基于脈沖負載的中小功率開關電源研究

3 幾種控制方式的比較

3. 1 影響脈沖負載的主要因素

由脈沖負載的基本原理可以得到， 影響電壓跌落的因素有輸出電容的等效電阻、等效電感和輸出電容的容量以及反饋環(huán)路的響應速度。負載電流變換越快， 等效電感導致的電壓跌落幅度越大。在實際電路中， 輸出電容的等效電阻、等效電感可以通過選取合適的電容及合理的版圖布局進行改善。從圖6 可以看出， 影響電壓跌落的幅度歸咎到反饋環(huán)路的響應速度， 即取決于反饋環(huán)路的帶寬。

圖6 圖5中B處的放大波形

在非隔離的電源中， 線性穩(wěn)壓器可以實現(xiàn)很寬的帶寬， 通?？纱笥?00 kHz。因此， 線性穩(wěn)壓器能顯著減小負載突變時輸出電壓的跌落幅度， 也可以減少輸出濾波電容， 但是， 線性非隔離變換器存在效率低的缺點。在隔離的變化器中， 由于存在反饋環(huán)路的延遲， 尤其是采用光耦隔離的電源， 光耦的帶寬通常小于10 kHz, 整個電源系統(tǒng)必須降低帶寬， 才能實現(xiàn)環(huán)路的穩(wěn)定。帶寬的減小導致整個系統(tǒng)具有很大的反饋延遲， 在負載變化時， 加劇了輸出電壓的跌落幅度。在反饋慢的系統(tǒng)中， 除了增加輸出儲能電容外， 沒有其他更好的辦法。

3. 2 非隔離變換器中脈沖負載的研究

相對于隔離變換器， 非隔離變換器由于減少了隔離變壓器， 體積更小; 同樣， 由于沒有光耦等隔離反饋， 容易提升整個反饋環(huán)路的帶寬， 使之更適合于脈沖負載。在中小功率電源中， 主要是升壓和降壓結構。

3. 2. 1 升壓結構脈沖負載分析

圖7 是典型的升壓拓撲結構， 由脈寬控制器、開關管Q1、電感L 1、整流二極管D1, 濾波電容C1 和反饋取樣電阻R1、R2 組成。

圖7 典型升壓電路結構

分析升壓電路的工作原理， 通過電感的伏秒平衡， 可以得出輸出電壓和輸入電壓之間的關系為Vo= Vin / ( 1- D) 。升壓結構只適用于輸出電壓比輸入電壓高的場合。在電感電流連續(xù)模式下， 通過PWM 開關模塊分析， 可以得出電壓控制連續(xù)模式升壓電路的小信號傳輸：

從( 8) 式可以看出， 整個回路存在一個右平面零點。右半平面零點與電路中經(jīng)常用于提升相位的左半平面零點有著本質的不同： 左半平面零點能夠提升相位， 使系統(tǒng)更加穩(wěn)定; 而右半平面零點則是隨著頻率的增加， 相位進一步降低， 引起系統(tǒng)的不穩(wěn)定。

由于存在右半平面零點， 在電流連續(xù)模式的升壓結構中， 只有降低環(huán)路的帶寬來避開右半平面零點。

右半平面零點存在的位置sz 2 = 1/ (RES×C) 。根據(jù)脈沖負載的原理， 當電源工作在脈沖負載時， 除了要提升帶寬外， 還要加大輸出電容的容量。加大輸出電容的容量， 必然導致右半平面零點的減小， 這樣就需要再次減小電路的帶寬， 最終導致在動態(tài)負載時輸出電壓跌落更多。升壓電路有電壓控制和電流控制方式。兩種控制方式都不能消除連續(xù)模式下的右半平面零點問題， 這就限制了升壓結構在脈沖電源中的應用。

3. 2. 2 降壓結構脈沖負載分析

圖8 是典型的降壓電路結構， 整個電路由開關管、整流二極管、電感、濾波電容以及反饋驅動電路組成。

圖8 基本的降壓電路結構

通過電感的伏秒平衡， 可以得到輸入輸出之間的傳遞函數(shù)： V o= V in×D(D 為開關的占空比) 。降壓電路只能用于輸出電壓比輸入電壓低的場合。通過PWM 模型分析，得到電壓連續(xù)模式降壓電路的小信號傳輸函數(shù)：

從( 9)式可以看出， 相對于升壓電路， 工作于電感電流模式的降壓電路沒有右半平面零點。因此， 降壓電路控制器就可以在很大范圍內提升整個環(huán)路的帶寬， 減小環(huán)路的響應時間， 降低輸出電壓的跌落幅度。

同樣， 降壓控制器有電壓控制模式、電流控制模式、遲滯控制模式、恒定導通時間模式。遲滯控制模式和恒定導通模式通過對負載電流的取樣， 可以在很短的時間內實現(xiàn)環(huán)路響應。但是， 恒定導通模式和遲滯控制模式的開關頻率是變化的， 造成變化的EMI 干擾， 不利于電磁兼容設計。相對于電壓控制模式， 電流控制模式更能夠實現(xiàn)環(huán)路的補償， 有利于實現(xiàn)環(huán)路的寬帶寬。因此， 降壓型變換器有利于實現(xiàn)脈沖負載電源。