畢業(yè)論文--開關(guān)電源設(shè)計(jì)

1、<p><b>　　摘 要</b></p><p>　　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(shì)。</p><p>　　開關(guān)電源的穩(wěn)定性直接影

2、響著電子產(chǎn)品的工作性能,誤差放大器是直流開關(guān)電源系統(tǒng)中電壓控制環(huán)路的核心部分，其性能優(yōu)劣直接影響著整個(gè)直流開關(guān)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性，因而對(duì)高性能誤差放大器的分析是本論文的主要研究目標(biāo)。本文誤差放大器的分析基于Buck型DC-DC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(duì)該款Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)電壓控制環(huán)路進(jìn)行小信號(hào)分析,并對(duì)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。最后基于系統(tǒng)級(jí)來分析誤差放大器。&l

3、t;/p><p>　　關(guān)鍵詞：開關(guān)電源；Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器；誤差放大器。 </p><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Due to their merits of wide input range, high efficiency, small in size and light in weight ect,

4、 switching power supplies are gaining more and more application areas in today’s modern world, ranging from domestic equipments to sophisticated communication and data handling systems, especially in portable devices, th

5、ey have unsurpassable advantages.</p><p>　　The rapid development of products in corresponding application areas requires the power supplies to have better performances. The robustness of switch—mode power su

6、pplies directly affect the performance of electronic devices. As one of the most important parts of switched mode DC to DC converters, error amplifier has significant influences on the voltage control loop’s stability. T

7、hus this paper focuses on the design of high performance error amplifier for DC-DC converters based on system requir</p><p>　　Key words：Switching power; Buck DC-DC Converter; Error Amplifier.</p>&l

8、t;p><b>　　目 錄</b></p><p><b>　　摘 要I</b></p><p>　　AbstractII</p><p><b>　　1. 諸 論1</b></p><p><b>　　1.1 引言1</b></p

9、><p>　　1.2 本文研究的目的與意義1</p><p>　　1.3 本論文主要研究內(nèi)容1</p><p>　　2. 開關(guān)電源基礎(chǔ)及其類型2</p><p>　　2.1 開關(guān)電源基礎(chǔ)理論2</p><p>　　2.1.1開關(guān)電源基本工作原理2</p><p>　　2.1.2開關(guān)

10、電源的組成2</p><p>　　2.1.3開關(guān)電源的各種分類3</p><p>　　2.2 開關(guān)電源典型結(jié)構(gòu)[6]4</p><p>　　2.3 DC-DC變換器7</p><p>　　2.3.1Buck變換器8</p><p>　　3.3.2Boost變換器10</p><p&g

11、t;　　3. Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器及其控制方式分析12</p><p>　　3.1 Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器12</p><p>　　3.2 Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器及其控制方式13</p><p>　　3.2.1Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器工作原理13</p><p>　　3.2.2Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制方式

12、14</p><p>　　3.2.3Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器工作模式18</p><p>　　3.3 環(huán)路控制中誤差放大器的重要作用18</p><p>　　4. 開關(guān)電源管理電路系統(tǒng)分析19</p><p>　　4.1 Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器19</p><p>　　4.2 開關(guān)電源控制環(huán)路的

13、分析研究20</p><p>　　4.2.1Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性分析20</p><p>　　4.2.2Buck型轉(zhuǎn)換器電壓環(huán)路控制模型21</p><p>　　5. 誤差放大頻率特性及其補(bǔ)償策略27</p><p>　　5.1 控制電路的頻率響應(yīng)分析27</p><p>　　5.1.1頻率響

14、應(yīng)27</p><p>　　5.1.2開關(guān)電源輸出濾波電路分析28</p><p>　　5.2 開關(guān)電源中負(fù)反饋及自激振蕩分析30</p><p>　　5.2.1負(fù)反饋?zhàn)约ふ袷?0</p><p>　　5.2.2誤差放大電路穩(wěn)定分析30</p><p>　　5.3 補(bǔ)償誤差放大器及頻率校正策略32<

15、;/p><p>　　5.3.1I類補(bǔ)償誤差放大器32</p><p>　　5.3.2Ⅱ類補(bǔ)償誤差放大器32</p><p>　　5.3.3Ⅲ型補(bǔ)償誤差放大器34</p><p>　　6. 閉環(huán)設(shè)計(jì)中誤差放大器的分析與研究36</p><p>　　6.1 閉環(huán)控制系統(tǒng)中的誤差放大分析36</p>

16、<p>　　6.2 環(huán)路增益38</p><p>　　6.2.1帶有LC濾波電路的環(huán)路增益38</p><p>　　6.2.2PWM增益39</p><p>　　6.2.3取樣增益－反饋系數(shù)40</p><p>　　6.2.4輸出LC濾波器的總增益40</p><p>　　6.3 誤差放大器的特

17、性分析40</p><p>　　6.3.1誤差放大器的幅頻特性整形40</p><p>　　6.3.2誤差放大器的傳遞函數(shù)、極點(diǎn)和零點(diǎn)42</p><p>　　6.3.3零點(diǎn)、極點(diǎn)和頻率增益斜率變化43</p><p>　　6.4 誤差放大器零點(diǎn)、極點(diǎn)的分析與計(jì)算43</p><p>　　6.4.1Ⅱ型誤差

18、放大器零點(diǎn)和極點(diǎn)分析43</p><p>　　6.4.2采用Ⅲ型誤差放大器及其傳遞函數(shù)45</p><p>　　6.4.3Ⅲ型誤差放大器的相位滯后分析45</p><p>　　6.4.4Ⅲ型誤差放大器零點(diǎn)和極點(diǎn)計(jì)算46</p><p>　　6.5 反饋環(huán)路條件穩(wěn)定探討47</p><p><b>

19、　　結(jié) 論49</b></p><p><b>　　致 謝50</b></p><p><b>　　參考文獻(xiàn)51</b></p><p><b>　　1. 諸 論</b></p><p><b>　　1.1 引言</b></p&

20、gt;<p>　　隨著電力電子及電子技術(shù)的迅猛發(fā)展，開關(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。不同的電子設(shè)備對(duì)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(duì)電源體積、可靠性等的要求各不相同，這就對(duì)開關(guān)電源的管理電路提出了很高的要求。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DC-DC開關(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

21、，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)速度方面來分析研究誤差放大電路。</p><p>　　1.2 本文研究的目的與意義</p><p>　　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(gè)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性能密切相關(guān)。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

22、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。</p><p>　　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。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

23、能好壞直接影響到開關(guān)變換器系統(tǒng)的性能，因而對(duì)開關(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DC-DC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(duì)電源系統(tǒng)的影響。</p><p>　　1.3 本論文主要研究內(nèi)容</p><p>　　本論文主要工作是開關(guān)電源控制電路誤差放大的分析

24、與研究，首先對(duì)開關(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DC-DC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。</p><p>　　2. 開關(guān)電源基礎(chǔ)及其類型</p><p>　　2.1 開關(guān)電源基礎(chǔ)理論</p><p>　　開關(guān)電源是利用現(xiàn)代電力電子

25、技術(shù)，控制開關(guān)晶體管開通和關(guān)斷的時(shí)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。開關(guān)晶體管的控制電路調(diào)節(jié)著能量傳輸過程，使輸出信號(hào)保持恒定。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(shí)，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。</p><p>　　2.1.1開關(guān)電源基本工作原理</

26、p><p>　　開關(guān)電源的工作原理可以用圖2.1進(jìn)行說明。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(gè)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(shí)間，就能把輸入的直流電壓Ui變成矩形脈沖電壓。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] 。</p><p>　　圖2.1 開關(guān)電源的工作原理</p><p&g

27、t;　　為方便分析開關(guān)電源電路，定義脈沖占空比如下：</p><p><b>　　式（2-1）</b></p><p>　　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：</p><p><b>　　式（2-2）</b></p><p>　　由式(2-1)和式2-2)可以看出，若開關(guān)周期了

28、T一定，改變開關(guān)S的導(dǎo)通時(shí)間TON。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。</p><p>　　2.1.2開關(guān)電源的組成</p><p>　　開關(guān)電源的基本組成如圖2.2所示。其中DC-DC變換器用以進(jìn)行功率變換，它是開關(guān)電源的核心部分；驅(qū)動(dòng)器是開關(guān)信號(hào)的放大部分，對(duì)來自信號(hào)源的開關(guān)信號(hào)進(jìn)行放大和整形，以適應(yīng)開關(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)由它激或自激電路產(chǎn)生，可以

29、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，控制開關(guān)信號(hào)的幅值、頻率、波形等，通過驅(qū)動(dòng)器控制開關(guān)器件的占空比，以達(dá)到穩(wěn)定輸出電壓值的目的。除此之外，開關(guān)電源還有輔助電路，包括啟動(dòng)、過流過壓保護(hù)、輸入濾波、輸出采樣、功能指示等電路[3]。</p><p>　　圖2.2 開關(guān)電源的基本組成</p><p>　　開關(guān)電源系統(tǒng)一般包括兩大模塊，第一個(gè)模塊是功

30、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型的開關(guān)電源變換器。第二個(gè)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。</p><p>　　2.1.3開關(guān)電源的各種分類</p><p>　　開關(guān)

31、電源種類繁多，根據(jù)開關(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“硬開關(guān)”和“軟開關(guān)”和“硬開關(guān)”中功率開關(guān)管按外加控制脈沖而通斷，控制與本身流過的電流、二端所加的電壓無關(guān)。凡用控制方法使功率開關(guān)管在其兩端電壓為零時(shí)導(dǎo)通電流，或使流過功率開關(guān)管電流為零時(shí)關(guān)斷，此開關(guān)稱為“軟開關(guān)”。軟開關(guān)的開通、關(guān)斷損耗理想值為零。</p><p>　　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

32、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。凡用脈寬調(diào)制方式控制電子開關(guān)的開關(guān)變換器，稱為PWM開關(guān)變換器，它是以使用“硬開關(guān)”為主要特征的。</p><p>　　根據(jù)DC-DC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。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。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

33、器與控制信號(hào)隔離。若按激勵(lì)形式不同，可分為自激式和他激式兩種。自激式包括單管式變換器和推挽式變換器兩種。他激式包括調(diào)頻、調(diào)寬、調(diào)幅、諧振等幾種。目前應(yīng)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。若按拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)來分常見的多達(dá)十幾種，最常用的有以下六種拓?fù)洌築uck、Boost、Buck-Boost、Cuk、Sepic和Zeta[11]。</p><p>　　2.2 開關(guān)電源典型結(jié)構(gòu)[4]<

34、;/p><p>　　2.2.1串聯(lián)開關(guān)電源結(jié)構(gòu) </p><p>　　如圖2.3所示。開關(guān)元件即功率開關(guān)晶體管VT串聯(lián)在輸人與輸出之間。正常工作時(shí)，功率開關(guān)晶體管VT在開關(guān)脈沖信號(hào)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。輸入不穩(wěn)定的直流電壓通過功率開關(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 。</p>

35、;<p>　　圖2.3串聯(lián)開關(guān)電源原理圖</p><p>　　輸入交流電壓或負(fù)載電流的變化，會(huì)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。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設(shè)備的電源電路中已較少采用串聯(lián)開關(guān)電源，而更多的是采用并聯(lián)

36、開關(guān)電源。</p><p>　　2.2.2并聯(lián)開關(guān)電源結(jié)構(gòu)</p><p>　　如圖2.4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</p><p><b>　　式（2-3）</b></p><p>　　如圖電路中有一個(gè)儲(chǔ)能電感，適當(dāng)利用這個(gè)儲(chǔ)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

37、并聯(lián)開關(guān)電源。功率開關(guān)管VT與開關(guān)變壓器初級(jí)線圈相串聯(lián)接在電源供電輸入端，功率開關(guān)管VT在開關(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)過取樣電路后將得到的取樣電壓與基準(zhǔn)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關(guān)管VT，來控制功率開關(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。由于采用變壓

38、器耦合，因此變壓器的初、次級(jí)可以相互隔離，從而使初級(jí)側(cè)電路地與次級(jí)側(cè)電路地分開，做到次級(jí)側(cè)電路地不帶電，使用安全。</p><p>　　圖2.4并聯(lián)開關(guān)電源原理圖</p><p>　　2.2.3正激開關(guān)電源結(jié)構(gòu)</p><p>　　正激開關(guān)電源是一種采用變壓器耦合的降壓型開關(guān)穩(wěn)壓電源，其電路如圖2.5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

39、VT導(dǎo)通時(shí)間TON為開關(guān)脈沖寬度，變壓器次級(jí)側(cè)開關(guān)脈沖電壓經(jīng)二極管V1整流變?yōu)橹绷鳌?lt;/p><p>　　圖2.5正激開關(guān)電源結(jié)構(gòu)</p><p>　　正激開關(guān)電源電路正激開關(guān)電源的特點(diǎn)是，當(dāng)初級(jí)側(cè)的功率開關(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)功率開關(guān)管VT斷開時(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

40、到電源輸入端。</p><p>　　2.2.4反激開關(guān)電源結(jié)構(gòu)</p><p>　　如圖2.6所示。當(dāng)功率開關(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)載沒有電流流過。當(dāng)功率開關(guān)晶體管VT斷開時(shí)，變壓器次級(jí)繞組以輸出電壓U0為負(fù)載供電，并對(duì)變壓器進(jìn)行消磁。</p><p>　　圖2.6反激開關(guān)電源結(jié)

41、構(gòu)</p><p>　　反激開關(guān)電源電路簡單，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以下的開關(guān)電源中。</p><p>　　2.2.5半橋開關(guān)電源結(jié)構(gòu)</p><p>　　如圖2.7所示。兩個(gè)功率開關(guān)管VT1和VT2在開關(guān)脈沖信號(hào)的作用下，交替地導(dǎo)通與截止。當(dāng)開關(guān)管VT1導(dǎo)通、VT2截止時(shí)，輸入電壓Ui經(jīng)VT1變壓器初級(jí)繞組N1

42、和電容C2為變壓器初級(jí)線圈N1勵(lì)磁，同時(shí)經(jīng)次級(jí)側(cè)二極管V1,繞組N2給負(fù)載供電。當(dāng)開關(guān)管VT1截止、VT2導(dǎo)通時(shí)，輸入電源經(jīng)C1、變壓器初級(jí)側(cè)繞組N1和開關(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。所以,初級(jí)側(cè)電源通過功率開關(guān)管VT1、V2交替給變壓器初級(jí)線圈N1勵(lì)磁并為負(fù)載供電。變壓器初級(jí)側(cè)的脈沖電壓峰值為Ui/2。</p><p>　　圖2.7 半橋開關(guān)電源電路及波形</p&g

43、t;<p>　　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VT1、VT2的導(dǎo)通時(shí)問不一致而產(chǎn)生磁飽和現(xiàn)象，使功率開關(guān)管VT1、VT2損壞?？梢云鸬阶云胶鈱?duì)稱作用。</p><p>　　2.2.6全橋開關(guān)電源結(jié)構(gòu)</p><p>　　如圖2.8所示。由4個(gè)功率開關(guān)管VT1、VT2、VT3、VT4組成一個(gè)電橋形式的電路，其中，由VT1與VT4、VT2與VT3分別組成兩

44、個(gè)導(dǎo)通回路。當(dāng)VT2、VT3的觸發(fā)控制信號(hào)有效時(shí)，VT1、VT4的觸發(fā)控制信號(hào)無效，VT2、VT3導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓Ui經(jīng)VT2變壓器的初級(jí)線圈N1和VT3形成電流回路，加至變壓器初級(jí)線圈的電壓為電源電壓Ui，并經(jīng)次級(jí)側(cè)二極管V1整流、濾波后為負(fù)載供電。同理，當(dāng)VT2、VT3關(guān)斷,VT1、VT4導(dǎo)通時(shí)，輸入電壓Ui從和VT2、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

45、Up所示的脈沖波形。</p><p>　　圖2.8 全橋開關(guān)電源電路及波形</p><p>　　與半橋開關(guān)電源相比，由于加在全橋變壓器初級(jí)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。全橋開關(guān)電源常用在輸出功率較大的場合。</p><p>　　2.3 DC-DC變換器</p>

46、<p>　　可以將DC-DC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。Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器作為開關(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，它通過控制開關(guān)晶體管開通和關(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)電路能量傳輸過程，使輸出信號(hào)保持恒定[10]。</p><p>　　本論文主要研究的是Buck型DC-DC變換

47、器，因?yàn)樵擃愞D(zhuǎn)換器在便攜式電子產(chǎn)品中比較常見。Buck型DC-DC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2.9所示。主電路也稱功率級(jí)，用于完成電能的轉(zhuǎn)換和傳輸，對(duì)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(chǔ)能電感、濾波電容和負(fù)載?？刂齐娐酚糜诳刂浦麟娐返墓ぷ鳡顟B(tài)，通過調(diào)節(jié)開關(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。</p>

48、<p>　　圖2.9開關(guān)型DC-DC轉(zhuǎn)換器框圖</p><p>　　開關(guān)型DC-DC轉(zhuǎn)換器主電路最常見的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)有Buck型、Boost型和Buck-Boost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。</p><p>　　每種結(jié)構(gòu)的輸入輸出電壓大小和極性關(guān)系如下：</p><p>　　(1) Buck型——降壓斬波器，如

49、圖2.10(a)所示。其輸出平均電壓Vo小于輸入電壓Vt，極性相同。</p><p>　　(2) Boost型——升壓斬波器，如圖2.10 (b)所示。其輸出平均電壓Vo大于輸入電壓Vt，極性相同。</p><p>　　(3) Buck——Boost型——降壓或升壓斬波器，如圖2.10 (c)所示。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。</p>&

50、lt;p>　　圖2.10 (a)Buck 型 (b)Boost型 (c) Buck- Boost型</p><p>　　2.3.1Buck變換器</p><p>　　正激式電路構(gòu)成一大類開關(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。圖2.11是一種簡單正激式變換器電路，即所謂的Buck變換器。</p&g

51、t;<p>　　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)。電路的LC濾波器就是飛輪，存儲(chǔ)從驅(qū)動(dòng)器輸出的脈沖功率。LC濾波器的輸入就是經(jīng)過斬波以后的電壓。LC濾波器平均了占空比調(diào)制的脈沖電壓。LC濾波器的作用可用下式表示[1]：</p><p>　　V= D 式（2-4）</p><p>　　式中：D——占空比。&

52、lt;/p><p>　　圖2.11 基本的正激式變換器（Buck變換器）</p><p>　　通過控制電路改變占空比，既可保持輸出電壓恒定。Buck變換器之所以被稱作降壓變換器，是因?yàn)樗妮敵鲭妷罕囟ǖ陀谳斎腚妷骸?lt;/p><p>　　我們可以把Buck電路的工作過程分成兩個(gè)階段。當(dāng)開關(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。電感上的電流

53、用下面的公式描述：</p><p>　　=t+ 式（2-5）</p><p>　　在這個(gè)階段，存儲(chǔ)在電感上的能量為：</p><p><b>　　式（2-6）</b></p><p>　　輸入的能量就存儲(chǔ)在電感鐵心材料的磁通中。</p><p>　　圖2.12

54、正激式變換器 （Buck變換器）電壓電流波形</p><p>　　當(dāng)開關(guān)斷開時(shí)，由于電感上的電流不能突變，電感電流就通過二極管續(xù)流，該二極管稱為續(xù)流二極管，這樣就實(shí)現(xiàn)了對(duì)原先流過開關(guān)管電流的續(xù)流，同時(shí)電感中存儲(chǔ)的一部分能量向負(fù)載釋放。續(xù)流電流包括：二極管、電感、負(fù)載。在這階段流過電感上的電流用下式描述：</p><p><b>　　式（2-7）</b></p&g

55、t;<p>　　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 。當(dāng)開關(guān)再次導(dǎo)通時(shí)，二極管迅速關(guān)斷，電流從輸入電源和開關(guān)管流過。在開關(guān)導(dǎo)通前瞬間，電感上的電流Imin就是開關(guān)管通過的初始電流。</p><p>　　直流輸出的負(fù)載電流在最大值和最小值之間波動(dòng)。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％。</p><p>　　B

56、uck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(shí)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]。</p><p>　　在功率開關(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。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。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。</p><

57、;p>　　2.3.2Boost變換器</p><p>　　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]。</p><p>　　圖2.13 基本的升壓式變換器（Boost變換器）</p><p>　　升壓式變換器與正激式變換器（Buck）有相同的組成部分，只是它們的位置被重新布置一下。新的布置使變換器的工作過程和正激式變換器（

58、Buck）完全不同。在這種情況下，開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)，電流環(huán)路僅包括電感、開關(guān)管和輸入電壓源。在這段時(shí)間中，二極管是反向阻斷的。電感電流波形也是以固定斜率線性上升，可用下式描述：</p><p><b>　　式（2-8）</b></p><p>　　在這個(gè)階段，能量存儲(chǔ)在電感鐵心的磁通中。開關(guān)管關(guān)斷時(shí)，由于電感中的電流不能突變，于是二極管立刻正向?qū)?。這時(shí)，電感與開關(guān)相連端

59、的電壓被輸出電壓鉗位，這個(gè)電壓被稱作反激電壓，其幅值是輸出電壓加上二極管的正向?qū)▔航?。在開關(guān)管關(guān)斷這段時(shí)間里，電感上的電流用下式表示：</p><p><b>　　式（2-9）</b></p><p>　　如果在下個(gè)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。在這種情況下，電流和電壓波形如圖所示。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

60、路工作在電流連續(xù)模式，見圖2.14。由于升壓式變換器工作在電流連續(xù)模式下存在固有的不穩(wěn)定問題，所以升壓式變換器通常工作在電流斷續(xù)模式下。</p><p>　　Boost變換器工作在電流斷續(xù)模式下，存儲(chǔ)在電感中的能量為：</p><p><b>　　式（2-10）</b></p><p>　　單位時(shí)間內(nèi)，傳輸?shù)哪芰繛椋ń?秒或瓦）必須滿足負(fù)載連續(xù)

61、功率消耗的需求。這就意味著在開關(guān)管導(dǎo)通期間，存儲(chǔ)的能量要足夠大，即電流峰值IPK要滿足下式的要求[8]。</p><p><b>　　式（2-11）</b></p><p>　　式中： fop---變換器的開關(guān)頻率。</p><p><b>　　式（2-12）</b></p><p>　　式中： f

62、op ---變換器的開關(guān)頻率。</p><p>　　圖2.13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。如果用一個(gè)變壓器來代替電感，就成為了反激式變換器。</p><p>　　圖2.14 Boost變換器電流連續(xù)模式的波形圖</p><p>　　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。在所有

63、拓?fù)渲?，這類變換器所用的元件較少，因而在中小功率的應(yīng)用場合中很多。</p><p>　　3. Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器及其控制方式分析</p><p>　　3.1 Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器</p><p>　　Buck型DC-DC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(gè)周期內(nèi)，電子開關(guān)接通時(shí)間ton所占整個(gè)周期Ts的比例，稱接通占空比D，D=ton/TS

64、；斷開時(shí)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。因此直流開關(guān)變換器的基本工作方式有三種：一是脈寬調(diào)制方式(PWM)，TS不變，改變ton(通用)則可以控制輸出電壓的大?。欢穷l率調(diào)制方式(PFM)，ton不變，改變Ts (易產(chǎn)生干擾)同樣可以達(dá)到調(diào)節(jié)輸出電壓大小的效果；三是脈寬調(diào)制和頻率調(diào)制混合控制方式(PWM／PF

65、M) [2]。</p><p>　　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。所以用理想的無損耗開關(guān)器件，并利用電感、電容組成的低通濾波網(wǎng)絡(luò)消除不需要的開關(guān)頻率諧波，便可以得到穩(wěn)定的直流輸出電壓。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%。然而實(shí)際中開關(guān)器件和電容、電感元件以及控制開關(guān)器件通斷的控制電路都要產(chǎn)生一定的功耗，因而開關(guān)電源

66、系統(tǒng)的轉(zhuǎn)換效率不可能達(dá)到100%，一般是(80～90)%，有的甚至達(dá)到90%以上，所以開關(guān)電源的效率是很高的[2]。</p><p>　　圖3.1 DC-DC 控制系統(tǒng)示意圖</p><p>　　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(gè)反饋控制系統(tǒng)控制的。因?yàn)檩敵鲭妷菏情_關(guān)占空比的函數(shù)，所以要求控制系統(tǒng)能調(diào)節(jié)占空比，使得輸出電壓始終能夠穩(wěn)定在一個(gè)給定的電壓。圖3.1所示是

67、一個(gè)直流開關(guān)變換器控制系統(tǒng)示意圖，其工作原理如下：</p><p>　　圖中的單箭頭開關(guān)由占空比調(diào)制器控制產(chǎn)生一個(gè)方波，這個(gè)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(hào)放大，產(chǎn)生控制調(diào)制器的信號(hào)，從而調(diào)節(jié)方波的占空比，這樣整個(gè)系統(tǒng)形成一個(gè)負(fù)反饋回路，使得輸出電壓穩(wěn)定在設(shè)計(jì)值。由此可見誤差放大器是直流

68、開關(guān)變換器中非常關(guān)鍵的一個(gè)模塊，一個(gè)高性能的誤差放大器是保證直流開關(guān)變換器系統(tǒng)正常穩(wěn)定工作的關(guān)鍵。</p><p>　　本文重點(diǎn)為以Buck型DC-DC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DC-DC 轉(zhuǎn)換器，接下來的兩節(jié)將重點(diǎn)分析Buck型DC-DC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。</p><p>　　3.2 Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器

69、及其控制方式</p><p>　　在上節(jié)中已知Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器是種降壓型的直流開關(guān)轉(zhuǎn)換器，它有三種調(diào)制方式，它們分別是脈寬調(diào)制方式(PWM)，頻率調(diào)制方式(PFM)以及脈寬調(diào)制和頻率調(diào)制混合調(diào)制方式(PMFM)。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。</p><p>　　為了依靠上述調(diào)制方式獲得穩(wěn)定的直流輸

70、出，就必須要引入負(fù)反饋控制環(huán)路，負(fù)反饋控制環(huán)路的作用在于減小電路自身的噪聲對(duì)輸出的影響并使輸出與開環(huán)增益無關(guān)。DC-DC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。這些調(diào)制方式與兩種基本反饋方式的組合便構(gòu)成了DC-DC轉(zhuǎn)換器的不同控制方式。下面分別對(duì)Buck型DC-DC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。</p><p&g

71、t;　　3.2.1Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器工作原理</p><p>　　Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器如圖3.2所示，S1是開關(guān)管，其反復(fù)導(dǎo)通和截止控制了Vin。加到負(fù)載尺D上的時(shí)間比例，可調(diào)節(jié)輸出電壓V0；L是儲(chǔ)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(shí)為電感電流提供一個(gè)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。控制電路由反饋網(wǎng)絡(luò)、誤差

72、放大器和占空比調(diào)制器構(gòu)成。其工作原理為[3]：</p><p>　　圖3.2 Buck型 DC-DC轉(zhuǎn)換器工作原理</p><p>　　開關(guān)管S1受一組占空比為D，周期為TS的方波信號(hào)控制，當(dāng)S1導(dǎo)通時(shí)， D1 反偏截止，輸入電壓通過電感L對(duì)電容C0充電，電感電流逐漸增大，電感兩端電壓為輸入電壓減去輸出電壓，假設(shè)輸出電壓紋波可以忽略，則有[5]：</p><p>

73、<b>　　式（3-1）</b></p><p>　　因而在這段時(shí)間內(nèi)電感電流線性上升，其增量為：</p><p><b>　　式（3-2）</b></p><p>　　當(dāng)S1截止時(shí)，由于電感電流不可突變，感電流減小的趨勢(shì)感應(yīng)出的電感兩端電壓極性顛倒，使得續(xù)流二極管D1導(dǎo)通，這種情況下：</p><p&

74、gt;<b>　　式（3-3）</b></p><p>　　因而電感電流線性減小，減小量為：</p><p><b>　　式（3-4）</b></p><p>　　根據(jù)伏秒平衡原理(Volts-Second Balance)有IL1= IL2，從而得出Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器輸出電壓與占空比D和輸入電壓的關(guān)系為：<

75、/p><p><b>　　式（3-5）</b></p><p>　　式(3-5)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(shí)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。反饋網(wǎng)絡(luò)中的輸出電壓采樣電阻RFB1和RFB2按一定的比例將輸出電壓采樣與參考電壓Vref比較，誤差放大器將此比較誤差放大并送給PWM調(diào)制器的一個(gè)輸入端，將其

76、與頻率一定的鋸齒波比較后得到頻率一定的、脈沖寬度被調(diào)制的方波。如果輸出電壓偏高，誤差放大器會(huì)輸出一個(gè)比較低的電平，從而調(diào)制器會(huì)輸出一個(gè)占空比低的脈沖，反之如果輸出電壓偏低，控制電路會(huì)產(chǎn)生占空比高的脈沖使得輸出電壓升高，如此采樣電壓會(huì)穩(wěn)定在Vref的值上，從而輸出電壓會(huì)穩(wěn)定在 Vref (RFB1+RFB2)/RFB2)的值上。以上分析是基于Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器工作于連續(xù)導(dǎo)電工作模式(CCM)下，還有一種工作模式是不連續(xù)導(dǎo)電模式(D

77、CM)，本文將在后續(xù)小節(jié)對(duì)這兩種工作模式做詳細(xì)介紹。</p><p>　　3.2.2Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器的控制方式</p><p>　　Buck型DC-DC變換器的控制方式主要有：(1)脈沖頻率調(diào)制(PFM)，(2)脈沖寬度調(diào)制(PWM)，(3) 混合式調(diào)制。目前生產(chǎn)的開關(guān)電源多數(shù)采用PWM方式，少數(shù)采用PFM，很少有混合式調(diào)制方式。PFM的定義是將脈沖寬度固定，通過調(diào)節(jié)工作頻率來調(diào)

78、節(jié)輸出電壓。它的穩(wěn)壓原理是當(dāng)輸入電壓升高時(shí)，控制器輸出信號(hào)的脈沖寬度不變，而是使周期變長，占空比就將隨之變小，用這種方式使輸出電壓降低[3]。</p><p><b>　　(a) </b></p><p><b>　　(b) </b></p><p>　　圖3.3 (a) PWM控制方式 (b) PFM控制方式</

79、p><p>　　圖3.3為相應(yīng)波形圖?；旌峡刂品绞绞侵该}沖寬度與頻率都不固定，都可以改變，由于兩種控制方式共存，相互影響較大，穩(wěn)定性比較差，電路也比較復(fù)雜，所以現(xiàn)在并沒有得到廣泛的應(yīng)用。</p><p>　　本文將對(duì)應(yīng)用范圍最廣泛的PWM方式，進(jìn)行詳細(xì)的分析。PWM的開關(guān)頻率一般都為一個(gè)恒定值，它的控制取樣信號(hào)包括輸入電壓、輸出電壓、輸出電流、輸出電感上的電壓以及開關(guān)器件的峰值電流[9]。這些

80、控制取樣信號(hào)可以用來構(gòu)成單環(huán)、雙環(huán)、多環(huán)反饋系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流及恒定功率的目的。同時(shí)，這些信號(hào)還可以實(shí)現(xiàn)一些附加的功能，例如過電流保護(hù)，抗偏磁以及均流等。PWM調(diào)制方式根據(jù)反饋采樣方式的不同可分為：電壓模式和電流模式，下面將對(duì)兩種模式進(jìn)行對(duì)比分析。</p><p><b>　　(1) 電壓模式</b></p><p>　　圖3.4(a)為Buck變換器的電壓模式

81、控制PWM反饋系統(tǒng)原理圖。電壓模式控制采用脈沖寬度調(diào)制方式。它的工作原理是首先將電壓誤差放大器采樣放大的直流與恒定頻率的三角波斜坡進(jìn)行比較，在通過PWM調(diào)制后得到脈沖寬度如3.4(a)中所示波形，電路在工作時(shí)必須逐個(gè)附加脈沖的限流保護(hù)電路。當(dāng)輸入電壓或負(fù)載阻抗突然變小時(shí)，因?yàn)橹麟娐分械妮敵鲭娙軨及電感L的值都較大，會(huì)產(chǎn)生相移延時(shí)作用，輸出電壓的變小也會(huì)延時(shí)滯后，這樣輸出電壓變小的消息還要經(jīng)過電壓誤差放大器的補(bǔ)償電路延時(shí)滯后，才能傳至PW

82、M比較，最后再將脈沖寬度擴(kuò)展。這兩個(gè)延時(shí)滯后就是導(dǎo)致暫時(shí)響應(yīng)慢的主要原因[2]。</p><p>　　圖3.4 (a) Buck降壓斬波器的電壓模式控制 (b)電壓前饋模式控制</p><p>　　電壓控制模式的優(yōu)點(diǎn)是：單環(huán)反饋的設(shè)計(jì)與分析較易實(shí)現(xiàn)；鋸齒波振幅較大，可提供較好的噪聲余裕給穩(wěn)定的調(diào)制過程；同時(shí)它還能夠低阻抗輸出，對(duì)于多輸出電源具有較好的交互調(diào)節(jié)特性[10]。電壓模式的缺點(diǎn)

83、是：由于環(huán)路增益是隨著輸入電壓的變化而變化的，使得補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)變得更加復(fù)雜；任一個(gè)輸入電壓或是輸出負(fù)載的變化都要先轉(zhuǎn)化為輸出電壓的變化，然后才經(jīng)過反饋環(huán)采樣進(jìn)行反饋控制調(diào)節(jié)，這就意味著動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度較慢；輸出濾波器的控制環(huán)上增加了兩個(gè)極點(diǎn)，這就需要在其上在增加一個(gè)零點(diǎn)補(bǔ)償。</p><p><b>　　(2) 電流模式</b></p><p>　　電流型PWM控制器增

84、加了一個(gè)電感電流反饋?zhàn)鳛镻WM的斜坡函數(shù)，就不需要三角波發(fā)生器，而且還引入了電感電流反饋使系統(tǒng)的性能具有了明顯的優(yōu)越性。相比電壓型PWM，電流型PWM具有更好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率，系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)特性也得到明顯的改善，這就使電流型PWM技術(shù)得到了飛速的發(fā)展[2]。</p><p>　　電流型PWM控制器有以上幾種方案：恒定遲滯環(huán)寬控制：在電感中產(chǎn)生一個(gè)固定的電流減小量后，功率開關(guān)管被導(dǎo)通，如圖3.5(a)中

85、是由遲滯比較器實(shí)現(xiàn)；恒定關(guān)斷時(shí)間控制：經(jīng)過一個(gè)固定的時(shí)間間隔后，功率開關(guān)管被導(dǎo)通，如圖3.5(b)中由一單穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器來實(shí)現(xiàn)；恒定頻率控制：有一個(gè)固定頻率的時(shí)鐘信號(hào)控制RS觸發(fā)器從而控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通，如圖3.5(c)所示。</p><p><b>　　(a) </b></p><p><b>　　(b) </b></p><

86、p><b>　　(c) </b></p><p>　　圖3.5 (a)恒頻遲滯環(huán)寬控制 (b) 恒定關(guān)斷時(shí)間控制 (c)恒定頻率控制</p><p>　　電流控制模式電路有以下優(yōu)點(diǎn)：與電壓型相比在輸入輸出方面具有良好的且快速的</p><p>　　線性調(diào)制率；并且消除了由輸出濾波電感所帶來的系統(tǒng)及極點(diǎn)的二階特性，消除了系統(tǒng)中環(huán)路穩(wěn)定性方面

87、的問題，于此同時(shí)還具有最佳大信號(hào)的特性； </p><p>　　但當(dāng)占空比大于50%時(shí)，采用電流控制技術(shù)容易發(fā)生不穩(wěn)定現(xiàn)象，主要原因?yàn)椋?1)占空比大于50%時(shí)，電路容易發(fā)生次諧振蕩；(2)占空比大于50%時(shí)，電流的下降率大于上升率，平坦的上升率使電感電流出現(xiàn)一個(gè)干擾而被放大，最終導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。上述的缺點(diǎn)可以通過使用斜坡補(bǔ)償?shù)姆椒▉砀纳芠4]。</p><p>　　3.2.3Buck型D

88、C-DC轉(zhuǎn)換器工作模式</p><p>　　根據(jù)電感電流是否連續(xù)，Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器有兩種工作模式。一種是連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)，DC-DC在重載下通常工作于這種模式；另一種是不連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)，DC-DC變換器在輕載下工作于這種模式。在轉(zhuǎn)換器的開關(guān)管S導(dǎo)通期間，電感中的電流上升，在轉(zhuǎn)換器的開關(guān)管S截止期間，電感電流下降。如果在S截止期間，電感中的電流降到零而S還未開始下次導(dǎo)通，則在截止期間的剩余時(shí)

89、間內(nèi)電感中存儲(chǔ)的能量將為零，轉(zhuǎn)換器工作于非連續(xù)導(dǎo)通模式否則轉(zhuǎn)換器工作于連續(xù)導(dǎo)通模式。由于在這兩種模式下開關(guān)電源的頻率相位變化十分顯著，所以希望在所有預(yù)期的工作條件下，開關(guān)電源都只處于一種工作模式。在正常情況下，Buck型開關(guān)轉(zhuǎn)換器很少工作在非連續(xù)導(dǎo)通模式，但是一旦負(fù)載電流低于臨界水平，非連續(xù)導(dǎo)通模式就會(huì)發(fā)生[4]。</p><p>　　3.3 環(huán)路控制中誤差放大器的重要作用</p><p&g

90、t;　　DC-DC開關(guān)變換器中控制策略的研究與選取可以歸結(jié)為主要為了更好地達(dá)到以下兩個(gè)性能指標(biāo)：一是保證穩(wěn)態(tài)時(shí)直流電壓穩(wěn)態(tài)輸出誤差為零；二是控制系統(tǒng)對(duì)電路參數(shù)和外界環(huán)境的變化魯棒性較強(qiáng)，具有良好的動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)，即控制性能良好。</p><p>　　由上章可知，在開關(guān)電源采用的控制方式中，誤差放大器是電壓反饋控制環(huán)路的核心部分，在控制環(huán)路中有著非常重要的作用，對(duì)環(huán)路的頻率響應(yīng)有很大的影響，對(duì)直流開關(guān)變換器系統(tǒng)的穩(wěn)定

91、性，負(fù)載調(diào)整率和響應(yīng)速度有著決定性作用。一方面誤差放大器用來將輸出采樣電壓和參考電壓比較，并產(chǎn)生誤差放大信號(hào)，以用該誤差來校正控制脈沖占空比，從而穩(wěn)定輸出電壓；另一方面轉(zhuǎn)換器的負(fù)載調(diào)整率主要由環(huán)路直流增益決定，直流增益越高，負(fù)載調(diào)整率越好，而誤差放大器提供大部分環(huán)路增益。通常對(duì)整個(gè)控制環(huán)路的補(bǔ)償就是通過適當(dāng)選擇誤差放大器的補(bǔ)償策略以調(diào)整誤差放大器的頻率響應(yīng)來實(shí)現(xiàn)的，目的是對(duì)整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行校正，提供足夠的相位裕量和適當(dāng)?shù)膸?，使得閉環(huán)系

92、統(tǒng)穩(wěn)定工作，并具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。系統(tǒng)控制環(huán)路直流增益越大負(fù)載調(diào)整率越好，相位裕量越大系統(tǒng)越穩(wěn)定，帶寬越大系統(tǒng)響應(yīng)速度越快，然而在實(shí)際電路中，直流增益、相位裕量和帶寬之間存在著緊密的相互制約關(guān)系，需要根據(jù)實(shí)際情況進(jìn)行折中選取，因而，誤差放大電路對(duì)于開關(guān)電源系統(tǒng)的輸出穩(wěn)定非常重要，所以在后面章節(jié)中，重點(diǎn)對(duì)開關(guān)電源管理電路進(jìn)行誤差放大的分析與研究。</p><p>　　4. 開關(guān)電源管理電路系統(tǒng)分析</p&g

93、t;<p>　　4.1 Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器</p><p>　　本章主要基于Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器，在電流峰值PWM控制模式下，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)，結(jié)合Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器的工作原理，進(jìn)而對(duì)誤差放大電路進(jìn)行分析與研究。</p><p>　　圖4.1 峰值模式Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路</p><p&

94、gt;　　由圖4.1可見，在PWM峰值電流控制模式下，整個(gè)控制系統(tǒng)有兩個(gè)反饋環(huán)路，電流反饋內(nèi)環(huán)和電壓反饋外環(huán)。電流反饋內(nèi)環(huán)通過電流檢測(cè)電路CS感應(yīng)并采樣功率開關(guān)管電流，將其轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)放大后與斜坡補(bǔ)償電壓相加得到一個(gè)反應(yīng)電感峰值電流變化的電壓信號(hào)VSEN-OUT，并將其送入PWM比較器的一與誤差放大器的輸出信號(hào)VERR-OUT相比較，最后經(jīng)過一系列邏輯處理電路產(chǎn)生占空比被調(diào)節(jié)的脈沖信號(hào)以控制開關(guān)管的導(dǎo)通與截止，進(jìn)而控制輸出電壓。電壓反

95、饋外環(huán)則包含了電流反饋內(nèi)環(huán)，其核心模塊是誤差放大器及其補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，差放大器將采樣的輸出反饋電壓VFB與一個(gè)基準(zhǔn)電壓Vref比較并將誤差信號(hào)放大產(chǎn)生輸出信號(hào)VERR-OUT進(jìn)入電流反饋內(nèi)環(huán)與VSEN-OUT進(jìn)行比較。由此可見，對(duì)電流反饋內(nèi)環(huán)而言，VERR-OUT可以看作是一個(gè)給定的控制信號(hào)，反應(yīng)了負(fù)載變化時(shí)要保持輸出電壓穩(wěn)定所需提供的電感峰值電流基準(zhǔn)值，檢測(cè)到的反電感峰值電流的信號(hào)VSEN-OUT與這個(gè)基準(zhǔn)值VERR-OUT之間的誤差經(jīng)PW

96、M比較和一系列邏輯處理電路產(chǎn)生控制開關(guān)管導(dǎo)通與關(guān)斷時(shí)間的占空比被調(diào)節(jié)的脈沖信號(hào)，從而控制輸出電壓穩(wěn)定[5]。</p><p>　　電壓反饋外環(huán)對(duì)輸出電壓的調(diào)整實(shí)質(zhì)是：當(dāng)負(fù)載改變引起輸出電壓改變(假設(shè)輸出電壓減小)，則由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)采得的電壓VFB減小，誤差放大器EA的輸出電壓VERR-OUT增大，控制電感峰值電流增大，經(jīng)過PWM電流采樣電壓與VERR-OUT交點(diǎn)后移，導(dǎo)致占空比增加，從而調(diào)整輸出電壓增大而穩(wěn)定到原

97、值。</p><p>　　PWM峰值電流控制方式是雙閉環(huán)控制系統(tǒng)具有諸多優(yōu)點(diǎn)，最主要的是：電流內(nèi)環(huán)加快了對(duì)輸入電壓變化的響應(yīng)，抗干擾性增強(qiáng)。PWM峰值電流控制方式也存在一些缺點(diǎn)，比如輸出電感峰值電流恒定而非其平均電流恒定的問題和輸出電感電流擾動(dòng)會(huì)引起振蕩的問題，而采用斜坡補(bǔ)償技術(shù)則可以很好的解決上述的兩個(gè)問題。</p><p>　　4.2 開關(guān)電源控制環(huán)路的分析研究</p>

98、<p>　　4.2.1Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性分析</p><p>　　本質(zhì)上講，開關(guān)電源系統(tǒng)是一個(gè)非線性時(shí)變系統(tǒng)?？刂评碚撌欠治鰰r(shí)變系統(tǒng)穩(wěn)定性的基礎(chǔ)，經(jīng)典的控制論指出一個(gè)閉環(huán)反饋系統(tǒng)在系統(tǒng)開環(huán)增益為1的頻率(通常稱為交越頻率)處如果系統(tǒng)所有環(huán)節(jié)的總相移達(dá)到360°，則系統(tǒng)將不穩(wěn)定而產(chǎn)生振蕩。一般通過相位裕量和增益裕量來衡量系統(tǒng)的穩(wěn)定性，相位裕量指的是交越頻率處的環(huán)路實(shí)際總相移和36

99、0°之差；增益裕量指的是環(huán)路總相移為360°時(shí)系統(tǒng)開環(huán)增益降到1以下的量(單位分貝dB)為了使系統(tǒng)不產(chǎn)生振蕩而且有好的響應(yīng)速度，相位裕量在45°～75°之間[2]。</p><p>　　要使輸入電壓變化和負(fù)載條件變化的情況下為負(fù)載提供一個(gè)穩(wěn)定的輸出電壓，而反饋控制環(huán)路中的任何環(huán)節(jié)都可能存在噪聲和干擾，要使系統(tǒng)在任何條件下都穩(wěn)定工作，一般要用反饋補(bǔ)償改善系統(tǒng)頻率響應(yīng)。在分析系

100、統(tǒng)時(shí)，其動(dòng)態(tài)特性的解析解的分析方法較復(fù)雜，人們建立了許多小信號(hào)模型來分析峰值電流控制開關(guān)電源系統(tǒng)的特性，其中比較典型的是Raymond B.Ridley提出的連續(xù)時(shí)間模型[3]。對(duì)系統(tǒng)的小信號(hào)環(huán)路模型，大致可以分成兩段傳遞函數(shù)：</p><p>　　從誤差放大器EA輸出端電壓VERR-OUT經(jīng)由帶電流反饋環(huán)路的功率級(jí)到輸出電壓的傳遞函數(shù)，通常稱為控制到輸出傳遞函數(shù)，根據(jù)Ridley模型，引入電流環(huán)后，功率級(jí)的從控

101、制到輸出的傳遞函數(shù)會(huì)發(fā)生改變，即由電流反饋引起，從電壓環(huán)上EA輸出端到輸出電感電流(控制到輸出部分)可以看成一個(gè)等效跨導(dǎo)級(jí)，其等效跨導(dǎo)稱為控制到輸出跨導(dǎo)，這里用GCS表示。這樣就可以將輸出端的LC低通濾波器拆分，輸出端僅由輸出電容和負(fù)載電阻并聯(lián)起濾波作用，那么輸出端引入由輸出電容和負(fù)載電阻產(chǎn)生的一個(gè)極點(diǎn)以及輸出電容ESR引起的一個(gè)零點(diǎn)，這樣說來，電流模式有比電壓模式更容易進(jìn)行環(huán)路補(bǔ)償?shù)膬?yōu)點(diǎn)。</p><p>　　

102、為輸出電壓經(jīng)由電阻分壓網(wǎng)絡(luò)、誤差放大器EA和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)到VERR-OUT的傳遞函數(shù)，這段傳遞函數(shù)應(yīng)該對(duì)前者進(jìn)行補(bǔ)償，原則為在截止頻率前最好補(bǔ)償為單極點(diǎn)系統(tǒng)，在截止頻率處，環(huán)路增益的相位裕度大于45°度。在截止頻率之后，增益迅速下降以抑制噪聲的影響[4]。</p><p>　　綜上， Buck型DC-DC轉(zhuǎn)換器的雙環(huán)控制系統(tǒng)可以轉(zhuǎn)換為單環(huán)反饋控制系統(tǒng)來分析，包含電流反饋內(nèi)環(huán)的從電壓環(huán)上EA輸出端到輸出電感電

103、流部分(控制到輸出部分)可以看成一個(gè)等效跨導(dǎo)級(jí)，電壓反饋外環(huán)包括：輸出端電阻分壓網(wǎng)絡(luò)(RFB1, RFB2)，誤差放大器(EA)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，控制到輸出跨導(dǎo)級(jí)以及開關(guān)功率級(jí)五個(gè)部分?？刂频捷敵隹鐚?dǎo)級(jí)是組成環(huán)路增益的一部分，另外峰值電流控制還存在大信號(hào)不穩(wěn)定的問題，需要斜坡補(bǔ)償，所以電流環(huán)路決定著電壓外環(huán),因而我們?cè)陔娏鳝h(huán)分析的基礎(chǔ)上，來分析研究電壓環(huán)路。</p><p>　　4.2.2Buck型轉(zhuǎn)換器電壓環(huán)路控制模

104、型</p><p>　　基于Ridely提出的電流反饋控制DC-DC轉(zhuǎn)換器的連續(xù)時(shí)間定頻調(diào)脈寬小信號(hào)控制環(huán)路模型，并將電壓反饋環(huán)路補(bǔ)全得到圖4.1所示Buck型DC-DC控制環(huán)路的小信號(hào)模型如圖4.2所示。其中各參數(shù)意義如下，D是占空比，TSW是開關(guān)周期，E是調(diào)制器增益，Ri是電感電流采樣增益，Sn是電感電流采樣斜坡信號(hào)上升斜率，S6是斜坡補(bǔ)償信號(hào)斜率，H6 (s)是電流反饋采樣傳輸函數(shù)，這里采用了其二階近似形式

105、，Kf是在開關(guān)管導(dǎo)通階段輸入和輸出電壓變化對(duì)占空比影響的前饋系數(shù)，Kr是在開關(guān)管關(guān)斷階段輸入和輸出電壓變化對(duì)占空比影響的前饋系數(shù)。</p><p>　　圖4.2 Buck型DC-DC控制環(huán)路小信號(hào)模型</p><p>　　下面主要分析整個(gè)電壓控制環(huán)路的零極點(diǎn)分布和傳輸函數(shù)。在前面已經(jīng)指出整個(gè)電壓反饋外環(huán)的傳輸函數(shù)可以分為兩段[2]：</p><p>　　電壓環(huán)路上的

106、控制到輸出增益（調(diào)制級(jí)+電流環(huán)跨導(dǎo)+輸出功率級(jí)濾波）：</p><p>　　= 式（4-1）</p><p><b>　　其中：</b></p><p>　　GCS是控制到輸出的跨導(dǎo)：</p><p>　　= 式（4-2）<

107、;/p><p>　　FP(s)反映了電流環(huán)路的主要低頻特性：</p><p>　　= 式（4-3）</p><p>　　Fh(s)反映了電流環(huán)路的采樣特性：</p><p>　　= 式（4-4）</p><

108、;p>　　其中： , Q= </p><p>　　由此可見FP(s)在系統(tǒng)中引入了一個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)，極點(diǎn)來源于輸出濾波</p><p>　　電容和負(fù)載電阻，零點(diǎn)來源于輸出濾波電容的ESR，分別如下：</p><p><b>　　式（4-7）</b></p><p><b>　　式（4-6）&l

109、t;/b></p><p>　　Fh(s)為系統(tǒng)引入了兩個(gè)高頻極點(diǎn)，分別如下：</p><p><b>　　=式（4-7）</b></p><p>　　= 式（4-8）</p><p>　　輸出到控制增益(電阻分壓+EA增益+補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)PI(s))</p><p>　　=PI(s)