【導(dǎo)讀】開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持輸出電壓穩(wěn)定的一種電源，它和線性電源相比，具有效率高、功率密度高、可以實(shí)現(xiàn)和輸人電網(wǎng)的電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為離效節(jié)能電源M目前開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域，尤其在大功率應(yīng)用的場(chǎng)合，開(kāi)關(guān)電源具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
引言
開(kāi)關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子技術(shù)，控制開(kāi)關(guān)晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷的時(shí)間比率，維持輸出電壓穩(wěn)定的一種電源，它和線性電源相比，具有效率高、功率密度高、可以實(shí)現(xiàn)和輸人電網(wǎng)的電氣隔離等優(yōu)點(diǎn)，被譽(yù)為離效節(jié)能電源M目前開(kāi)關(guān)電源已經(jīng)應(yīng)用到了各個(gè)領(lǐng)域，尤其在大功率應(yīng)用的場(chǎng)合，開(kāi)關(guān)電源具有明顯的優(yōu)勢(shì)。
開(kāi)關(guān)電源一般由脈沖寬度控制(PWM)IC、功率開(kāi)關(guān)管、整流二極管和LC濾波電路構(gòu)成。在中小功率開(kāi)關(guān)電源中，功率開(kāi)關(guān)管可以集成在PWM控制IC內(nèi)。開(kāi)關(guān)電源按反饋方式分為電壓模式和電流模式。電流模式開(kāi)關(guān)電源因其突出的優(yōu)點(diǎn)而得到了快速的發(fā)展和廣泛的應(yīng)用。但是電流模式的結(jié)構(gòu)決定了它存在兩個(gè)缺點(diǎn):恒定峰值電流而非恒定平均電流引起的系統(tǒng)開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定:占空比大于50%時(shí)系統(tǒng)的開(kāi)環(huán)不穩(wěn)定。
本文旨在從原理上分析傳統(tǒng)電流模式的缺陷及改進(jìn)方案，之后分析一個(gè)實(shí)用的斜坡補(bǔ)償電路。
1.電流模式的原理分析
開(kāi)關(guān)電源可以有很多種結(jié)構(gòu)，但原理基本相似。圖1是電流模式降壓斬波fg(Buck)開(kāi)關(guān)電源的原理圖。它和電壓模式的主要區(qū)別是增加了電流采樣電阻R3和電流放大器IA. R3的阻值一般很小，以避免大的功耗。功率管Ql在每個(gè)周期開(kāi)始的時(shí)候開(kāi)啟并維持一段時(shí)間Ton，通過(guò)濾波電感Lo對(duì)濾波電容C。充電、同時(shí)向負(fù)載提供電流，此時(shí)Lo上電流隨時(shí)間的變化率為
電感電流到達(dá)一定值后功率管關(guān)斷，二極管D1起續(xù)流和鉗位作用。設(shè)DI的導(dǎo)通壓降為VZ，則此時(shí)
RI和R2分壓后和Vπf 比較并放大，變?yōu)樾盘?hào)VEA；同時(shí)R3兩端的壓降經(jīng)IA放大后變?yōu)樾盘?hào)VIA，當(dāng)VIA高于VEA時(shí)，相關(guān)控制電路將控制功率管關(guān)斷，從而達(dá)到調(diào)節(jié)占空比的目的。通過(guò)實(shí)時(shí)地調(diào)節(jié)占空比，輸出電壓可以穩(wěn)定在一個(gè)預(yù)先設(shè)定的值。上述工作過(guò)程的波形如圖2,實(shí)線表示連續(xù)工作模式，虛線表示不連續(xù)工作模式，其中Clock表示時(shí)鐘信號(hào)，VEA表示EA的輸出，VIA表示IA的輸出，IQ1是功率管的電流，ID1是二極管電流
電流模式由于采用了電壓一電流雙環(huán)控制顯著改善了開(kāi)關(guān)電源的性能，主要表現(xiàn)在：
① 根本消除了Push-pull開(kāi)關(guān)電源存在的磁通量失恒問(wèn)題磁通量失恒會(huì)減弱電感的承壓能力，導(dǎo)致功率管電流不斷增大并最終燒毀。電流模式在每個(gè)周期都限定功率管峰值電流，能徹底杜絕磁通量失恒.
② 電壓調(diào)整率顯著減小。當(dāng)輸人電壓波動(dòng)時(shí)圖1中的電流檢測(cè)電阻R3會(huì)立即檢測(cè)到峰值電流的變化，快速調(diào)整占空比，使輸出電壓穩(wěn)定
③ 簡(jiǎn)化了反饋電路的設(shè)計(jì)LC濾波電路在頻率達(dá)到共鳴頻率
后，相移會(huì)接近最大值180°，輸人到輸出的增益會(huì)隨著頻率的升高而迅速減小，這就增加了開(kāi)關(guān)電源反饋電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度在電流模式中，濾波電感的小信號(hào)阻抗幾乎為零，這樣就只能產(chǎn)生最大90,相移，增益隨頻率升高而下降的速度也減小為實(shí)際LC濾波電路的一半。因此反饋電路的設(shè)計(jì)可以大幅簡(jiǎn)化
后，相移會(huì)接近最大值180°，輸人到輸出的增益會(huì)隨著頻率的升高而迅速減小，這就增加了開(kāi)關(guān)電源反饋電路設(shè)計(jì)的復(fù)雜程度在電流模式中，濾波電感的小信號(hào)阻抗幾乎為零，這樣就只能產(chǎn)生最大90,相移，增益隨頻率升高而下降的速度也減小為實(shí)際LC濾波電路的一半。因此反饋電路的設(shè)計(jì)可以大幅簡(jiǎn)化④ 改善了負(fù)載調(diào)整率。在電流模式中，誤差放大器的帶寬更大，因而負(fù)載調(diào)整率更好。
2.電流模式的缺點(diǎn)
2.1恒定峰值電流引起的電感平均電流不恒定
電流模式的實(shí)質(zhì)是使電感平均電流跟隨誤差放大器輸出電壓VEA設(shè)定的值，即可用一個(gè)恒流源來(lái)代替電感，使整個(gè)系統(tǒng)由二階降為一階。但在常用的峰值電流模式中，不同的占空比會(huì)導(dǎo)致不同的電感平均電流。這可以由平均電流的計(jì)算式看出:
其中Ip是峰值電流，dl是峰值電流和最小值的差值，T是時(shí)鐘周期，ton和toff分別為功率管開(kāi)啟時(shí)間和關(guān)斷時(shí)間
如圖3所示，當(dāng)由于某種原因使輸人電壓從Vdc1變化到Vdc2，電感電流的上升沿斜率將會(huì)變化（Vdc2-Vdc1）/Lo而下降沿斜率不變.占空比將從Dl變?yōu)镈2，電感電流的平均值從Iav1變化到Iav2，這往往會(huì)導(dǎo)致輸出電壓在一段時(shí)間內(nèi)振蕩
2.2 電感擾動(dòng)電流引起的輸出振蕩
在輸入電壓不變的條件下，當(dāng)由于某種外部原因使電感上的電流在一個(gè)下降沿結(jié)束時(shí)發(fā)生小的擾動(dòng)AI，因?yàn)殡娏鞯纳仙睾拖陆笛氐男甭室约胺逯惦娏鞫疾蛔儯栽谙乱粋€(gè)周期結(jié)束后，這個(gè)擾動(dòng)電流將被放大為
其中dt為發(fā)生擾動(dòng)后導(dǎo)通時(shí)間的變化值，m1和m2分別為上升斜率和下降斜率。
從( 2)式可以看出，當(dāng)占空比小于50%時(shí)，m2<m1，△I''<△I，即一個(gè)周期后擾動(dòng)電流減弱。但是當(dāng)占空比大于50%時(shí)，m2>m1，△I''>△I，即一個(gè)周期后擾動(dòng)電流增強(qiáng)，如圖4所示。這同樣也會(huì)引起輸出電壓在一段時(shí)間內(nèi)的振蕩
3.斜坡補(bǔ)償?shù)脑矸治?/strong>
前面分析的兩個(gè)不穩(wěn)定情況實(shí)際上都是因?yàn)檎伎毡雀淖円鹆穗姼衅骄娏鞯淖兓罱K導(dǎo)致輸出電壓在一段時(shí)間內(nèi)振蕩，尤其當(dāng)占空比大于50%時(shí)更加嚴(yán)重。如果能使系統(tǒng)在占空比足夠大的時(shí)候才發(fā)生上述不穩(wěn)定現(xiàn)象，就相當(dāng)于解決了這兩個(gè)問(wèn)題。設(shè)圖1中電阻R3上的壓降為Vs，可以嘗試在Vs上疊加一個(gè)斜率為m，且在時(shí)鐘周期起點(diǎn)處等于零的電壓，則經(jīng)IA放大后相當(dāng)于在信號(hào)VIA上疊加了一個(gè)斜率為Avm的電壓。再設(shè)電感上有擾動(dòng)電流AI，經(jīng)IA放大為AvAI。由圖5可以證明，經(jīng)過(guò)一個(gè)周期后這個(gè)擾動(dòng)電流的值變?yōu)?/div>
把m1D=m2（1-D）代入（3）式得
要使擾動(dòng)電流在第一個(gè)周期就減弱，必須要有
（5）式表明，在斜坡補(bǔ)償前，占空比達(dá)到50%后系統(tǒng)就開(kāi)始不穩(wěn)定，斜坡補(bǔ)償之后，只要補(bǔ)償斜率m滿足式（5）的關(guān)系，系統(tǒng)始終是穩(wěn)定的。
由此可見(jiàn)，只要能確定電感電流下降沿的斜率m2和占空比D，就有可能設(shè)計(jì)出合適的斜坡補(bǔ)償電路，解決峰值電流控制型開(kāi)關(guān)的輸出振蕩問(wèn)題。
3.1 實(shí)際的斜坡補(bǔ)償電路分析
在電流模式PWM IC內(nèi)部集成斜坡補(bǔ)償電路要比理論分析復(fù)雜得多，因?yàn)樵诓煌瑧?yīng)用情況下，(5)式中的m2和D也會(huì)不同，所以很難對(duì)所有可能的情況作最好的補(bǔ)償。由( 5)式 可以看出，開(kāi)關(guān)電源穩(wěn)定工作時(shí)占空比D和電感電流下降沿斜率m2越大，那么它所需的斜坡補(bǔ)償?shù)牧恳簿驮酱蟆Ｔ谶B續(xù)工作模式中，D和m2都是由電路結(jié)構(gòu)決定的。而在不連續(xù)工作模式中，D是隨負(fù)載變化的量，m2是由電路結(jié)構(gòu)決定的。根據(jù)這個(gè)原理可以設(shè)計(jì)一個(gè)補(bǔ)償量隨占空比增大而增大，并且能夠適合一定范圍的m的斜坡補(bǔ)償電路，如圖6。其中Vcc是較穩(wěn)定的電壓，約為2.3V,Vosc是PWM內(nèi)部振蕩器輸出的鋸齒波，最小值和最大值分別為0.6V和1.7V, Vdrv是功率管的柵極控制信號(hào)，Iout是斜坡補(bǔ)償電流，輸出到電流采樣電阻(如圖1中的R3)的正端，從而在采樣電阻上疊加了一個(gè)電壓降，達(dá)到斜坡補(bǔ)償?shù)哪康摹?/div>
設(shè)電流采樣電阻的阻值為RS，那么疊加在該電阻上壓降的斜率為：
鉗位二極管DI、D2，分壓電阻網(wǎng)絡(luò)RI,R 2.R 3和R4共同決定了Q5, Q6和Q7的開(kāi)啟點(diǎn)當(dāng)一個(gè)時(shí)鐘周期開(kāi)始時(shí)，Vdrv由低變高，Q1管導(dǎo)通，同時(shí)Vosc從最小值開(kāi)始以一定的斜率上升Q4、Q5, Q6和Q7先后開(kāi)啟，這四個(gè)晶體管集電極電流的總和被由Q2, Q3, R9. R10構(gòu)成的比例電流鏡鏡像后輸出到Iout。
設(shè)NPN晶體管的開(kāi)啟閡值為VTn,D l和D2的正向?qū)▔航刀紴閂D, Ql的C-E結(jié)壓降近似為零，則通過(guò)兩個(gè)二極管的電流為
因此Q4, Q5. Q6. Q7的開(kāi)啟點(diǎn)分別為
其中Ib0、IQ50是Q6開(kāi)啟時(shí)的二極管和Q5的電流，Ib1、IQ51、IQ60是Q7開(kāi)啟時(shí)的二極管、Q5和Q6的電流。
Q2 的集電極電流為上述四個(gè)晶體管的集電極電流總和：
因?yàn)?Q4 ,Q5,Q 6和Q7是先后開(kāi)啟的，所以補(bǔ)償電流在時(shí)間軸上的斜率dlout/dt將隨著Vosc的增大而增大，即斜坡補(bǔ)償?shù)牧侩S占空比增大而增大。
功率管的導(dǎo)通時(shí)間結(jié)束時(shí)，Vdrv由高變低，Ql關(guān)斷，Iout隨即降為零。這樣可以減少不必要的系統(tǒng)功耗。
考慮不同應(yīng)用情況下m2的變化范圍，計(jì)算(5)式就可以確定m隨D變化的曲線，再根據(jù)電流放大器IA的增益和振蕩器鋸齒波斜率計(jì)算可得各元件的尺寸。
圖7是在選取了元件尺寸后計(jì)算機(jī)仿真波形。其中Vosc是理想化的鋸齒波，Iout是輸出的補(bǔ)償電流，IQ4、IQ5、IQ6、 IQ7分別是Q4, Q5, Q6和Q7的漏極電流，可以看到，為了在占空比小于50%的時(shí)候系統(tǒng)更加穩(wěn)定，Q4在每個(gè)周期開(kāi)始時(shí)就已經(jīng)開(kāi)啟，但是電流的斜率較小。隨著Vosc以恒定的斜率上升，將先后在t1, t2, t3時(shí)達(dá)到Q5, Q6和07的開(kāi)啟點(diǎn)。設(shè)Q4, Q5, Q6, Q7開(kāi)啟后的電流斜率分別為m4, m5, m6和m7，
設(shè)電流采樣電阻的阻值為RS，那么疊加在該電阻上壓降的斜率為：
結(jié)論
本文分析了傳統(tǒng)電流模式開(kāi)關(guān)電源的工作原理及其優(yōu)劣，從原理上解釋了電流模式在占空比大于50%后輸出不穩(wěn)定的問(wèn)題和解決的方法。在此基礎(chǔ)上本文分析了一個(gè)實(shí)用的斜坡補(bǔ)償電路結(jié)構(gòu)并詳細(xì)分析了其工作過(guò)程。通過(guò)HSPICE的仿真分析，得到了預(yù)期的結(jié)果，證明了該電路的可行性。
特別推薦
- 成本與性能的平衡：振蕩線圈技術(shù)深度解析與選型建議
- 十一月上海見(jiàn)！106屆中國(guó)電子展預(yù)登記開(kāi)啟，共探產(chǎn)業(yè)新機(jī)遇
- 清潔電器智能化升級(jí)：MCU芯片性能成差異化競(jìng)爭(zhēng)核心
- Cadence與NVIDIA強(qiáng)強(qiáng)聯(lián)合，數(shù)字孿生平臺(tái)新模型助推AI數(shù)據(jù)中心高效部署
- 偏轉(zhuǎn)線圈技術(shù)解析：從基礎(chǔ)原理到選型要?jiǎng)t的全景指南
技術(shù)文章更多>>
- 安森美破解具身智能落地難題，全鏈路方案助推機(jī)器人產(chǎn)業(yè)化
- AMD 推出 EPYC? 嵌入式 4005 處理器，助力低時(shí)延邊緣應(yīng)用
- 機(jī)電執(zhí)行器需要智能集成驅(qū)動(dòng)器解決方案以增強(qiáng)邊緣智能
- 廣東國(guó)際水處理技術(shù)與設(shè)備展覽會(huì)邀請(qǐng)函
- 電力系統(tǒng)安全守護(hù)者：消弧線圈技術(shù)深度剖析與應(yīng)用指南
技術(shù)白皮書(shū)下載更多>>
- 車(chē)規(guī)與基于V2X的車(chē)輛協(xié)同主動(dòng)避撞技術(shù)展望
- 數(shù)字隔離助力新能源汽車(chē)安全隔離的新挑戰(zhàn)
- 汽車(chē)模塊拋負(fù)載的解決方案
- 車(chē)用連接器的安全創(chuàng)新應(yīng)用
- Melexis Actuators Business Unit
- Position / Current Sensors - Triaxis Hall
熱門(mén)搜索
鋰電池
利爾達(dá)
連接器
流量單位
漏電保護(hù)器
濾波電感
濾波器
路由器設(shè)置
鋁電解電容
鋁殼電阻
邏輯IC
馬達(dá)控制
麥克風(fēng)
脈沖變壓器
鉚接設(shè)備
夢(mèng)想電子
模擬鎖相環(huán)
耐壓測(cè)試儀
逆變器
逆導(dǎo)可控硅
鎳鎘電池
鎳氫電池
紐扣電池
歐勝
耦合技術(shù)
排電阻
排母連接器
排針連接器
片狀電感
偏光片
