基于uc3844的開關電源電流型控制環(huán)路設計

基于uc3844的開關電源電流型控制環(huán)路設計

0電源控制系統(tǒng)在設計電源的過程中，控制環(huán)路的設計非常重要，甚至可以決定電源的成敗。開關電源的控制方式有電流控制、電壓控制兩種。電源系統(tǒng)的傳遞函數(shù)隨控制方式的不同而有很大差異,因此在環(huán)路設計分析時,應獨立分開討論。電流型控制芯片UC3844已經(jīng)廣泛應用在開關電源中,本文基于UC3844構建開關電源的控制環(huán)路,并論述開關電源電流型控制環(huán)路設計的一般方法。1內(nèi)部電路組成UC3844是一種性能優(yōu)良的電流控制型脈寬調(diào)制芯片,其內(nèi)部結構電路如圖l所示,它集成了振蕩器、具有溫度補償?shù)母咴鲆嬲`差放大器、電流檢測比較器、圖騰柱輸出電路、輸入和基準欠電壓鎖定電路及PWM鎖存器電路。2u394的電路模擬圖2為電流控制方式的雙管反激開關電源的反饋控制環(huán)路電路。其中電流型控制芯片UC3844置于開關電源的初級,控制功率開關。在次級電路中,穩(wěn)壓器件TL431作為基準和反饋誤差放大器,采樣輸出,并產(chǎn)生相應的誤差電壓。該誤差電壓通過光耦TLP521-1轉(zhuǎn)變成誤差電流,耦合到初級中,作為控制芯片UC3844的輸入。UC3844通過此輸入,產(chǎn)生相應的占空比信號來控制功率開關。由于在設計中運用了TL431內(nèi)部的反饋運算放大器,所以在光耦接UC3844時,略過了UC3844的內(nèi)部運放,直接把誤差輸入接至UC3844內(nèi)部運放的輸出端,這種設計可以把反饋信號的傳輸時間縮短一個放大器的傳輸時間,使電源的動態(tài)響應更快。圖2所示電路中部分參數(shù)如下:輸入電壓415～630VDC,主輸出為15V/0.6A20V/1.8A,初級匝數(shù)為96匝,次級匝數(shù)15V一路為4匝,20V一路為5匝,開關頻率為40kHz,R4為17.8kΩ,C6、C7、R7為待求的補償參數(shù)。3相位增益計算穩(wěn)定性通常用相位裕量φm和增益裕量Gm兩個參數(shù)來衡量。φm為閉環(huán)系統(tǒng)中增益穿越頻率(Gs=0dB)所對應的相位值與360°的差值;Gm為相位在360°時的增益值低于單位增益的量。在工程設計中,通常要求Gm<-10dB,φm≥45°,這是因為如果φm太小,則意味著相位向360°靠近,就是一個亞穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),這樣在負載或母線發(fā)生較大瞬態(tài)變化時,電源就會產(chǎn)生振蕩。4極限零補償器的特性常用的誤差放大補償器主要有單極點補償器、具有帶寬增益限制的單極點補償器、極點零點補償器和雙極點雙零點補償器。圖3所示為本文所采用的極點零點補償器電路圖,圖4為補償器的博德圖。極點零點補償器常用在具有單極點濾波響應的拓撲中,這些拓撲有:電壓型控制電流斷續(xù)的反激式變換器、電流型控制正激式變換器和反激式變換器。該補償器具有直流增益大,相位超前的特性。其補償方法在直流處有一個極點,通過提高誤差放大器的開環(huán)增益來改善輸出調(diào)節(jié)性能,在輸出濾波器最低極點頻率或以下引入一個零點,以補償濾波器的極點引起的相位滯后。補償器的最后一個極點用來衰減高頻分量,以抵消輸出濾波電容ESR引起的零點作用。5關于閉環(huán)增益補償點的選擇本文直接根據(jù)控制到輸出特性來設計控制環(huán)路,控制到輸出特性定義為電源系統(tǒng)中不考慮誤差放大器的特性,誤差電壓輸入到PWM的點作為系統(tǒng)輸入點,輸出反饋電壓輸入到誤差放大器負端的點作為系統(tǒng)輸出點,如圖5所示。本文采用電流型控制的反激式變換器,為了得到好的負載調(diào)整率和暫態(tài)響應,選用極點零點補償器,首先要知道控制到輸出特性的直流增益,即:Adc=((vin?Uout)2/vinΔU)×(Nout/Nin)=((630V?15V)2/630V×1V)×(4匝/96匝)=25.04Adc=((vin-Uout)2/vinΔU)×(Νout/Νin)=((630V-15V)2/630V×1V)×(4匝/96匝)=25.04該增益用分貝表示為Gdc=20lg25.04=28dB,然后確定濾波器的極點。雖然+15V檢測量的比例大,但它的功率占輸出功率的比例很小,所以要計算功率占輸出功率比例大的一路,即+20V輸出的那一路,+20V輸出端的濾波極點頻率為ffp=1/2πRlC0ffp=1/2πRlC0式中,Rl=Uout/Iout,ffp=1/2π(20V/1.2)×660μF=14.48Hz。如果閉環(huán)增益的穿越頻率太高,誤差放大器會把開關頻率諧波放大,這對電源工作很不利,所以一般把閉環(huán)增益的穿越頻率設在開關頻率的1/5處fxo=0.2fswfxo=0.2fsw式中,fsw為電源的開關頻率。閉環(huán)增益的穿越頻率確定后,就要確定在穿越頻率處使控制到輸出特性增益曲線提升到0dB所需要增加的增益量。Gxo=20log(fxo/ffp)?Gdc?Gxo=20log(8000/14.48)?28dB=26.85dBGxo=20log(fxo/ffp)-Gdc?Gxo=20log(8000/14.48)-28dB=26.85dB接下來確定誤差放大器的補償零點和極點的位置。零點設計在濾波器呈現(xiàn)出的最低極點處,這是由于電流型控制反激式變換器極點的頻率位置隨負載等效電阻變化而變化,負載最輕時,極點位置也最低。誤差放大器的高頻補償極點設計在控制到輸出特性曲線上由濾波電容ESR引起的零點頻率,所以fez=ffp;fep=fzesr,fzser=1/2πResrC0,如果不知道電容的ESR值,可以由經(jīng)驗估算。通常由輸出濾波電容引起的零點范圍如下:電解電容,1～5kHz;鉭電容,10～25kHz;本文取5kHz,Axo=10(Gx0/20)=10(26.85/20)=22,C6=1/2πR4Axofep=1/2π17.8k×22×5kHz=81pF,R7=AxoR4=22×17.8k=391.6k,C7=1/2πR7fep=1/2π×391.6k×14.48=28μF,至此所涉及的三個補償控制參數(shù)計算完畢。6雙管反激開關的配合環(huán)本文是