多路输出反激式开关电源的反馈环路设计

1、多路输出反激式开关电源的反馈环路设计引言开关电源的输出是直流输入电压、占空比和负载的函数。在开关电源设计中，反馈系统的设计目标是无论输入电压、占空比和负载如何变化，输出电压总在特定的范围内，并具有良好的动态响应性能。电流模式的开关电源有连续电流模式(CCM先口不连续电流模式 (DCM两种工作模式。连续电流模式由于有右半平面零点的作 用， 反馈环在负载电流增加时输出电压有下降趋势，经若干周期后最终校正输出电压，可能造成系统不稳定。因此在设计反馈环时要特别注意避开右半平面零点频率。当反激式开关电源工作在连续电流模式时，在最低输入电压和最重负载的工况下右半平面零点的频率最低，并且当输入电压升高时，

2、传递函数的增益变化不明显。当由于输入电压增加或负载减小，开关电源从连续模式进入到不连续模式时，右半平面零点消失从而使得系统稳定。因此， 在低输入电压和重输出负载的情况下，设计反馈环路补偿使得整个系统的传递函数留有足够的相位裕量和增益裕量，则开关电源无论在何种模式下都能稳定工作。1反激式开关电源典型设计图l是为变频器设计的反激式开关电源的典型电路，主要包括 交流输入整流电路，反激式开关电源功率级电路 （有PW雌制 器、MO潸、变压器及整流二极管组成），RCDS冲电路和反馈 网络。其中PWM6制芯片采用UC2844 UC284娓电流模式控 制器，芯片内部具有可微调的振荡器（能进行精确的占空比控 制

3、）、温度补偿的参考基准、高增益误差放大器、电流取样比 较器。VDiVIJ；VtJsZSVI%UC2X44VREFVCCftTCTOIJ!中一NJi-图1反激外开美电诙其厘匕卡开关电源设计输入参数如下：三相 380V工业交流电经过整流 作为开关电源的输入电压 Udc,按最低直流输入电压Udcmin 为250V进行设计；开关电源工作频率f为60kHz,输出功率 Po 为 60W当系统工作在最低输入电压、负载最重、最大占空比的工作情况下，设计开关电源工作在连续电流模式（CCM1纹波系数为 0 4。设计的开关电源参数如下：变压器的原边电感Lp=4. 2mH原边匝数Np=13& 5V为反馈 输出

4、端，U5V=5V负载R5=5Q,匝数N5V=4滤波电容为2 个2200W F/16V电容并联，电容的等效串联电阻 Resr=34m; 24V输出的负载R24=24Q,匝数N24V=17 15V输出的负载 R15=15 ,匝数 N15V=11; 1 5V 输出的负载 R-15V=15Q , 匝数N-15V=11。2 功率级电路的传递函数电流模式控制器控制框图包含两个反馈环，外部电压环反馈电压信息， 内部电流环反馈电流信息（ 如图 2 所示 ） 。 电流环的输入是控制电压UC和电感电流采样值US的差值，电流环的输出 是占空比D。当US小于UC时）PW溯制器（Fm）输出高电平， 功率开关开通，当US

5、大于UC PW溯制器输出低电平，功率 开关关断。通过具有固定频率时钟信号的 RS触发器，下一个 周期自动置位。通过这种方式，电感峰值电流被控制电压精确控制。"(s)图2 电流模式控制器控制框图电 V乐网w WW-U a n yu a n xu mi控制框图中Gvd(s)是功率级电路占空比控制端到输出电压的 传递函数，Gid(S)为占空比控制端到电感电流的传递函数， Fm(s)为PW溯制器的tf益函数，He(s)为电流模式控制的开环 采样增益，Rs为电流采样电阻，Uref为基准参考电压。基于文献建立的反激式开关电源的交流小信号数学模型和 Vorperian建立的简化平均PWMF关模型以

6、及Ridley Engineering 建立的电流模式的数学模型，建立反激式开关 电源的等效电路模型，进而可以求得各环节的传递函数。从控制到输出的传递函数如下：Gvc =久金i + 4(s)GdG)K4(s)Gvd(s)和Gid(s)都具有双极点，但当电流环增益足够大，它 们的双极点可以抵消，从而可以得到如下近似的具有单极点的 传递函数：UR（1-由）（1+成）1 L.也（叫+20。）4 -其中：UI为直流输入电压，Uo为输出电压，RL为等效负载电 阻，RS为电流采样电阻，n=Ns/Np为变压器的匝数比。（1 - Of * &零极点计算如下：_ 1z -R ,C , esr1 + Dc

7、o ap RCJL*其中D为占空比，Lp为初级电感，RL为负载电阻，C为输出 电容，Resr为输出电容等效串联电阻。由(1)式可以求得图1所示开关电源从控制到输出的传递函数：Gvc（s） = 6x0 + 13.8x1000荏5x1000）其中对于多路输出的负载RL,是指控制输出端的等效负载。按照文献提供的思路，将其他各路输出都“映射”到5V反馈输出，从而可以得到：凡=& H45（今）11 R7（含了 UI看了? -.-右半平面零点频率frz= arz/2兀=12kHz,电容等效串联电阻ES芯点频率fz= az/2兀=2. 2kHz,负载极点频率fp= 3 p/ 2 兀=125kHz控制

8、到输出的传递函数伯德图如图3所示，曲线1分别为其幅频和相位图。该图利用 Matlab提供的伯德图分析工具绘制SP)但要(6OP)创型-At frequency (HzJ 3.42e+003", 工Oosed Loop Stabte7 Yes j/频率(Hz)图3补偿网络的幅频和相位图3反馈补偿网络设计反馈环节由电压采样网络He(s),误差放大器Gc(s)和辅助补 偿环节Gx(s)组成，则系统的开环传递函数T(s)=H(s)Gc(s)Gx(s)Gvc(s)。其中电压采样网络 H(s尸R1/ (R1+R2),误差放大器有TL431和光耦TLP781构成，辅助补偿 环节包括电阻Rx和电容C

9、r。由反馈网络补偿后得到的开环传递函数 T(s)判断反馈系统的 工作性能，要满足如下三个准则：1)足够大的开环传递函数增益|T|使得输出U(s)接近于 Uref(s) /H(s),并且与前向传递函数的增益关系不大，具有 很好的抗干扰能力。2)为防止一 40dB/10倍频程增益斜率的电路相位快速变化， 系统的闭环增益曲线在穿越频率附近的增益斜率应为一20dB/10倍频程。3)在穿越频率处保证足够大的开环传递函数的相位裕度， 一般 至少45° ;在T(s)的相位为一 1800时，保证幅值裕度 Gmf 一 10dBo基于以上的准则设计了由TL431和光耦TLP781组成的双极点 单零点反馈

10、补偿网络，TL431内部的电压基准Uref2. 5 V。 设计中略过了 UC2844的内部误差放大器，直接把反馈输入信 号接在误差放大器的输出端l脚，利用TL431构成反馈补偿环 节。这种设计可以把反馈信号的传输时间缩短一个放大器的传 输时间，使电源的动态响应更快。误差放大器从误差输入信号到控制端的传递函数：Q (幻二火B1 + S.&Rd (1 + sRfG) 其中RB为UC284咕部0. 5mA电流源的等效电阻，Rg5kQ , RD=20G。补偿零点fzc=l /（2兀C1RF）补偿极点fpc=1/（2兀C2RF）反馈补偿网络设计的步骤如下：1）将穿越频率设定为右半平面零点频率的l

11、 /4处，即fc=1 / 4frz=3kHz。2）设定补偿零点fzc=1 /3fc=l kHz,补偿极点fpc=3fc=9kHz , 满足 fc/fzc=fpc/fc 。3）通过计算可得 C1=lOnF, C2=100nF RF=1 5kQ。由于反馈 补偿网络影响开环传递函数的特性，通过上式得到的补偿网络 可能并不满足设定的穿越频率，因此可以借助Matlab提供的伯德图分析工具配置参数，直到达到所需要的控制性能，图3 中的曲线2为较理想的补偿曲线。C = 20nF, C2- 22 On F , J? F= 1 k O , 人=723Hz, 4c=8kHz,/=3.4kHz。补偿零点的设计要考虑

12、低频三相整流谐波（1 50Hz）,补偿极点 的设计考虑右半平面零点频率，并且要综合考虑相位裕量和稳 定带宽的关系，最终调节的参数如下：辅助补偿网络的传递函数G、（s）=：+弋,1 "T" J 3 AL 口另外，当负载RL较小，初级电感Lp较大时，右半平面零点频 率可能较低，这样就会造成反馈稳定的频带较窄，同时可能达 不到所要求的幅值裕度 Gms 10dBo为此，引入由Rx、Cx 构成的辅助补偿网络，与内部等效电阻 RB构成辅助零极点补 偿，进一步抵消右半平面零点频率的影响，使得反馈回路在满 足幅值裕度和相位裕度的前提下，能获得较大的环路增益。辅助补偿的零点fzx=l /（2

13、兀CxRx）,辅助补彳11的极点fpx=1 /（2兀CxRB）其中，fpx 一般设计在frz附近，fzx=3fpx。辅助补偿网络的幅频和相位曲线如图 3中曲线4所示。反馈网络补偿后总开环传递函数 T（s）的幅频和相频特性曲线 如图3中曲线3所示。由于三相整流电路产生的直流输入具有 三相交流输入的3次谐波（150Hz）,因此需要开关电源在低频 处有很好的频率响应特性，通过调节 RD的值得到较大的增益 |T| ;通过设计反馈补偿网络，使得开环传递函数T（s）在穿越 频率fc处的斜率为一 20dB/10倍频程，并且具有91°的相 位裕度（如图3所示）。因此，设计的反馈补偿网络是成功的， 开关电源能够稳定工作并且具有很好的动态响应特性。4实验分析为测试所设计的开关电源的稳定性和动态响应性能， 设计如下 的实验：将负载由半载到满载突变和满载到半载突变（包括5V 反馈负载突变），观察5V的输出波形，实验波形如图4所示。图4负载突变时5V输出波形图4中上方所示为当负载突变时5V输出波形图（每格50mV） 下方为上方波形的区间放大。5V输出电压为4. 99V（电压值通 过配置电压采样网络 R1和R2得到），满载时纹波40mV半载 时纹波14mV当负载由半载到满载突变（5V由空载到满载）， 5V电压下降大约20mV寸反馈系统开始响应，并迅速调整输出 电压值，在Q 5ms的时