(lái)實(shí)現(xiàn)相位校正，其等效電路如圖1所示，其傳遞函數(shù)如式（1）所示。校正器的增益曲線（幅頻曲線）如圖3所示。在圖3中，Gt在穿越頻率fco處的增益是-27.2dB，則誤差放大器在穿越頻率fco處的增益必須為27.2dB。由20logK=27.2，可得：K=22.9。誤差放大器增益曲線的水平部分（從fz到fp頻率段）的增益為R2/R1，如果R1取為1kΩ，則R2取為 11.7kΩ（實(shí)際取 11.5kΩ）。

同理：

校正器的總的相位滯后（θT）由三部分組成，誤差放大器反相輸入引起的180°相位滯后，初始極點(diǎn)fp0引起的90°相位滯后以及零點(diǎn)fz引起的相位超前和極點(diǎn)fp引起的相位滯后。具體計(jì)算公式如下：

由于 K=4，故：θT=208°。

整個(gè)反饋控制環(huán)路開環(huán)增益和相位裕量分析：

將曲線Gt與校正器的增益曲線相疊加，得到整個(gè)反饋控制環(huán)路的增益曲線如圖3中ABCDE折線所示，從圖中可以看出開環(huán)穿越頻率fco處所處的中頻段的斜率為-20dB/dec，而且保證了中頻段有足夠的寬度。整個(gè)反饋控制環(huán)路的相位裕量為：360°-93.5°-208°=58.5°，故相位裕量滿足設(shè)計(jì)要求。因此該反饋控制環(huán)路穩(wěn)定。

四、主功率電路反饋控制環(huán)路試驗(yàn)驗(yàn)證

為了進(jìn)行VXI機(jī)箱電源的反饋控制環(huán)路的設(shè)計(jì)驗(yàn)證和優(yōu)化，特別穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能，設(shè)計(jì)過(guò)程中在樣機(jī)上做了大量的試驗(yàn)（包含常溫和高、低溫等試驗(yàn)），本文分別給出了以下兩個(gè)代表性的常溫試驗(yàn)：

（一）在輸入電壓從低端變化到輸入電壓高端，以及負(fù)載在空載、半載和滿載情況下，用示波器測(cè)試主路輸出電壓5V的輸出紋波和噪聲，來(lái)測(cè)試主功率電路反饋控制環(huán)路的穩(wěn)定性。

（二）通過(guò)切換輸出負(fù)載從10%到90%負(fù)載以及90%到10%負(fù)載來(lái)測(cè)試VXI機(jī)箱電源主路輸出電壓5V的輸出波形來(lái)觀察主路5V輸出電壓的動(dòng)態(tài)響應(yīng)性能。

圖4是VXI機(jī)箱電源的主路輸出電壓5V在輸入電壓和輸出負(fù)載變化情況下的輸出噪聲和紋波測(cè)試波形，示波器每格為20mV，輸出噪聲約為25mV，輸出紋波約為10mV，由測(cè)試波形可得，主路輸出電壓5V在上述變化下均沒有出現(xiàn)振蕩現(xiàn)象，反饋控制環(huán)路穩(wěn)定。

圖5a是VXI機(jī)箱電源在負(fù)載從10%到90%切換時(shí)5V輸出電壓波形，圖5b是VXI機(jī)箱電源在負(fù)載從90%到10%切換時(shí)5V輸出電壓波形，當(dāng)負(fù)載進(jìn)行切換時(shí)，輸出電壓在1ms以內(nèi)就已經(jīng)恢復(fù)到5V±0.3V，故反饋控制環(huán)路動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快，而且在負(fù)載變化時(shí)反饋控制環(huán)路系統(tǒng)穩(wěn)定。

五、總結(jié)

圖4 主路輸出電壓5V的噪聲和紋波

圖5 a 負(fù)載從10%到90%切換時(shí)5V波形圖

圖5 b 負(fù)載從90%到10%切換時(shí)5V波形

本文以VXI機(jī)箱電源主功率電路反饋控制環(huán)路為主要研究對(duì)象。設(shè)計(jì)中介紹了一種C尺寸的VXI機(jī)箱電源的輸出電壓和輸出電流要求，并給出VXI機(jī)箱電源總體方案，通過(guò)對(duì)主功率電路的控制方案和反饋方案進(jìn)行選擇，選取電流型PWM控制方案作為主功率電路反饋控制設(shè)計(jì)方案，并進(jìn)行反饋控制環(huán)路參數(shù)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)驗(yàn)證。結(jié)果表明，主功率電路反饋控制環(huán)路穩(wěn)定。

參考文獻(xiàn)：

[1]李 智.VXI總線軍用發(fā)動(dòng)機(jī)自動(dòng)測(cè)試系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)[J].電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)，1997，17（1）：1-6.

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