开关电源的环路设计及仿真

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基于UC3844的反激式开关电源控制环路设计实例开关电源的环路设计及仿真（完整版）实用资料(可以直接使用，可编辑完整版实用资料，欢迎下载）管晓磊哈尔滨九洲电气股份,黑龙江哈尔滨150081摘要:电流型控制芯片UC3844已经广泛应用在开关电源中,本文是基于UC3844设计的控制环路,阐述了反激式开关电源控制环路的一般方法。关键词:控制环路设计UC3844反激开关电源引言在开关电源的设计过程中,控制环路的设计至关重要,控制环路的设计可以决定电源的成败与否。开关电源的控制方式有电流控制方式和电压控制方式两种。电源系统的传递函数随控制方式的不同而有很大差异,因此在环路设计分析时,应独立分开。本文对基于UC3844构建的开关电源控制环路进行设计分析.论述开关电源电流型控制环路设计的一般方法。1.UC3844概述Uc3844是一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片,其内部结构电路如图l所示,它集成了振荡器、具有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输入和基准欠电压锁定电路及PWM锁存器电路。图12.反馈环路设计图2为电流控制方式的双管反激开关电源的反馈控制环路电路。其中电流型控制芯片UC3844放在开关线圈的初级,控制功率开关。在次级电路中,稳压器件TL431作为基准和反馈误差放大器,采样输出,并产生相应的误差电压。该误差电压通过光耦TLP521-1转变成误差电流,耦合到初级中,作为控制芯片UC3844的输入。UC3844通过此输人,产生相应的占空比信号来控制功率开关。由于在设计中运用了TL431内部的反馈运算放大器,所以在光耦接UC3844时,略过了UC3844的内部运放,直接把误差输入接UC3844内部运放的输出端,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。图2中部分参数如下,输入电压415~630VDC,主输出为15V/0.6A20V/1.8A,初级匝数为96匝,次级匝数15V一路为4匝,20V一路为5匝,开关频率为40KHZ,R4为17.8k,C6C7R7为待求的补偿参数;图2(应用在大功率开关电源中的辅助电源控制部分3.系统的闭环稳定标准稳定性通常用相位裕量φm和增益裕量Gm两个参数来衡量][1。φm为当闭环系统中增益穿越频率(Gs=0dB所对应的相位值与360。的差值;Gm为相位在360。时的增益值低于单位增益的量。在工程设计中,通常要求Gm<-10dB,φm≥45。][2,这是因为如果φm在小,就意味着相位向360。靠近,就是一个亚稳态系统,这样在负载或母线发生较大瞬态变化时,电源就会产生振荡。4.电流型常用的误差放大补偿器主要有单极点补偿器具有带宽增益限制的单极点补偿器极点零点补偿器和双极点双零点补偿器,下图3所示为本文所要采用的极点零点补偿器电路图,图4为补偿器的博德图图3图4这种补偿器用在具有单极点滤波响应的拓扑中,这些拓扑有:电压型控制电流断续的反激式变换器和电流型控制正激式变换器和反激式变换器。该补偿器有直流增益大,相位超前的特性。这种补偿方法在直流处有一个极点,通过提高误差放大器的开环增益来改善输出调节性能,在输出滤波器最低极点频率或以下引入一个零点,以补偿滤波器的极点引起的相位滞后。补偿器的最后一个极点用来衰减高频分量,以抵消输出滤波电容ESR引起的零点作用。5.控制环路参数设计通常,主电路是根据应用要求设计的,设计时一般不会提前考虑控制环路的设计。在这里,主要介绍控制环路的设计,其他主功率部分就不在叙述。本文直接根据控制到输出特性来设计控制环路,控制到输出特性定义为电源系统中不考虑误差放大器的特性,误差电压输入到PWM的点作为系统输入点,输出反馈电压输入到误差放大器负端的点作为系统输出点,如图5所示图5本文是采用电流型控制的反激式变换器,为了得到好的负载调整率和暂态响应,选用极点零点补偿器,首先要知道控制到输出的特性的直流增益,Adc=((Vin-Vout2/Vin△V×(Nout/NinAdc[3]=((630V-15V2/630V*1V×(4匝/96匝=25.04该增益用分贝表示为Gdc=20lg04.25=28dB,然后确定滤波器的极点,虽然+15V占检本文是把控制理论与开关电源的控制环路相结合的工程算法，是一种通用性比较强的方法，阐述了双管反激开关电源中基于TLP521-1和TL431配合环路的补偿设计，通过选择合适的零极点保证系统的稳定工作。本电路已随产品大批量生产应用到现实领域当中，证明本方案的可行性。参考文献[1]韩林华，吴遁陵，史小军，朱为，堵国梁，反激开关电源中基于PC817A与TIA31配合的环路动态补偿设计.电子工程师，2005，（11）.[2]张占松,蔡宣三.开关电源的原理与设计.北京:电子工业出版社,1998[3]MartyBrown著徐德鸿等译开关电源设计指南.北京：机械工业出版社TheControl-loopDesignExampleofFlybackSMPSBaseonUc3844GuanXiaoLei（HARBINJIUZHOUELECTRICCO.,LTD，HaErBin150081China）【Abstract】Currentcontrolpulse-durationmodulationchipUc3844hasbeenwidelyappliedinthedesignofflybackSwitch-ModePowerSupply,ThisarticleisbasedonthedesignofthecontrolloopUC3844,OnflybackswitchingpowersupplycontrolloopofthegeneralapproachKeyWord:Controlloopdesign;Uc3844;FlybackSwitchingmodepowersupply;作者简介：管晓磊（1984-）男助理工程师研究方向为大功率高频开关电源用E5061B测试开关电源的环路增益本文就开关电源的基本原理,环路增益(业界也叫波特图测试对仪表的要求,以及具体的测试示例做了简要的介绍。首先让我们来看看开关电源的简单的工作原理。上图是一个开关电源工作的基本框图。交流输入电压在经过噪声滤波器,整流器/平滑电路和一个低通滤波器后转变为直流输出。如何让输出电压保持恒定?需要引入一个反馈环路。其中的一个关键部件是误差放大器,输出电压经过反馈网络后输入到运算放大器的反相端,与正相端的参考电压相比较。如果输出电压过高,这个运算放大器的反相输入端电压将高于同相输入端电压,从而使运算放大器的输出为负,降低电源输出电压。如果输出电压过低则有相反情况发生。运算放大器两个输入端之间的差值被误差放大器放大后,用来改变脉冲宽度调制器的脉冲宽度。开关转换器根据脉冲宽度调制器产生的脉冲宽度来改变开关电源的输出电压。上图图说明具体的开关行为。脉冲宽度调制器产生脉冲,其占空比随误差放大器的输出改变。图的右边表示脉冲宽度调制器的输出,左边表示通过低通滤波器后的输出电压。我们可以看到输出电压的幅度随脉冲占空比大小而改变。开关电源就是通过这样的一个反馈环路实现稳定的电压输出。目前业界对开关电源的测试更多的是测试它的带载能力以及输出的纹波。也就是说更多的倾向于开关电源外特性的测试。但是我们从上面可以看出,开关电源的环路更需要准确的评估。环路是否稳定需要有量化的指标,比如大家所熟知的增益裕量和相位裕量就是衡量开关电源环路稳定的指标。环路增益测量对仪器的要求环路增益的测试需要用到矢量网络分析仪,下表给出了其对仪表的要求:对仪器的要求a.频率范围从10Hz至50Hz或更多b.窄带宽c.小的频率增量d.对数扫频e.增益和相位格式f.光标功能:至少4个光标(每个余量2个光标或具有光标差值显示功能g.小功率电平h.具有高阻抗测试能力E5061B(网络分析仪a.频率范围:5Hz至3GHzb.中频带宽:1Hz至300kHzc.测试点数:2到1601点数频率分辨率:1mHzd.扫频类型:对数扫频e.格式:对数幅度和相位f.光标:9个光标具有光标差值功能g.输出功率电平:-45dBm至20dBmh.1MΩ/50Ω内部可以切换过去大家一般会用到4395A(10Hz-500MHz去测试开关电源,由于4395A内部没有50欧/1兆欧的转换,需要外置41802A才能实现测试。DC-DC转换器环路增益对DC-DC转换器/开关模式电源来说,反馈环路分析法是评估它们控制环路电路稳定性的一项必要的测试方法。让我们来练习如何测试环路特性。反馈函数转移函数的测量,T/R=-Aβ。基本的测试原理是:扫频信号源输出的信号注入到环路,下图中蓝色箭头所示。网络仪内部的接收机R监测环路输入信号的大小,经过环路输出的信号进入网络仪内部的T接收机。二者之比T/R即环路的增益。也就是信号沿下图红色虚线所走的路径。信号注入装置可以采用变压器电阻或者运算放大器的加法电路。具体的测试连接如下图:E5061B的LF输出端的输出扫频信号经过一个隔离变压器注入到环路里面,隔离变压器主要有两个作用,第一个作用是保护仪表。可以避免环路的直流信号串入E5061B。另一个作用是阻抗变换,实现匹配。E5061B的LF端口的特性阻抗是50欧,所以在隔离变压器的次级串了个50欧的电阻R5。需要注意的是:隔离变压器需要足够的带宽,而且在所测试的带宽范围内阻抗尽量保持在50欧左右。另外,在测试过程中,开关电源的负载通常建议在空载,半载和满载的情况下分别测试环路增益。DC-DC转换器环路增益,步骤(1如下图所示,把DUT与直流电源和E5061B相连DC-DC转换器环路增益,步骤(2为方便操作,[*]表示E5061B面板上的硬功能键(*表示E5061B的软功能键按如下步骤设置E5061B:1.[Preset](OK将仪表设到预置状态,2.[Meas],(MeasurementPort->Gain-Phase,选择测试的模式为增益,相位。也就是大家熟悉的波特图模式。3.[Start],100Hz,[Stop]1MHz,根据自己的需要设置测试的频率范围4.[SweepSetup],(Power,-10dBm,(Return,(SweepType->LogFreq,设置E5061B的输出功率,要注意不能设太高,否则会造成环路饱和。同时设置横轴的扫描为对数扫描5.[Avg],(IFBWAuto->ON,(IFBWAutoLimit,100Hz,设置E5061B的接收机的中频带宽。6.[Display],(NumofTraces,2,(AllocateTraces,x2,将显示分为上下两个图。7.按[Tracenext],激活trace-1,按[Format],选(LogMag,按[Tracenext],激活trace-2,按[Format],选(Phase。设置直流电源的输出电压为+5V(具体电压大小根据自己的开关电源来设定,打开DUT(注意增加输出电压时不要损坏DUT。现在你可以在屏幕上看到类似上图的环路增益和相位响应。按[Tracenext]激活trace-1,按[Markersearch](target,(SearchTarget将搜索的目标值设到0dB,这时可以看到光标会跳到如上图所示的0dB点,现在你可以在曲线2上看到相位裕量为90度左右,这要远远高于一般的稳定准则值(>60度。通过这样的测试,我们可以对开关电源的内部环路特性做很好的评估。研发工程师可以因而改善开关电源的性能。品管工程师可以对开关电源的性能做全方位的跟踪。开关电源控制环设计资料来源:Switchingpowersupplycontrolloopdesign(ASTEC-ApplicationNote5译者:smartway1.绪论在开关模式的功率转换器中,功率开关的导通时间是根据输入和输出电压来调节的。因而,功率转换器是一种反映输入与输出的变化而使其导通时间被调制的独立控制系统。由于理论近似,控制环的设计往往陷入复杂的方程式中,使开关电源的控制设计面临挑战并且常常走入误区。下面几页将展示控制环的简单化近似分析,首先大体了解开关电源系统中影响性能的各种参数。给出一个实际的开关电源作为演示以表明哪些器件与设计控制环的特性有关。测试结果和测量方法也包含在其中。2.基本控制环概念2.1传输函数和博得图系统的传输函数定义为输出除以输入。它由增益和相位因素组成并可以在博得图上分别用图形表示。整个系统的闭环增益是环路里各个部分增益的乘积。在博得图中,增益用对数图表示。因为两个数的乘积的对数等于他们各自对数的和,他们的增益可以画成图相加。系统的相位是整个环路相移之和。2.2极点数学上,在传输方程式中,当分母为零时会产生一个极点。在图形上,当增益以20dB每十倍频的斜率开始递减时,在博得图上会产生一个极点。图1举例说明一个低通滤波器通常在系统中产生一个极点。其传输函数和博得图也一并给出。2.3零点零点是频域范围内的传输函数当分子等于零时产生的。在博得图中,零点发生在增益以20dB每十倍频的斜率开始递增的点,并伴随有90度的相位超前。图2描述一个由高通滤波器电路引起的零点。存在第二种零点,即右半平面零点,它引起相位滞后而非超前。伴随着增益递增,右半平面零点引起90度的相位滞后。右半平面零点经常出现于BOOST和BUCK-BOOST转换器中,所以,在设计反馈补偿电路的时候要非常警惕,以使系统的穿越频率大大低于右半平面零点的频率。右半平面零点的博得图见图3。3.0开关电源的理想增益相位图设计任何控制系统首先必须清楚地定义出目标。通常,这个目标是建立一个简单的博得图以达到最好的系统动态响应,最紧密的线性和负载调节率和最好的稳定性。理想的闭环博得图应该包含三个特性:足够的相位裕量,宽的带宽,和高增益。高的相位裕量能阻尼振荡并缩短瞬态调节时间。宽的带宽允许电源系统快速响应线性和负载的突变。高的增益保证良好的线性和负载调节率。3.1相位裕量参看图4,相位裕量是在穿越频率处相位高于0度的数量。这不同于大多数控制系统教科书里提出的从-180度开始测量相位裕量。其中包括DC负反馈所提供的180度初始相移。在实际测量中,这180度相移在DC处被补偿并允许相位裕量从0度开始测量。根据奈奎斯特稳定性判据,当系统的相位裕量大于0度时,此系统是稳定的。然而,有一个边界稳定区域存在,此处(指边界稳定区,译注,系统由于瞬态响应引起振荡到经过一个长的调节时间最终稳定下来。如果相位裕量小于45度,则系统在边界稳定。当相位裕量超过45度时,能提供最好的动态响应,短的调节时间和最少过冲。3.2增益带宽增益带宽是指单位增益时的频率,见图4,增益带宽就是穿越频率Fcs。最大穿越频率的主要限制因素是电源的开关频率。根据采样定理,如果采样频率小于2倍信号频率(更严谨一点的说法是应该小于2倍最大信号频率,译注,则被采样的信息就不能被完全读取。在开关电源中,开关频率可以从输出纹波中看得出来,它是错误的信息,并且必须不被控制环路所传递。因此,系统的穿越频率必须小于开关频率的一半,否则,开关噪声和纹波会扭曲输出电压中想要得到的信息,并导致系统不稳定。3.3增益高的系统增益对于保证好的线性和负载调节率提供重要贡献。它能够使PWM比较器在响应输入输出电压的变化时精确地改变电源开关的占空比,通常,需要在决定高增益和低相位裕量之间做出权衡。4.实际设计分析举例用经典环路控制分析方法,开关调整器的控制环分为四个主要部分:输出滤波器,PWM电路,误差放大器补偿和反馈。图5用方块图举例说明这四部分,图6举例说明一个开关电源电路图。首先,输出电压被反馈网络降压,然后把这个反馈电压送入误差放大器,使之与基准电压相比较而产生一个误差电压信号。脉宽调制部分拾取这个误差电压并且把它与功率变压器的电流相比较并转化为合适的占空比去控制输出部分功率脉冲调制的数量。输出滤波器部分使来自于功率变压器的斩波电压或电流平滑,使反馈控制环完善。下面确定每一部分的增益和相位,并把他们联合起来形成系统的传输函数和系统的增益相位点。4.1反馈网络H(s反馈网络把输出电压降到误差放大器参考电压的水平,其传输式按简单的电阻分压式得到:4.2输出滤波部分G1(S在电流模式控制系统中,输出电流被调节以达到目标的输出电压。输出滤波部分把脉动的输出电流转换为目标输出电压。小信号分析得到:输出电容的ESR和反馈网络的电阻(R1+R2=RFB反映出输出滤波器传输函数的特性。图7的电路分析给出ESR和RSENSE的影响。传输函数G1(S给出RFB的初始低频增益。这个增益在fPOLE=1/2*π*(RFB+ESR*C处开始滚降,并在fZERO=1/2*π*ESR*C变为水平。G1(S的博得图见图8。4.3PWM电路部分G2(S光耦电路把误差放大网路产生的误差信号传输到主边。AS3842PWM电路把这个误差电压与通过主边功率变压器的电流进行比较。然后功率场效应管的占空比被调制,以提供足够的电流到副边来维持想要的输出。光耦的小信号传输函数是与光耦的电流传输比成比例的固定增益。R5(原文误为R6,式5一并改为R5,译注是与光耦的二极管串联的限流电阻,并且是AS3842误差放大器的输出阻抗(此句应该理解为R5是这个AS3842开关电源电路中,误差放大器部分的输出阻抗,译注。这一点在应用文档“SecondaryerroramplifierwiththeAS431”中有深入的阐述。从误差放大器的输出到AS3842的COMP脚的传输函数是:VCATHODE是AS431的阴极电压,也就是误差补偿放大器的输出电压。CTR是光耦的电流传输比。R5(原文为R6,译注是与光耦的二极管串联的限流电阻。RCOMP是AS3842的COMP脚当其试图拉电流超过它的最大输出电流时的输出阻抗。当误差信号传递到补偿脚以后,将其与电流检测信号比较。图9表示一个电流检测比较器和开关部分的简单框图:在闭环系统中,VCOMP与ISENSE维持同样的电平.因此,IPRIMARY被VCOMP有效的调节:从ISECONDARY以后(见图9,副边电流或者说输出电流与主边电流成比例,把等式(4重新排列表示出副边电流与VCOMP之间的关系.结合等式(3和(6得到PWM部分的传输函数:传输函数G2(s仅包含增益没有相移.4.4误差放大器补偿网络G3(S一旦输出滤波器和PWM电路部分的传输函