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路的響應速度， 即取決于反饋環路的帶寬。

圖6 圖5中B處的放大波形

在非隔離的電源中， 線性穩壓器可以實現很寬的帶寬， 通常可大于500 kHz。因此， 線性穩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, 整個電源系統必須降低帶寬， 才能實現環路的穩定。帶寬的減小導致整個系統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。在電感電流連續模式下， 通過PWM 開關模塊分析， 可以得出電壓控制連續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， 使系統更加穩定; 而右半平面零點則是隨著頻率的增加， 相位進一步降低， 引起系統的不穩定。

由于存在右半平面零點， 在電流連續模式的升壓結構中， 只有降低環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： 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，得到電壓連續模式降壓電路的小信號傳輸函數：

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路的帶寬， 減小環路的響應時間， 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環路響應。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環路的補償， 有利于實現環路的寬帶寬。因此， 降壓型變換器有利于實現脈沖負載電源。