自動控制技術(shù)在電源管理系統(tǒng)中的應(yīng)用分析

作者：時(shí)間：2012-04-06 來源：網(wǎng)絡(luò)

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  技術(shù)方案與實(shí)用技巧

電源是各種電子設(shè)備不可或缺的組成部分, 其性能優(yōu)劣直接關(guān)系到電子設(shè)備的技術(shù)指標(biāo)和可靠性指標(biāo)。近年來, 隨著工業(yè)領(lǐng)域自控程度的不斷提高及民用電器產(chǎn)品的日益高檔化, 對穩(wěn)壓電源的結(jié)構(gòu)和性能提出了越來越高的要求。高效、精確、集成、輕便己成為發(fā)展的趨勢和方向。

本文引用地址：http://www.butianyuan.cn/article/177589.htm

傳統(tǒng)線性穩(wěn)壓電源雖具穩(wěn)定度高,輸出紋波電壓小等優(yōu)點(diǎn), 但很難克服其功耗大、體積笨重、轉(zhuǎn)換效率低的不足。而開關(guān)電源則以其損耗低、效率高、電路簡潔等顯著優(yōu)點(diǎn)受到人們的青睞, 被譽(yù)為高效節(jié)能電源。開關(guān)電源的最大優(yōu)勢在于采用幾十甚至幾百的高頻電路, 這種高頻模式可以做到快速的動態(tài)響應(yīng)和輸出反饋調(diào)節(jié)。開關(guān)電源由主電路與控制電路兩大部分組成。主電路的能量傳遞給負(fù)載電路, 控制電路則按照輸入、輸出條件控制主電路工作狀態(tài), 將控制電路集成化即成為開關(guān)電源管理控制。開關(guān)電源己有幾十年的發(fā)展歷史。集成電路設(shè)計(jì)與制造技術(shù)的進(jìn)步以及供開關(guān)電源使用的新型元器件和材料的出現(xiàn), 為開關(guān)電源的蓬勃發(fā)展提供了必要條件。進(jìn)入世紀(jì)以來, 開關(guān)式電能變換技術(shù)無論是技術(shù)理論還是產(chǎn)業(yè)進(jìn)程, 都以爆炸式的速度飛速發(fā)展, 新技術(shù)、新產(chǎn)品不斷涌現(xiàn)。集成開關(guān)電源沿兩個(gè)方向不斷發(fā)展: 第一個(gè)方向是對開關(guān)電源的核心單元——控制電路實(shí)現(xiàn)集成化; 第二個(gè)方向則是對中、小功率開關(guān)電源實(shí)現(xiàn)單片集成化。單片開關(guān)電源集成電路具有集成度高、性價(jià)比高、外圍電路簡單、性能指標(biāo)優(yōu)良等優(yōu)點(diǎn), 是開發(fā)中小功率開關(guān)電源、精密開關(guān)電源及開關(guān)電源模塊的首選集成電路。由它構(gòu)成的開關(guān)電源, 在成本上與同等功率的線性穩(wěn)壓電源相當(dāng), 而電源效率顯著提高, 體積和重量則大為減小。這就為新型開關(guān)電源的推廣與普及, 創(chuàng)造了良好的條件。隨著各種電池供電便攜式電子產(chǎn)品的快速增長, 對電源管理芯片, 特別是變換器的需求將進(jìn)一步擴(kuò)大。而電流控制模式由于其具有更好的電壓調(diào)整率和負(fù)載調(diào)整率, 系統(tǒng)的穩(wěn)定性和動態(tài)特性得以明顯改善, 特別是其內(nèi)在的限流能力和并聯(lián)均流能力可以使控制電路簡單可靠, 該技術(shù)在上世紀(jì)年代初公開以后就受到廣泛的重視。目前, 小功率變換器正從電壓控制模式向電流控制模式方向轉(zhuǎn)化。與電壓型相比, 電流型控制技術(shù)可以在逐個(gè)開關(guān)脈沖上響應(yīng)負(fù)載電壓的和電流的變化, 從而改善電路的動態(tài)特性。

PWM比較器會輸出高開關(guān)管打開, 直到感應(yīng)出的電感電流等于控制電壓。一旦這條件成立, PWM比較器輸出就為低, 把開關(guān)管關(guān)閉。通過一個(gè)固定頻率的時(shí)鐘信號設(shè)置一個(gè)RS觸發(fā)器來初始下一個(gè)周期的開始。通過這種方式, 電感的峰值電流被控制電壓精確控制。直觀地, 電流環(huán)使電感“扮演了”一個(gè)電流源, 這樣的結(jié)構(gòu)有很多電流型控制的特性。

占空比是由電感電流和輸出電壓所決定的, 很難理解這樣的結(jié)構(gòu)對變換器有什么作用。要對電流型控制重要特性有一個(gè)直觀的理解最好是從小信號個(gè)性分析入手。

一個(gè)峰值電流型控制的小信號框圖如圖1所示。圖中有兩個(gè)反饋環(huán): 外反饋環(huán)反饋電壓信息, 同時(shí)內(nèi)部反饋環(huán)(Ti)反饋電流信息。電壓環(huán)作為電壓型控制（從輸出電壓誤差產(chǎn)生一個(gè)補(bǔ)償控制電壓）。

圖1 降壓型電流模式PWM開關(guān)電源原理框圖

電流環(huán)— Ti—是電流型控制結(jié)構(gòu)的有區(qū)別的成分。電流環(huán)的輸入是控制電壓, 它與感應(yīng)出的電感電流比較, 設(shè)置占空比。占空比轉(zhuǎn)入供電狀態(tài)（開關(guān)元件，電感, 輸出電容）, 產(chǎn)生相應(yīng)的電感電流和輸出電壓。電感電流通過Ri感應(yīng)出并反饋回去與Vc比較。

當(dāng)電流環(huán)關(guān)閉時(shí)一個(gè)看似荒謬的情況出現(xiàn)了: 有兩個(gè)電抗性的元件（L和COUT）和的二階系統(tǒng)變?yōu)橐粋€(gè)一階系統(tǒng)。反饋理論對此提供了解釋。實(shí)際上, 反饋環(huán)控制電感電流很像一個(gè)反饋輸出電感量和負(fù)載值的電流源。因此, 當(dāng)頻率低于電流環(huán)帶寬時(shí), 電流型的供電狀態(tài)只有由ROUT//RLOAD阻抗控制的一階。

然而, 電流環(huán)對于供電狀態(tài)的影響不只是低頻。對在電流環(huán)內(nèi)小信號電流擾動的分析顯示它很像一個(gè)分離時(shí)間采樣系統(tǒng)。這樣一個(gè)采樣和維持系統(tǒng)在多采樣開關(guān)頻率下有復(fù)雜的極點(diǎn)對。在可以高到開關(guān)頻率一半時(shí), 對采樣和維持的二階近似可以得到精確的結(jié)果。這就是對一個(gè)電源帶寬的理論上的限制。

在峰值電流控制中幾個(gè)性能參數(shù)得到提升。關(guān)鍵的好處是極好的線性調(diào)整,簡單的補(bǔ)償設(shè)計(jì), 對大的負(fù)載變化的快速響應(yīng), 固有的“ cycle-by-cycle”電流限制。電流模式的缺點(diǎn)及存在的問題:電流誤差及不穩(wěn)定性——需要斜坡補(bǔ)償；較淺的斜坡——抗噪聲能力差；直流開環(huán)負(fù)載調(diào)整率差；在多路輸出降壓線路中環(huán)路不規(guī)律。

圖2是芯片內(nèi)部電路原理圖, 與電壓模式相比, 電流模式增加了電流內(nèi)環(huán)的電感電流采樣環(huán)節(jié)、補(bǔ)償斜坡、RS觸發(fā)器等模塊。工作原理: COMP腳的電壓正比于電感峰值電流。在一個(gè)周期的開始: 開關(guān)管M1是關(guān)閉的;M2 是打開的;COMP腳電壓高于電流感應(yīng)放大器輸出; 而且電流比較器輸出是低。振蕩器時(shí)鐘信號的上升沿對RS觸發(fā)器置位。它的輸出關(guān)斷M2, 并且打開M1, 從而使SW腳和電感連接到輸入電源。不斷上升的電感電流被RS感應(yīng)并通過電流感應(yīng)放大器放大。斜坡補(bǔ)償與電流感應(yīng)放大器輸出相加后通過電流比較器與誤差放大器輸出進(jìn)行比較。當(dāng)電流感應(yīng)放大器輸出與斜坡補(bǔ)償?shù)男盘栔统^COMP腳電壓時(shí),RS 觸發(fā)器被重置, 并且回到M1關(guān)斷, M2打開的初始狀態(tài)。如果電流感應(yīng)放大器輸出與斜坡補(bǔ)償?shù)男盘栔臀闯^COMP腳電壓, 那么時(shí)鐘CLK的下降沿重置觸發(fā)器。誤差放大器的輸出反映了反饋電壓與帶隙基準(zhǔn)電壓0.9V之間的差值。其極性:FB
腳電壓低于0.9V, 則COMP腳電壓增加。由于COMP腳的電壓正比于電感峰值電流,所以COMP腳的電壓的增加使傳遞到輸出的電流也隨之增加。外部肖特基二極管在M1關(guān)斷時(shí)為電感續(xù)流。各模塊的功能描述見表1。