開關(guān)電源控制系統(tǒng)的輸出反饋回路設(shè)計(jì)案例目錄TOC\o"1-3"\h\u8163開關(guān)電源控制系統(tǒng)的輸出反饋回路設(shè)計(jì)案例 1241301.1反饋環(huán)路控制理論 1258761.2反激式開關(guān)電源的反饋回路 2191351.3反饋回路設(shè)計(jì) 4開關(guān)電源控制系統(tǒng)主要是由PWM調(diào)制器、變壓器、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路、反饋控制環(huán)路等構(gòu)成，故開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng)和反饋控制設(shè)計(jì)關(guān)系緊密，在設(shè)計(jì)反饋控制回路前，需要得到PWM控制器、變壓器、開關(guān)管驅(qū)動(dòng)電路等的動(dòng)態(tài)模型，然后得到被控元器件的數(shù)學(xué)公式，由此推導(dǎo)得到傳遞函數(shù)，在分析時(shí)域特性和頻域特性，由此從理論上分析開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)模型和補(bǔ)償回路。1.1反饋環(huán)路控制理論如圖所示的控制系統(tǒng)框圖圖3-4控制系統(tǒng)框圖系統(tǒng)的閉環(huán)傳遞函數(shù)為V當(dāng)分母1+G(s)H(s)=0時(shí)，可知輸出將等于無(wú)窮大，系統(tǒng)也不收斂，不可靠工作，缺少穩(wěn)定性經(jīng)過(guò)上述簡(jiǎn)單計(jì)算分析可知，G(S)和H(S)在影響擾動(dòng)信號(hào)的情況下，擾動(dòng)信號(hào)的模依舊沒(méi)有改變，另一方面相位變化了180°，我們則可以判定這是一個(gè)不穩(wěn)定工作的閉環(huán)系統(tǒng)。然而，這個(gè)系統(tǒng)因?yàn)槭秦?fù)反饋系統(tǒng)的緣故，H(S)對(duì)擾動(dòng)信號(hào)產(chǎn)生影響之后，已經(jīng)發(fā)生了180°的相位變化，基于這個(gè)原因，我們?cè)诿枋鲞@樣的負(fù)反饋的閉環(huán)系統(tǒng)，則為：若擾動(dòng)信號(hào)在主電路的影響和反饋電路的影響下，它的模大小沒(méi)有發(fā)生改變，它也沒(méi)有相位變化，我們則稱這是一個(gè)不穩(wěn)定工作的系統(tǒng)。系統(tǒng)的傳遞函數(shù)的增益為等于1的時(shí)候，我們稱這個(gè)頻率是穿越頻率，換算為dB單位：20log1=0dB。以自動(dòng)控制理論來(lái)說(shuō)，在穿越頻率點(diǎn)上，當(dāng)相位變化不是等于180°時(shí)，這個(gè)系統(tǒng)就能穩(wěn)定工作。但是由于系統(tǒng)的變化性，各種參數(shù)可能受環(huán)境因素影響發(fā)生改變，若這種影響是的相位變化趨于180°，那么系統(tǒng)則有很大可能會(huì)由穩(wěn)定變成不穩(wěn)定工作的狀態(tài)，在實(shí)際中要預(yù)設(shè)這種情況的出現(xiàn)并盡量規(guī)避它，此時(shí)應(yīng)保證系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)相位變化與180°之間留有充足的裕量?，F(xiàn)在在工程設(shè)計(jì)中普遍的處理辦法是留有45°的相位裕量，這也意味著相位變化要比135°小，這種處理方法既顧及了環(huán)路系統(tǒng)的穩(wěn)定性，另一方面也滿足了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度的要求，理論分析知留有的相位裕量若其值太大，那么會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的速度慢下來(lái)。根據(jù)自動(dòng)控制理論，在整個(gè)系統(tǒng)的環(huán)路電路中，如果有一個(gè)極點(diǎn)，那么增益曲線斜率會(huì)在此極點(diǎn)轉(zhuǎn)折頻率上增加-1，如果有一個(gè)零點(diǎn)，那么增益曲線斜率會(huì)在此零點(diǎn)的轉(zhuǎn)折頻率點(diǎn)上增加+1，這也就是工程上稱的零極點(diǎn)系統(tǒng)。1.2反激式開關(guān)電源的反饋回路對(duì)于反激式開關(guān)電源而言，由于反激式拓?fù)錄](méi)有LC濾波電路造成的-180°相位落后，所以反饋補(bǔ)償回路較為簡(jiǎn)單。輸出濾波電路有一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)，所以在工程設(shè)計(jì)上通常用具有一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)的Ⅱ型補(bǔ)償電路作為反激式拓?fù)涞姆答伩刂齐娐?。如圖所示是Ⅱ型補(bǔ)償電路的微分等效電路。圖3-5典型Ⅱ型補(bǔ)償電路的微分等效電路其傳遞函數(shù)為

G變壓器工作在DCM模式下，其本質(zhì)上是一個(gè)儲(chǔ)能電感，開關(guān)周期內(nèi)變壓器的初級(jí)繞組線圈儲(chǔ)存的能量傳遞到次級(jí)側(cè)，如圖所示。圖3-6典型開關(guān)電源能量傳輸回路斷續(xù)模式下控制到輸出的傳遞函數(shù)為G這里，CO1是主反饋電容，RC1是主反饋電容的ESR，則是等效到主反饋的總負(fù)載，wzwz=直流增益為G依據(jù)上述自動(dòng)控制理論分析，在主電路上添加反饋回路后，為了使得系統(tǒng)穩(wěn)定工作，要讓系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)滿足：（1）穿越頻率留有的相位裕量在理論上要比45°大；（2）幅頻曲線在經(jīng)過(guò)穿越頻率點(diǎn)時(shí)，應(yīng)該滿足其斜率等于-20dB/decade；（3）相位變化等于-180°時(shí)，應(yīng)該盡量使得增益裕量比10dB小；（4）盡可能增大低頻增益1.3反饋回路設(shè)計(jì)對(duì)于單端反激式開關(guān)電源，在設(shè)計(jì)這一電路的反饋回路時(shí)，穩(wěn)壓管TL431與光耦模式的應(yīng)用是比較常見且廣泛的，本次設(shè)計(jì)也將采用這一結(jié)構(gòu)。UC2843芯片作為一款電流型控制芯片[25]，它將位于變壓器的初級(jí)側(cè)來(lái)控制開關(guān)管MOSFET，而在反饋回路中，穩(wěn)壓管TL431扮演的角色是基準(zhǔn)和反饋誤差放大器，它通過(guò)對(duì)輸出電壓信號(hào)采樣，這時(shí)將會(huì)計(jì)算出一個(gè)誤差電壓，而這個(gè)誤差電壓在光耦的作用下將轉(zhuǎn)變成誤差電流，然后耦合到初級(jí)電路，與UC2843芯片的comp端相連接，輸入到UC2843中，在這個(gè)輸入的誤差電流下，UC2843芯片內(nèi)部會(huì)有相對(duì)應(yīng)的占空比信號(hào)產(chǎn)生，并通過(guò)這個(gè)信號(hào)控制開關(guān)管MOSFET，這種反饋回路的設(shè)計(jì)的優(yōu)勢(shì)在于可以將反饋信號(hào)時(shí)間直接等效于放大器的傳輸時(shí)間，提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度。（1）基準(zhǔn)電源芯片TL431是一款性能優(yōu)良的三端可編程式并聯(lián)穩(wěn)壓器，它的電壓可調(diào)范圍為2.5~36V。其等效電路圖如圖所示：圖3-7TL431等效電路圖TL431芯片有三個(gè)引腳，這三個(gè)引腳是參考電壓、陽(yáng)極和陰極，其中，在參考端存在兩個(gè)電阻，這兩個(gè)電阻起到分壓的作用，參考電壓經(jīng)過(guò)這個(gè)引腳輸入；陽(yáng)極一般情況下接地；陰極則一般接一個(gè)限流電阻到電源的正極。因此在功能上，可以簡(jiǎn)化成內(nèi)部集成電路2.5V的基準(zhǔn)電壓、差分運(yùn)算放大電路和集電極開路的三極管構(gòu)成。在等效電路圖中，Vref的值是2.5V，得到的參考電壓V（2）光耦是一種通過(guò)光線采樣作為中間介質(zhì)，然后再傳輸電信號(hào)的器件，當(dāng)輸入端輸入的是電信號(hào)時(shí)，光耦內(nèi)部的發(fā)光器將產(chǎn)生光線，受光器在被光線照射到后后產(chǎn)生光電流，這樣就完成了“電-光-電”控制過(guò)程。光耦有線性和非線性兩種，對(duì)于開關(guān)電源的反饋回路，設(shè)計(jì)中通常采用的是線性光耦，這是因?yàn)榫€性光耦的電流傳輸曲線是線性的，傳輸小信號(hào)在這種情況下傳輸?shù)姆€(wěn)定性更高。在本次設(shè)計(jì)中，采用了OPB871N557光耦。（3）基于TL431的光耦反饋控制電路如圖所示。圖3-8基于TL431的光控反饋回路輸出電壓大于11.5V時(shí)，TL431的參考端電壓大于2.5V，此時(shí)陽(yáng)極與陰極導(dǎo)通，從而光耦輸入端的發(fā)光二極管導(dǎo)通，這時(shí)輸出端的三極管也導(dǎo)通，輸入到UC2843的comp端被拉低到0；當(dāng)輸出電壓小于11.5V時(shí)，TL431的參考端電壓小于2.5V，此時(shí)陽(yáng)極和陰極不導(dǎo)通，發(fā)光二極管也不導(dǎo)通，輸出端三極管截止，輸入到UC2843芯片comp端的電壓為高電平[26]。分析計(jì)算TL431反饋回路中電阻R1－R4的取值。在反饋回路中，電阻R1與電阻R2串聯(lián)，擔(dān)任分壓的作用，輸出電壓恒定不變時(shí)，TL431芯片的參考端電壓等于2.5V，盡量使得調(diào)整精確，電阻R1和電阻R２的取值選取也要采取精密的選擇，應(yīng)該選取的精度達(dá)到1%，而電阻R2的取值還要考慮TL431參考端的輸入電流是1.8μA，而這個(gè)電流可能會(huì)影響電阻R1和R2的分壓，所以為了盡量避免出現(xiàn)這一情況，同時(shí)也減少電路中噪聲的影響，流過(guò)電阻R2的電流值要遠(yuǎn)大于TL431參考端的輸入電流，可取為TL431參考端輸入電流的100倍即0.18mA，故電阻R2的取值應(yīng)該小于2.5V0.18mA=13.9kΩ，另一方面，考慮到電阻對(duì)電路的功率消耗，電阻R2的取值應(yīng)該盡可能的小，本次論文設(shè)計(jì)中，輸出電壓為15V，考慮電阻R1取值為10kΩ，電阻R2取值為2kΩ電阻R3和光耦LED正極串聯(lián)，再與電阻R4并聯(lián)，這樣構(gòu)成一個(gè)電流源，這個(gè)電流源將為TL431提供最小工作電流，為使TL431正常工作，在流過(guò)電阻R3的電流趨于0時(shí)，也要大于1mA，而光耦LED的正向壓降等于2V，則需要滿足R另一方面，光耦的輸出電流I4也存在條件，I4＝I3CTR，CTR指的是光耦的電流傳輸比，經(jīng)查詢數(shù)據(jù)手冊(cè)知，光耦通過(guò)的電流最大承受值等于50mA，這時(shí)則需要考慮電路的限流保護(hù)作用，又因?yàn)門L431芯片的最大耐流值等于100mA，則有下面的滿足條件R這里取電阻R3為750Ω，電阻R4取值1.5kΩ。就自動(dòng)控制理論而言，對(duì)TL431反饋回路中的電阻R1~R4的取值分析是靜態(tài)分析，那么對(duì)于電阻R5、電容C1的取值分析則是動(dòng)態(tài)響應(yīng)分析。這里的電容C1的設(shè)計(jì)是采用了相位補(bǔ)償中的電容滯后補(bǔ)償?shù)姆椒?。設(shè)計(jì)中通常引入負(fù)反饋來(lái)系統(tǒng)具有更好的性能，但是這一做法卻可能會(huì)使得系統(tǒng)自激振蕩，從而不穩(wěn)定工作，為了消除振蕩，使系統(tǒng)能夠正常穩(wěn)定工作，