基于uc3844的開關(guān)電源電流型控制環(huán)路設(shè)計(jì)

基于uc3844的開關(guān)電源電流型控制環(huán)路設(shè)計(jì)

0電源控制系統(tǒng)在設(shè)計(jì)電源的過程中，控制環(huán)路的設(shè)計(jì)非常重要，甚至可以決定電源的成敗。開關(guān)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(shè)計(jì)分析時(shí),應(yīng)獨(dú)立分開討論。電流型控制芯片UC3844已經(jīng)廣泛應(yīng)用在開關(guān)電源中,本文基于UC3844構(gòu)建開關(guān)電源的控制環(huán)路,并論述開關(guān)電源電流型控制環(huán)路設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)電路如圖l所示,它集成了振蕩器、具有溫度補(bǔ)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(zhǔn)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(guān)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(guān)電源的初級,控制功率開關(guān)。在次級電路中,穩(wěn)壓器件TL431作為基準(zhǔn)和反饋誤差放大器,采樣輸出,并產(chǎn)生相應(yīng)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(yīng)的占空比信號來控制功率開關(guān)。由于在設(shè)計(jì)中運(yùn)用了TL431內(nèi)部的反饋運(yùn)算放大器,所以在光耦接UC3844時(shí),略過了UC3844的內(nèi)部運(yùn)放,直接把誤差輸入接至UC3844內(nèi)部運(yùn)放的輸出端,這種設(shè)計(jì)可以把反饋信號的傳輸時(shí)間縮短一個(gè)放大器的傳輸時(shí)間,使電源的動態(tài)響應(yīng)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(guān)頻率為40kHz,R4為17.8kΩ,C6、C7、R7為待求的補(bǔ)償參數(shù)。3相位增益計(jì)算穩(wěn)定性通常用相位裕量φm和增益裕量Gm兩個(gè)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(yīng)的相位值與360°的差值;Gm為相位在360°時(shí)的增益值低于單位增益的量。在工程設(shè)計(jì)中,通常要求Gm<-10dB,φm≥45°,這是因?yàn)槿绻誱太小,則意味著相位向360°靠近,就是一個(gè)亞穩(wěn)態(tài)系統(tǒng),這樣在負(fù)載或母線發(fā)生較大瞬態(tài)變化時(shí),電源就會產(chǎn)生振蕩。4極限零補(bǔ)償器的特性常用的誤差放大補(bǔ)償器主要有單極點(diǎn)補(bǔ)償器、具有帶寬增益限制的單極點(diǎn)補(bǔ)償器、極點(diǎn)零點(diǎn)補(bǔ)償器和雙極點(diǎn)雙零點(diǎn)補(bǔ)償器。圖3所示為本文所采用的極點(diǎn)零點(diǎn)補(bǔ)償器電路圖,圖4為補(bǔ)償器的博德圖。極點(diǎn)零點(diǎn)補(bǔ)償器常用在具有單極點(diǎn)濾波響應(yīng)的拓?fù)渲?這些拓?fù)溆?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(bǔ)償器具有直流增益大,相位超前的特性。其補(bǔ)償方法在直流處有一個(gè)極點(diǎn),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(diǎn)頻率或以下引入一個(gè)零點(diǎn),以補(bǔ)償濾波器的極點(diǎn)引起的相位滯后。補(bǔ)償器的最后一個(gè)極點(diǎn)用來衰減高頻分量,以抵消輸出濾波電容ESR引起的零點(diǎn)作用。5關(guān)于閉環(huán)增益補(bǔ)償點(diǎn)的選擇本文直接根據(jù)控制到輸出特性來設(shè)計(jì)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(diǎn)作為系統(tǒng)輸入點(diǎn),輸出反饋電壓輸入到誤差放大器負(fù)端的點(diǎn)作為系統(tǒng)輸出點(diǎn),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(fù)載調(diào)整率和暫態(tài)響應(yīng),選用極點(diǎn)零點(diǎn)補(bǔ)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(diǎn)。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(jì)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(diǎn)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(guān)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(shè)在開關(guān)頻率的1/5處fxo=0.2fswfxo=0.2fsw式中,fsw為電源的開關(guān)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(bǔ)償零點(diǎn)和極點(diǎn)的位置。零點(diǎn)設(shè)計(jì)在濾波器呈現(xiàn)出的最低極點(diǎn)處,這是由于電流型控制反激式變換器極點(diǎn)的頻率位置隨負(fù)載等效電阻變化而變化,負(fù)載最輕時(shí),極點(diǎn)位置也最低。誤差放大器的高頻補(bǔ)償極點(diǎn)設(shè)計(jì)在控制到輸出特性曲線上由濾波電容ESR引起的零點(diǎn)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(yàn)估算。通常由輸出濾波電容引起的零點(diǎn)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(gè)補(bǔ)償控制參數(shù)計(jì)算完畢。6雙管反激開關(guān)的配合環(huán)本文是