第六章 开关电源闭环设计
6.1.概述
图 6.1 为一个典型的正激变换器闭环调节的例子。实际上是一个负反馈系统。PWM 控制芯片中包
含了误差放大器和 PWM 形成电路。控制芯片也提供许多其他的功能,但了解闭环稳定性问题,仅需考
虑误差放大器和 PWM。
对于输出电压V
o
缓慢或直流变化,闭环
当然是稳定的。例如输入电网或负载变化,
引起V
o
的变化,经R1 和R2 取样网络检测,
送到误差放大器EA的反相输入端,再与加在
EA同相输入端的参考电压比较。将引起EA
的输出直流电平V
ea
变化,再送入到脉冲宽度
调制器PWM的输入端A。在PWM中,直流
电平V
ea
与输入B端 0~3V三角波V
t
比较,产
生一个矩形脉冲输出,其宽度t
on
等于三角波
开始时间t0 到PWM输入B三角波与直流电
平相交时间t1。此脉冲宽度决定了芯片中输
出晶体管导通时间,同时也决定了控制晶体
管Q1 的导通时间。V
dc
的增加引起V
y
的增加,
因V
o
=V
y
t
on
/T,V
o
也随之增加。V
o
增加引起
Vs增加,并因此V
ea
的减少。从三角波开始
到t1 的t
on
相应减少, V
o
恢复到它的初始值。
当然,反之亦然。
PWM产生的信号可以从芯片的输出晶
体管发射极或集电极输出,经电流放大提供
Q1 基极驱动。但不管从那一点-发射极还
是集电极-输出,必须保证当V
o
增加,要引
起ton减少,即负反馈。
应当注意,大多数PWM芯片它们的输
出晶体管导通时间是t0 到t1。对于这样的芯
片,V
s
送到EA的反相输入端,而对于一个NPN晶体管,它的基极(MOSFET的栅极)是由输出晶体管
的发射极驱动的。
图 6.1 典型的正激变换器闭环控制
**
PWM
驱
动
EA
R1
R2
Resr
Co
Lo
Vs
Ns
Nr
Np
Q1
Vb
Vdc
Vref
Vt
A
B
误差放大
Vea
Vo
Vs
Bb
3V
Vea
0
Vt
t0
t1
Vb
ton
ton
T
Vy
B
然而,在某些PWM芯片(TL494)中,它们的导通时间是三角波V
t
与直流电平(Vea)相交时间到
三角波终止时间t2。对于这样的芯片,如果驱动NPN晶体管,输出晶体管导通(如果从芯片的输出晶体
管发射极输出),这样会随晶体管导通时间增加,使得V
o
增加,这是正反馈,而不是负反馈。因此,TL494
一类芯片,V
s
送到EA的同相输入端,V
o
增加使得导通时间减少,就可以采用芯片的输出晶体管的发射
极驱动。
图 6.1 电路是负反馈且低频稳定。但在环路内,存在低电平噪音电压和含有丰富连续频谱的瞬态电
压。这些分量通过输出L
o
,C
o
滤波器、误差放大器和V
ea
到V
y
的PWM调节器引起增益改变和相移。在谐波
分量中的一个分量,增益和相移可能导致正反馈,而不再是负反馈,并因此引起下面讨论的振荡。
6.2 环路振荡机理
还是来研究图 6.1 正激变换器。假定反馈环在B点-连接到误差放大器的反相输入端断开成开环。
任何一次谐波分量的噪声经过B到V
ea
,由V
ea
到电压V
y
的平均值,和从Vy的平均值通过L
o
,C
o
返回到B
b
(正
好是先前环路断开点)都有增益变化和相移。
如果假定某个频率f1 的信号在B注入到环路中,回到B的信号的幅值和相位被上面提到回路中的元
件改变了。如果改变后的返回的信号与注入的信号相位精确相同,而且幅值等于注入信号,要是现在将
环闭合(B连接到B
b
),并且注入信号移开,电路将以频率f1 继续振荡。这个引起开始振荡的f1 是噪声
频谱中的一个分量。
6.2.1 稳定电路的相位裕度
电路要稳定工作必须在开环增益是 1 的频率(交越频率),所通过元件的开环相移小于 360°。总
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