開關(guān)電源中斜坡補(bǔ)償電路的分析與設(shè)計(jì)

引言

開關(guān)電源作為現(xiàn)代電力電子技術(shù)的重要成果，因其高效率、高功率密度及電氣隔離等顯著優(yōu)點(diǎn)，被廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，特別是在大功率應(yīng)用場(chǎng)合表現(xiàn)出色。然而，在電流模式開關(guān)電源中，存在兩個(gè)主要問題：恒定峰值電流引起的電感平均電流不恒定和占空比大于50%時(shí)系統(tǒng)的開環(huán)不穩(wěn)定。為解決這些問題，斜坡補(bǔ)償電路應(yīng)運(yùn)而生。本文將從原理上分析電流模式開關(guān)電源的缺陷，并深入探討斜坡補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)與應(yīng)用。

電流模式開關(guān)電源的基本原理

開關(guān)電源通過控制開關(guān)晶體管的導(dǎo)通和關(guān)斷時(shí)間比率來維持輸出電壓的穩(wěn)定。電流模式開關(guān)電源在電壓模式的基礎(chǔ)上增加了電流采樣和反饋環(huán)節(jié)，從而實(shí)現(xiàn)了電壓和電流的雙環(huán)控制。其基本結(jié)構(gòu)包括脈沖寬度控制(PWM)IC、功率開關(guān)管、整流二極管和LC濾波電路。在中小功率開關(guān)電源中，功率開關(guān)管常集成在PWM控制IC內(nèi)。

電流模式開關(guān)電源的主要工作原理是：在每個(gè)時(shí)鐘周期開始時(shí)，功率管開啟并維持一段時(shí)間(Ton)，通過濾波電感對(duì)濾波電容充電，同時(shí)向負(fù)載提供電流。當(dāng)電感電流達(dá)到設(shè)定值時(shí)，功率管關(guān)斷，二極管起續(xù)流和鉗位作用。此時(shí)，通過電流采樣電阻和電流放大器檢測(cè)到的電流信號(hào)與電壓誤差信號(hào)進(jìn)行比較，控制功率管的開關(guān)狀態(tài)，以調(diào)節(jié)占空比，從而穩(wěn)定輸出電壓。

電流模式開關(guān)電源的缺點(diǎn)

1. 恒定峰值電流引起的電感平均電流不恒定

電流模式的實(shí)質(zhì)是使電感平均電流跟隨誤差放大器輸出電壓設(shè)定的值。然而，在常用的峰值電流控制模式中，不同的占空比會(huì)導(dǎo)致不同的電感平均電流，這會(huì)導(dǎo)致輸出電壓在一段時(shí)間內(nèi)振蕩。

2. 占空比大于50%時(shí)系統(tǒng)開環(huán)不穩(wěn)定

當(dāng)占空比大于50%時(shí)，由于電感電流的上升沿和下降沿斜率不對(duì)稱，系統(tǒng)開環(huán)容易變得不穩(wěn)定，進(jìn)一步加劇了輸出電壓的振蕩。

斜坡補(bǔ)償電路的原理與設(shè)計(jì)

原理分析

上述兩個(gè)問題本質(zhì)上都是由于占空比變化引起的電感平均電流變化，進(jìn)而導(dǎo)致輸出電壓的不穩(wěn)定。因此，解決的關(guān)鍵在于在電流控制環(huán)中引入一個(gè)與占空比成正比的斜坡電壓，以補(bǔ)償電感電流的變化。

斜坡補(bǔ)償電路的基本思路是在電流采樣電阻上疊加一個(gè)隨時(shí)間線性增加的電壓(即斜坡電壓)，該電壓的斜率與占空比成正比。當(dāng)電感電流受到擾動(dòng)時(shí)，斜坡電壓能夠提供一個(gè)反向的補(bǔ)償作用，從而抑制擾動(dòng)電流的放大，使系統(tǒng)保持穩(wěn)定。

設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)

斜坡補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)需要考慮以下幾個(gè)關(guān)鍵因素：

補(bǔ)償斜率的確定：補(bǔ)償斜率應(yīng)滿足式(5)的關(guān)系，即斜坡電壓的斜率應(yīng)使系統(tǒng)在占空比足夠大時(shí)仍能保持穩(wěn)定。這通常需要根據(jù)具體電路的參數(shù)(如電感電流上升沿和下降沿的斜率、功率管開啟和關(guān)斷時(shí)間等)進(jìn)行計(jì)算和仿真驗(yàn)證。

補(bǔ)償電壓的生成：補(bǔ)償電壓可以通過PWM內(nèi)部振蕩器輸出的鋸齒波來實(shí)現(xiàn)。鋸齒波的最小值和最大值分別對(duì)應(yīng)占空比的最小和最大值，通過調(diào)整鋸齒波的斜率和幅度可以生成合適的斜坡電壓。

補(bǔ)償電路的集成：在實(shí)際應(yīng)用中，斜坡補(bǔ)償電路通常集成在PWM控制IC內(nèi)部，以減少電路復(fù)雜度和成本。集成化的斜坡補(bǔ)償電路能夠自動(dòng)根據(jù)占空比的變化調(diào)整補(bǔ)償電壓的斜率，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的補(bǔ)償效果。

結(jié)論

斜坡補(bǔ)償電路是解決電流模式開關(guān)電源中開環(huán)不穩(wěn)定問題的有效手段。通過引入與占空比成正比的斜坡電壓，可以補(bǔ)償電感電流的變化，抑制輸出電壓的振蕩，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。在實(shí)際應(yīng)用中，斜坡補(bǔ)償電路的設(shè)計(jì)需要考慮具體電路的參數(shù)和性能指標(biāo)，通過合理的計(jì)算和仿真驗(yàn)證來確定補(bǔ)償斜率和電路結(jié)構(gòu)。隨著電力電子技術(shù)的不斷發(fā)展，斜坡補(bǔ)償電路將更加智能化和集成化，為開關(guān)電源的應(yīng)用提供更優(yōu)的解決方案。