開關(guān)電源IC中誤差放大器的自激振蕩原理及補償解決方法

目前隨著開關(guān)電源的廣泛應用， 控制IC 作為開關(guān)電源的心臟在其中扮演著重要角色。開關(guān)電源的控制IC 一般都會包含一個誤差放大器，用來將輸出電壓的偏移等進行放大以控制主開關(guān)電路的動作，實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。這個誤差放大器本身是一個運算放大器，在實際使用中會加入負反饋，而由于外部元件及PCB 等因素的影響，誤差放大器有時會產(chǎn)生自激振蕩，使開關(guān)電源不能正常工作。筆者分析了誤差放大器加入負反饋時產(chǎn)生自激振蕩的原理，并以UC3875 控制IC 為例設計了外部補償電路，并進行了實驗驗證。

　　1 誤差放大器產(chǎn)生自激振蕩的原理

　　1.1 自激振蕩產(chǎn)生的原因

　　加入負反饋后誤差放大器的閉環(huán)增益G 的表達式為：

　　其中A 為開環(huán)增益，F(xiàn) 為反饋系數(shù)，AF 為環(huán)路增益。

　　由上式可知：當1+FA 趨近于0 時， |G| =∞。這說明即使無信號輸入也會有波形輸出，于是就產(chǎn)生了自激振蕩。

　　放大器的增益和相位偏移會隨頻率而變化。當頻率變高或變低時，輸出信號和反饋信號會產(chǎn)生附加相移。如果附加相移達到±180°，則此時反饋信號與輸入信號同相，負反饋就變成正反饋。反饋信號加強，當反饋信號大于凈輸入信號時，即使去掉輸入信號也有信號輸出，于是就產(chǎn)生了自激振蕩。

　　即：

　　一個實際的運算放大器， 內(nèi)部存在著許多天然極點，他們造成的附加相移會使輸出的相位偏移超過-180°， 當使用負反饋時會使放大器產(chǎn)生自激振蕩。因此運算放大器大多都有補償端口或為了使用方便直接在內(nèi)部進行了補償，這些經(jīng)過內(nèi)部補償?shù)倪\算放大器一般會補償?shù)皆谠鲆? dB 以上只有一個極點，單獨使用時即使將其用作單位增益放大器也不會自激振蕩。

　　1.2 負反饋放大電路穩(wěn)定性的判定

　　判斷自激振蕩的方法首先是看其是否滿足相位條件，只有滿足相位條件才有可能產(chǎn)生自激振蕩。即如果當附加相移φ=±180°時，環(huán)路增益|FA |≥1，那么電路就會產(chǎn)生自激振蕩。

　　相反，如果當φ=±180°時，環(huán)路增益|FA| ＜1，那么電路就不會產(chǎn)生自激振蕩。

　　2 UC3875 誤差放大電路

　　2.1 UC3875 誤差放大電路結(jié)構(gòu)

　　UC3875 是TI 公司生產(chǎn)的一款移相全橋軟開關(guān)控制器，廣泛應用于ZVS 和ZCS 拓撲結(jié)構(gòu)的大功率開關(guān)電源當中。它內(nèi)部包含一個誤差放大器，該誤差放大器輸出端的輸出電壓與斜坡發(fā)生器的輸出電壓進行比較從而產(chǎn)生移相信號。它的AB 和CD 兩組輸出可以分別設定死區(qū)時間，非常適合應用于全橋諧振開關(guān)電源。本文中所用UC3875 的誤差放大器部分電路接法如圖1 所示。

　　誤差放大器的正相輸入端接參考電壓，輸出端通過一個150 kΩ 電阻反饋到反向輸入端，反相輸入端通過一個470 kΩ電阻與輸出電壓采樣電路相連。

　　當對開關(guān)電源進行調(diào)試時測量其輸出，發(fā)現(xiàn)輸出非常不穩(wěn)定。而后用示波器對UC3875 的控制輸出端OUTA 與OUTC 進行觀察，如圖2，發(fā)現(xiàn)輸出的移相信號產(chǎn)生了大幅度抖動，致使開關(guān)電源輸出變得不穩(wěn)定。隨后在對誤差放大器的輸出進行觀察時發(fā)現(xiàn)誤差放大器產(chǎn)生了振蕩，在輸出端產(chǎn)生了一個不太穩(wěn)定的正弦信號（圖3）。由于誤差放大器的輸出與斜坡發(fā)生器的輸出電壓比較之后產(chǎn)生移相控制信號，因此UC3875 的輸出控制信號會產(chǎn)生大幅抖動。

　　2.2 UC3875 誤差放大器振蕩現(xiàn)象的分析

　　根據(jù)UC3875 的數(shù)據(jù)表可知其典型帶寬與開環(huán)增益分別為11 MHz、90 dB。大多數(shù)控制IC 的誤差放大器已經(jīng)過內(nèi)部相位補償，且補償?shù)郊词归]環(huán)增益為0 dB（此時反饋量最大）時也不會發(fā)生振蕩。但是在實際使用中，由于外部元件等因素的影響， 有可能產(chǎn)生新的極點， 使電路附加相移超過-180°，從而發(fā)生振蕩。