高PF反激臨界模式開關電源的環(huán)路設計

摘要：目前開關電源市場上單端反激式的開關電源占有很大的份額，控制環(huán)路的設計是反激電源中關鍵的步驟之一。主要對基于L6561臨界(TM)模式下高功率因數(shù)(PF)單端反激式開關電源的控制環(huán)路設計進行了論述，文中通過對環(huán)路中各級的傳遞函數(shù)進行了定性分析和定量計算，進而給出了環(huán)路的補償電路。通過選擇合適的相位裕量來保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，并通過圖解法驗證了該環(huán)路可以使系統(tǒng)具有較好的穩(wěn)定性。
關鍵詞：反激式電源；功率因數(shù)；控制環(huán)路；臨界模式

由于中小功率開關電源的市場前景很好，單端反激式開關電源不僅可以實現(xiàn)低壓輸出而且可以實現(xiàn)高低壓的電器隔離，進而提高了電源的安全性。文中主要對基于L6561的臨界模式下高PF反激式開關電源的環(huán)路設計進行了論述，其中反饋回路由PC817A和TL431組成，文中對環(huán)路的補償設計電路進行了定性分析和定量計算，通過選擇合適的相位裕量保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性，電源通過負反饋環(huán)路來控制在不同的負載下得到穩(wěn)定的電流。

1 反饋環(huán)路概述
開關電源的控制方式有兩種：電流控制模式和電壓控制模式，兩種控制模式的傳遞函數(shù)有很大的不同，文中論述的是電流模式中峰值電流模式控制的環(huán)路設計。
1．1 反饋環(huán)路穩(wěn)定的標準
環(huán)路穩(wěn)定的標準：只要在增益為1時(即0 dB時)，整個系統(tǒng)的相移小于360度，則系統(tǒng)就是穩(wěn)定的，即環(huán)路是穩(wěn)定的。但是如果系統(tǒng)的總相移和接近360度(其中總相移和為控制環(huán)路中各級產(chǎn)生的相移和)，則可能產(chǎn)生以下2個問題：1)相移可能因為溫度、負載或者分布參數(shù)的變化而達到360度，從而使系統(tǒng)產(chǎn)生震蕩，造成環(huán)路不穩(wěn)定；2)當相移越接近360度時，電源的階躍響應(負載的瞬時變化)超調(diào)量增加，延長輸出達到穩(wěn)定值的時間。所以環(huán)路要留有一定的相位裕量，工程上一般相位裕量取45度左右。
1．2 常用的電流型環(huán)路補償方法
圖1給出了2種常用的電流型控制模式中的環(huán)路補償方法。

圖1(a)中補償網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)為：，適用于電流型控制和工作于DCM(非連續(xù)電流模式)模式下的電源。補償網(wǎng)絡產(chǎn)生的初始極點可以使控制帶寬變窄，零點可以使系統(tǒng)在剪切頻率處的相位裕量。文中采用的是圖1(a)的補償方案。
圖1(b)中補償網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)為：，極點同樣可以將控制環(huán)路的帶寬變窄，而零點則是用來抵消補償前的極點的，這樣不僅可以使環(huán)路的增益曲線在較低的頻率處達到0 dB，而且提高了穿越頻率附近系統(tǒng)的相位。

2 環(huán)路補償設計
2．1 反激變換器環(huán)路設計的特點
在反激拓撲中，由小信號模型的傳遞函數(shù)可知，反激中的連續(xù)模式(CCM)為二階系統(tǒng)，不連續(xù)模式(DCM)和臨界模式(TM)為一階系統(tǒng)。
基于L6561的具有高PF的反激變換器不像一般的變換器，在這樣的變換器中，控制環(huán)路帶寬應當很窄，以保證在給定的半個電網(wǎng)周期內(nèi)維持Vcomp如同原先假定的為相當良好的常數(shù)，這樣才能保證高的PF；但窄的控制環(huán)路帶寬會降低系統(tǒng)對電網(wǎng)和負載的瞬態(tài)響應速度，影響電路的負載和線性調(diào)整率，于是環(huán)路設計時需在兩者之間折中。
2．2 環(huán)路設計
環(huán)路設計時因為誤差放大器本身是工作于負反饋狀態(tài)下，自身就有180度的相移，加上為滿足工程設計中的不小于45度的相位裕量，所以功率部分、反饋網(wǎng)絡和補償網(wǎng)絡的相移最多為135度。另外一般要求加入補償網(wǎng)絡后系統(tǒng)的環(huán)路增益曲線，在剪切頻率附近的增益斜率應該為-1(即-20 dB／10倍頻率)，這樣做的目的是因為-1的增益斜率所對應的相頻曲線相位延遲較小，且變換相對較慢，可以保證當某些環(huán)節(jié)的相位發(fā)生變化時相頻曲線仍然有足夠的相位裕量，使得環(huán)路保持穩(wěn)定。
圖2給出了基于L6561臨界模式下高PF反激變換器的控制環(huán)路設計電路框圖。

圖2各個部分的傳遞函數(shù)如下：
L6561的內(nèi)部誤差放大器(E／A)補償如圖1(a)所示。于是，傳遞函數(shù)G1(S)是：