开关电源的定量分析

开关电源的定量分析

1基本电路pfc开关矩阵的非线性用于定义输入功率与输入界面功率比的关系。一般来说，简单的滤波电路只在输入电压的最大值处有脉冲电流，即只在输入电压的最大值处获得电压。脉冲电流包含大量的波幅，导致大量的无功率，设备的矩阵矩阵一般来说小于0.7。输出校正电路的基本原则不是局部设备的功率分布，而是通过调整周期内的能量分布，使输入电压以与输入电压一样的正相关波。图1显示了矩阵校正的基本电路。基本PFC电路的核心是电流控制环,它由一个电流误差放大器,一个PWM比较器,一个乘法器以及高频提升电路组成,它迫使输入电流跟踪输入电压波形而呈正弦波形。电流IPR(它正比于输入整流电压)和误差放大器输出电压VEAOUT在乘法器中相乘,产生电流IMO,通过电阻Rc,在其上产生一个电压,(它具有与输入整流电压相同的波形),输入电流IL通过取样电阻RS产生一个电压VS,它与RC上的电压相减后加在电流误差放大器的输入端,由于电流环是无差的,它必将迫使RC和RS上的电压差等于0,即迫使主回路电流跟踪输入整流电压的波形,呈正弦波整流波形,因而输入电流就呈正弦波形,这一结果的实现是靠PWM开关电路来完成的,电流误差放大器输出电压与一个三角波电压在PWM比较器中比较后产生一个PWM触发脉冲,去驱动MOSFET,脉宽调制的高频开关电流在提升电感L的作用下全周期向负载提供电能,而不是象普通整流电路那样,只在电压峰值时提供电能。有代表性的PFC产品是UNITRODE公司的UC3854和MICROLINEAR公司的ML4821,后来又出现软开关型控制芯片UC3855和ML4822。从控制系统的角度来看,这些控制芯片组成的PFC电路都不外乎是一个电压-电流双闭环控制系统,其中包含一个关键部件——模拟乘法器。2gm调制器简介双闭环控制系统的内环是一个电流控制环,它由电流调节器、PWM比较器和功率转换电路组成,其作用是迫使输入电流跟踪输入电压的波形。可导出电流环结构图如图2所示。功率转换电路的传递函数:GΡS(S)=VS(S)DΟΝ(S)=VΟUΤRSSL(1)GPS(S)=VS(S)DON(S)=VOUTRSSL(1)其中,VS=IL·RS是电阻RS上的取样电压;DON(S)是脉冲占空比;VOUT是输出电压;L是主回路电感。PWM调制器的传递函数:GΡWΜ(S)=ΔDΟΝΔV-=ΚΡWΜ(2)其中V-1是PWM比较器的反向输入端电压,即电流调节器输出VCAOPFC控制芯片中都有一个电流放大器CA,由它组成如图3形式的PI调节器。其传递函数G1(S)=VCAΟΙΜΟRC-VS=1R2⋅1+SC1R3SC1(SC2R3+1)(3)可得电流环开环传递函数GΙΚ(S)=G1(S)⋅GΡWΜ(S)⋅GΡS(S)=ΚΡWΜ⋅VΟUΤ⋅RS(1+SC1R3)S2LR2C1(SC2R3+1)(4)可见这是一个二阶无差系统,它可以无差地跟踪正弦波输入函数,从而使输出电流IL无差地跟踪LMO的波形。3pfc芯片中电压环结构双闭环控制系统的外环是一个电压控制环,其作用是使输出电压保持在高于输入电压峰值的电平上,这是PFC所必需的,并且可以起到稳定输出电压的作用。包含电流环,乘法器在内的电压环结构图如图4所示。前向通道传递函数:GVOL由于电流环是无差的,故IMORC=VS=IL·RS(5)乘法器输出IMO=KISINEVEAOUT(6)故有KISINEVEAOUT·RC=IL·RS(7)两边取有效值ΙSΙΝE=VRΜSRL,ΙL=ΡΙΝVRΜS则Κ⋅V2RΜSRL⋅RC⋅VEAΟUΤ=ΡΙΝ⋅RS(8)ΡΙΝ≈ΡΟUΤ=VΟUΤ⋅ΙΟUΤ则Κ⋅V2RΜSRL⋅RC⋅VEAΟUΤ=VΟUΤ⋅ΙΟUΤ⋅RS(9)GVΟL(S)=VΟUΤ(S)VEAΟUΤ(S)=ΚV2RΜSRCRSRLΙΟUΤ(10)得电压环结构图如图5所示。PFC芯片中都有一个电压放大器VA,由它组成如图6所示的积分调节器。电压调节器传递函数:GV(S)=VEVΟUΤVREF-VF=1RaC6S(11)可得电压环开环传递函数:可见,这是一个一阶无差系统,它可以无差地跟踪单位阶跃函数,因此,对于给定VREF(定值),输出是稳定不变的。4u3000电流环的确定乘法器是PFC芯片中一个关键部件,在ML4821中,乘法器输出IMO为IMO=KISINEVEAOUT(13)其中K是一个与输入电压的倒数1/V2RΜS成正比的变系数。在UC3854中,ΙΜΟ=VEAΟUΤ⋅ΙSΙΝEV2RΜS(14)可见二者没有本质区别。乘法器的作用,一方面用电压误差放大器的输出VEAOUT和输入波形函数ISINE的乘积来作为电流环的给定,使系统既跟踪输入电压波形又稳定输出电压。由电流环可知,IL无差地跟踪了IMO,而IMO中含有VEAOUT和ISINE的乘积且ISINE=VIN/RL,故IMO与输入整流电压VIN波形相同,因此,输入电流IL具有与VIN相同的波形。另一方面,由(10)式可知,引入乘积项1/V2RΜS可抵消输入电压V2RΜS