电流控制型开关电源电流反馈控制方式的改进

电流控制型开关电源电流反馈控制方式的改进

1电源及电流控制传统的ms电压控制方法引入了电流反馈，将原电压单链压环的控制引入电压双链压环的控制，提高了供电的性能。电流控制有峰值电流控制和平均值电流控制两种方式。峰值电流方式的控制方法简单,专用芯片多,如UC3842、UC3846等,应用广泛。但在峰值电流控制的Buck系列电路中,由于反馈电流的变化不能全面地反映负载电流变化,当占空比D>50%,电源不能稳定工作,限制了峰值电流控制方式的应用,必须加以斜坡补偿改善。2载荷放电后电源性能图1是峰值电流控制原理图。恒频时钟脉冲置位锁存器后开关管导通,变压器初级线圈瞬态电流i1上升,i1经检测电阻Rs产生电流反馈电压Vs。输出电压Vout反馈后与基准电压Vref经误差放大器比较放大,得到控制电压Ve。当Vs峰值达到Ve电平值时,PWM比较器状态翻转使锁存器复位,开关管截止,等待下一个时钟脉冲。可见,输出电压决定的控制电压和电感电流决定的电流反馈电压共同决定了电源的占空比。峰值电流控制方式显著提高了电源的性能:(1)具有良好的线性调整率和快速的输入输出动态响应。(2)固有的逐个脉冲电流限制,简化了过载和短路保护。(3)消除了输出滤波电感带来的极点,使电源系统由二阶降为一阶,系统不存在有条件的环路稳定性问题。(4)对并联工作的多台电源能够实现自动均流等。3电流反馈的稳定性Buck系列开关电源的直流负载电流是电感电流的平均值,而峰值电流控制方式的电流反馈电压的是由电感电流的峰值,由于峰值电流和平均值电流间的差别使得电流反馈的变化不能全面地反映负载电流的变化。当电源工作占空比D>50%时,电源不能稳定工作。主要表现在:(1)i02mm1112图2是D>50%时峰值电流控制的电感电流波形。Ve是误差放大器输出的控制电压,ΔI0是扰动电流,m1、-m2分别是电感电流的上升和下降斜率。由图2可知,经过一个周期,由ΔI0引起的电流误差ΔI1=ΔI0⋅m2m1ΔΙ1=ΔΙ0⋅m2m1,可以证明经过n个周期后,ΔI0引起的电流误差ΔIn为:ΔIn=ΔI0⋅(m2m1)n(1)ΔΙn=ΔΙ0⋅(m2m1)n(1)因此,当m2/m1<1,即D<50%时,电流误差ΔIn将逐渐衰减到0,系统稳定;而当m2/m1>1,即D>50%时,电流误差ΔIn将逐渐放大,将导致系统失控。电源的抗干扰性能差,不能稳定工作。4斜坡补偿电路采用加入斜坡补偿的方法,可以实现峰值电流控制开关电源在占空比D>50%时稳定工作。同时,由于占空比的使用范围增大,提高了开关电源变压器的利用效率,在输出相同功率时可使用体积更小的变压器,提高电源小型化和轻量化。加入斜坡补偿的方法有以下两种:(1)在控制电压Ve处加入斜坡补偿电压在控制电压Ve处叠加斜坡补偿电压形成新控制电压输入到PWM比较器的一端,与PWM比较器另一端的电流反馈电压Vs进行比较。图3是该种补偿方法的原理波形。-m是斜坡补偿电压的斜率。由图3可以证明,经过一个周期,由ΔI0引起的电流误差ΔI1为:ΔI1=ΔI0⋅m2−mm1+m(2)ΔΙ1=ΔΙ0⋅m2-mm1+m(2)经过n个周期后,ΔI0引起的电流误差ΔIn为:ΔIn=ΔI0⋅(m2−mm1+m)n(3)ΔΙn=ΔΙ0⋅(m2-mm1+m)n(3)如果能保证m2−mm1+m＜1m2-mm1+m＜1,占空比在0到1的变化范围内,电流误差ΔIn均将逐渐衰减到0。又有根据D·m1=(1-D)m2,消去m1,可得到加入斜坡补偿后,保证系统稳定的条件是:式(4)揭说明了峰值电流控制斜坡补偿和电源系统稳定性之间的关系:①系统未加入斜坡补偿,即m=0时,稳定的条件是占空比必须小于50%。②加入斜坡补偿后,当补偿斜坡斜率大于电感电流下降斜率的一半时,即m>0.5m2,在0<D<1的范围内,式(4)恒成立,系统始终是稳定的。实际设计中斜坡斜率常取为m2的0.7～0.8倍。(2)在电流反馈电压Vs处加入斜坡补偿电压图4是该种补偿方法的原理框图。通过斜坡补偿电路,在电流反馈电压上叠加由振荡器振荡波形形成的斜坡补偿电压,产生反馈电压V′s输入到PWM比较器的一端,与PWM比较器另一端的控制电压Ve进行比较,去控制电源的占空比。该种补偿方法与前一种补偿方法相比其结果是等效的,由于该方法实现电路简单,较为常用。加入斜坡补偿同时可解决电源输出轻载或空载时失控问题。当加入一定斜率的斜坡补偿电压后,在电源轻载或空载时,原有的电流反馈电压不起作用,而是靠斜坡补偿电压完成PWM控制,解轻载或空载失控问题。5ct和rs电路设计斜坡补偿电路如图5所示。所用电流控制芯片为UC3842。采用在电流反馈电压处加入斜坡补偿电压的方法。ΔVOSC经R1和R2构成的分压网络,产生斜坡补偿电压叠加到电流反馈电压上,实现斜坡补偿。R1和R2的值决定了斜坡补偿量。交流耦合电容C1去掉了振荡器电压的直流分量,仅将交流分量耦合到R2。电容C2和R1组成R-C滤波电路,抑制了反馈电流上升沿瞬时脉冲的干扰。CT和RS是定时电容和电流检测电阻。ΔVOSC是芯片振荡器锯齿波电压的峰—峰值,手册中可以查到。在斜坡补偿电路设计时,还应先确定以下几个参数:输出电压值UOUT、输出电感器LOUT、变压器匝数比N、开关管最大开通时间TON(max)(可大于50%)、检测电阻RS阻值等。斜坡补偿电路设计步骤如下:(1)计算输出电感电流下降斜坡斜率(2)计算反映到初级的电感电流下降斜坡斜率(3)计算电感电流反馈电压VS下降斜坡斜率VSVS=m2·RS(5)确定斜坡补偿比例M和R1、R2阻值令R1=1kΩ,则R2=VOSC⋅R1VS⋅MR2=VΟSC⋅R1VS⋅Μ(6)计算斜坡补偿后加到芯片电流检测输入端的反馈电压V′S=VS⋅R2R1+R2+VOSC⋅R1R1+R2VS´=VS⋅R2R1+R2+VΟSC⋅R1R1+R2其中:V′S1=VS⋅R2R1+R2VS1´=VS⋅R2R1+R2是由电感电流形成的反馈电压;V′S2=VOSC⋅R1R1+R2VS2´=VΟSC⋅R1R1+R2是斜坡补偿电压。6电源稳定性下降峰值电流控制是一种较理想的开关电源控制方式。当工作占空比小于50%,电源工作稳定,但变压器的利用率较低。如工作占空比大于50%,电源工作不稳定,出现失控现象。加入斜率大于电感电流下降斜率50%的补偿斜坡后,可使电源占空比在0<D<1的变化范围内都是稳定的,提高了电源的抗干扰能力,同时占空比使用范围的扩大,增大了变压器的利用率,促进开关电源的小型化和轻量化。应当说明:峰值电流控制方式中,占空比D>50%时电源工作不稳定是PWM变换器特有的稳定性问题,它与自动控制理论中的稳定性问题不同。自动控制理论中讨论的稳定性是反馈信号幅值与相位问题;