開(kāi)關(guān)電源變換器電壓模式的工作原理及特點(diǎn)
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電壓模式和電流模式是開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中常用的兩種控制類(lèi)型。在開(kāi)關(guān)電源系統(tǒng)中,當(dāng)輸入電壓變化、輸出負(fù)載變化以及電源內(nèi)部的參數(shù)變化時(shí),控制電路將檢測(cè)被控制的電壓及電流信號(hào),將它們與基準(zhǔn)信號(hào)進(jìn)行比較,然后將差值放大,進(jìn)行閉環(huán)反饋控制,以調(diào)節(jié)主電路功率器件的導(dǎo)通脈沖寬度或開(kāi)關(guān)頻率,從而保證系統(tǒng)的輸出電壓或輸出電流等被調(diào)節(jié)信號(hào)的穩(wěn)定。
開(kāi)關(guān)電源有PFM和PWM兩種控制方式:PFM工作在變頻方式,通過(guò)調(diào)節(jié)工作頻率保持輸出電壓或輸出電流的恒定。PWM工作在固定頻率,通過(guò)調(diào)節(jié)脈沖寬度,即占空比,保持輸出電壓或輸出電流的恒定。電源系統(tǒng)中,電壓的取樣信號(hào)有輸入電壓和輸出電壓,而電流的取樣有功率電感的直流壓降、電流取樣電阻電壓和和功率MOSFET的導(dǎo)通壓降等,由這些信號(hào)可以構(gòu)成單環(huán)、雙環(huán)或多環(huán)反饋系統(tǒng),實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓、穩(wěn)流或恒功率的控制,同時(shí)可以實(shí)現(xiàn)過(guò)壓欠壓保護(hù)、過(guò)流保護(hù)、均流、輸出電壓排序跟蹤等附帶的功能。
1 通用電壓模式的工作原理及特點(diǎn)
控制環(huán)僅有一個(gè)的電壓反饋環(huán),電壓反饋環(huán)包括電壓誤差放大器、反饋分壓電阻器和反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。電壓誤差放大器的同相端連接到參考電壓Vref,反饋分壓電阻器連接到電壓誤差放大器的反相端FB,反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)連接到反相端FB和電壓誤差放大器的輸出端COMP,輸出端COMP的電壓為Vc。電壓誤差放大器的輸出連接到PWM比較器的同相端,PWM比較器的反相端輸入信號(hào)為斜波發(fā)生器輸出的連續(xù)鋸齒波,由時(shí)鐘同步信號(hào)產(chǎn)生。
1.1 電壓模式工作過(guò)程
電壓模式的工作過(guò)程有二個(gè)階段:
(1)時(shí)鐘振蕩器輸出脈沖信號(hào)為高電平,高端的開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通,開(kāi)始一個(gè)開(kāi)關(guān)周期,電感所加的電壓為正,電感激磁,電流線性上升。由于鋸齒波的電壓低于Vc的電壓,PWM比較器輸出低電壓。
(2)當(dāng)鋸齒波的電壓增加到高于Vc的電壓時(shí),PWM比較器輸出翻轉(zhuǎn),高端的開(kāi)關(guān)管關(guān)斷,低端的同步MOSFET或續(xù)流二極管導(dǎo)通,電感所加的電壓為負(fù),電感去磁,電流線性下降。直到下一個(gè)開(kāi)關(guān)周期開(kāi)始的時(shí)鐘同步信號(hào)到來(lái),如此反復(fù)。
1.2 調(diào)節(jié)工作原理
電壓模式調(diào)節(jié)原理如下:
(1)當(dāng)輸出負(fù)載增大時(shí),輸出電壓降低,Vc增大,鋸齒波的電壓只有增加到更高的值才能夠和Vc相等,從而使PWM比較器翻轉(zhuǎn),因此,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間增長(zhǎng),占空比增加,輸入功率增加,因此輸出電壓增加,當(dāng)輸出電壓增加到調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)時(shí),系統(tǒng)保持平衡。
(2)當(dāng)輸出負(fù)載降低時(shí),輸出電壓升高,Vc降低,鋸齒波的電壓在較低的值就可以等于Vc值,從而使PWM比較器翻轉(zhuǎn),因此,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通的時(shí)間縮短,占空比降低,輸入功率降低,因此輸出電壓降低,當(dāng)輸出電壓降低到調(diào)節(jié)的范圍內(nèi)時(shí),系統(tǒng)保持平衡。
電壓誤差放大器的作用是檢測(cè)緩慢變化的輸出直流電壓信號(hào)的微小變化,輸入到FB管腳,F(xiàn)B管腳的電壓V-與參考電壓Vref的差值被電壓誤差放大器放大輸出,輸出Vc為具有一定幅值的比較干凈的直流低頻反饋控制信號(hào),開(kāi)關(guān)電源輸出附帶的較寬頻帶的高頻開(kāi)關(guān)噪聲信號(hào)被濾除,從而保證輸出穩(wěn)態(tài)時(shí)的穩(wěn)壓精度。
高頻開(kāi)關(guān)噪聲的頻率較高,幅值較大,如果高頻開(kāi)關(guān)噪聲衰減不夠的話(huà),系統(tǒng)容易受到干擾,不能穩(wěn)定工作;但是高頻開(kāi)關(guān)噪聲衰減過(guò)大的話(huà),系統(tǒng)的帶寬窄,動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢,因此要做一些折衷的設(shè)計(jì),要保持電壓誤差放大器的低頻增益高,高頻增益低,可以通過(guò)對(duì)整個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償,使得閉環(huán)系統(tǒng)穩(wěn)定工作。
1.3 外加限流保護(hù)
從電壓模式工作原理可以看到,系統(tǒng)沒(méi)有內(nèi)置的限流功能保護(hù)電路,同時(shí),對(duì)于輸入和輸出的瞬變變化,系統(tǒng)響應(yīng)緩慢。當(dāng)輸入電壓突然變低或負(fù)載阻抗突然變低時(shí),因?yàn)橹麟娐酚休^大的輸出電容和電感,電容與電感產(chǎn)生相移延時(shí)作用,輸出電壓的變低也延時(shí)滯后,輸出電壓變低的信號(hào)還要經(jīng)過(guò)電壓誤差放大器的補(bǔ)償電路的延時(shí)滯后,才能傳到PWM比較器,將脈寬變寬,這兩個(gè)延時(shí)滯后作用是暫態(tài)響應(yīng)慢的主要原因。為了提高系統(tǒng)的可靠性,必須外加限流保護(hù)電路,注意到限流保護(hù)電路只起限流的作用,并不參與系統(tǒng)的內(nèi)部的反饋調(diào)節(jié)。
1.4 電壓模式優(yōu)缺點(diǎn)
電壓模式的優(yōu)點(diǎn):
(1)由于電流信號(hào)不參與反饋,系統(tǒng)不會(huì)受到電流噪聲的干擾。
(2)PWM三角波幅值較大,脈沖寬度調(diào)節(jié)時(shí)具有較好的抗噪聲性能。
(3)占空比調(diào)節(jié)不受限制。
(4)對(duì)于多路輸出電源,它們之間的交互調(diào)節(jié)性能較好。
(5)單一電壓閉環(huán)反饋設(shè)計(jì),調(diào)試比較容易。
(6)對(duì)輸出負(fù)載的變化有較快的響應(yīng)。
(7)低的輸出阻抗。
電壓模式的缺點(diǎn):
(1)單反饋環(huán)控制系統(tǒng),輸出LC濾波器在控制環(huán)中產(chǎn)生雙極點(diǎn),動(dòng)態(tài)響應(yīng)慢,需要增加一個(gè)零點(diǎn)對(duì)主極點(diǎn)進(jìn)行補(bǔ)償,因此反饋補(bǔ)償設(shè)計(jì)比較復(fù)雜,需要更多額外的器件仔細(xì)設(shè)計(jì)補(bǔ)償環(huán)路,來(lái)優(yōu)化負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。
環(huán)路增益是輸出電容ESR的函數(shù),輸出電容影響反饋環(huán),需要電解電容或鉭電容穩(wěn)定控制回路以維持良好的高頻響應(yīng);在相同均方根工作電流的需求下,相同電容值的電解電容或鉭電容比陶瓷電容的體積更大,同時(shí)輸出電壓的波動(dòng)也更大。
環(huán)路的增益是輸入電壓的函數(shù),對(duì)輸入電壓的變化動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢,需要輸入電壓前饋。
電壓模式的反饋設(shè)計(jì)通常選取穿越頻率為1/5-1/10的開(kāi)關(guān)頻率,環(huán)路補(bǔ)償采用III類(lèi)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò):3個(gè)極點(diǎn)和2個(gè)零點(diǎn),2個(gè)零點(diǎn)安排在LC諧振雙極點(diǎn)附近,以抵消雙極點(diǎn)產(chǎn)生的相位延遲;低頻積分電路用以提高低頻的直流增益,2個(gè)高頻極點(diǎn)以產(chǎn)生高頻噪聲衰減,保證在0dB穿越頻率以上環(huán)路增益保持下降。
(2)用于限流控制的電流檢測(cè)緩慢不準(zhǔn)確。
(3)如果多個(gè)電源和多個(gè)相位并聯(lián)操作,需要外部電路進(jìn)行均流控制。
1.5 電壓模式動(dòng)特性改善
改善電壓模式控制瞬態(tài)響應(yīng)速度的方法有二種:一是增加電壓誤差放大器的帶寬,保證具有一定的高頻增益,但是這樣容易受到高頻開(kāi)關(guān)噪聲干擾,需要在主電路及反饋控制電路上采取措施,進(jìn)行抑制或同相位衰減平滑處理。另一方法是采用電壓前饋技術(shù),用輸入電壓對(duì)電阻電容充電產(chǎn)生的具有可變化上升斜坡的三角波,取代傳統(tǒng)電壓模式PWM控制器中振蕩器產(chǎn)生的固定三角波。此時(shí),輸入電壓的變化能立刻在脈沖寬度的變化上反映出來(lái),因此該方法對(duì)輸入電壓的變化引起的瞬態(tài)響應(yīng)速度明顯提高。對(duì)輸入電壓的前饋控制是開(kāi)環(huán)控制,而對(duì)輸出電壓的控制是閉環(huán)控制,目的是增加對(duì)輸入電壓變化的動(dòng)態(tài)響應(yīng)速度,這樣就構(gòu)成了一個(gè)開(kāi)環(huán)和一個(gè)閉環(huán)的雙環(huán)控制系統(tǒng)。
2 滯回電壓模式的工作原理及特點(diǎn)
滯回電壓控制模式一種最簡(jiǎn)單的控制方法,控制環(huán)包括兩個(gè)部分:分壓電阻器和滯回比較器。分壓電阻器用于檢測(cè)輸出紋波電壓,滯回比較器用于控制功率開(kāi)關(guān)管的開(kāi)通和關(guān)斷。主功率回路工作在自由振蕩方式,電路調(diào)節(jié)輸出電壓并保持輸出電壓在參考電壓和比較器所設(shè)定的滯回窗口電壓范圍內(nèi)。
滯回電壓模式工作過(guò)程如下:
(1)當(dāng)輸出電壓降低時(shí),比較器的反相端的電壓也降低,當(dāng)反相端低于Vref-dV/2時(shí),比較器輸出高電平,開(kāi)關(guān)管導(dǎo)通,輸出電壓增加。
(2)當(dāng)輸出電壓繼續(xù)增加,使比較器的反相端高于Vref+dV/2時(shí),比較器的輸出翻轉(zhuǎn),輸出低電平,開(kāi)關(guān)管關(guān)斷。如此反復(fù)。
滯洄電壓模式的優(yōu)點(diǎn):
(1)滯回電壓模式?jīng)]有反饋環(huán),因此不需要補(bǔ)償設(shè)計(jì),延時(shí)通常和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的電容相關(guān),滯回電壓模式?jīng)]有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),所以,誤差信號(hào)也就沒(méi)有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生的延時(shí),也不會(huì)產(chǎn)生補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中電容充放電形成的不正常的電壓所帶來(lái)的不利影響。
(2)響應(yīng)快。滯回電壓模式能夠在當(dāng)前的周期非??斓捻憫?yīng)負(fù)載電流的瞬態(tài)變化,響應(yīng)的時(shí)間只取決于滯洄比較器的驅(qū)動(dòng)電路的延時(shí)。
(3)最簡(jiǎn)單的一種控制方法。
滯洄電壓模式的缺點(diǎn):
(1)工作在變頻工作方式,頻率變化范圍寬時(shí),不利于電感的優(yōu)化設(shè)計(jì)。
(2)開(kāi)頭頻率依賴(lài)于輸出的濾波器、輸入電壓和輸出電壓、滯回窗口電壓和內(nèi)部的延時(shí)。