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可使方案一次過的DC/DC開關(guān)電源的設(shè)計(jì)秘籍

作者: 時(shí)間:2013-12-16 來源:網(wǎng)絡(luò) 收藏

本文引用地址:http://butianyuan.cn/article/258454.htm

引言

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展,現(xiàn)代電子測量裝置往往需要負(fù)電源為其內(nèi)部的集成電路芯片與傳感器供電。如集成運(yùn)算放大器、電壓比較器、霍爾傳感器等。

負(fù)電源的好壞很大程度上影響電子測量裝置運(yùn)行的性能,嚴(yán)重的話會(huì)使測量的數(shù)據(jù)大大偏離預(yù)期。目前,電子測量裝置的負(fù)電源通常采用抗干擾能力強(qiáng),效率高的供電方式。以往的隔離技術(shù)通過變壓器實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓的輸出,但這會(huì)增大負(fù)電源的體積以及電路的復(fù)雜性。而隨著越來越多專用集成控制芯片的出現(xiàn),使得電路簡單、體積小的非隔離負(fù)電壓在電子測量裝置中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。因此,對非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源的研究具有很高的實(shí)用價(jià)值。

傳統(tǒng)的非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源的電路拓?fù)溆幸韵聝煞N,如圖1、圖2所示。圖3是其濾波輸出電容的充電電流波形。由圖3可見,采用圖2結(jié)構(gòu)的可獲得輸出紋波更小的負(fù)電壓電源,并且在相同電感峰值電流的情況下其帶負(fù)載能力更強(qiáng)。由于圖2的開關(guān)器件要接在電源的負(fù)極,這會(huì)使得其控制電路會(huì)比圖1來得復(fù)雜,因此在市場也沒有實(shí)現(xiàn)圖2電路結(jié)構(gòu)(類似于線性穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)芯片7915功能)的負(fù)電壓開關(guān)電源控制芯片。

為了彌補(bǔ)現(xiàn)有非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源技術(shù)的不足,以獲得一種帶負(fù)載能力強(qiáng)、輸出紋波小的非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源,本文提出一種采用開關(guān)電源控制芯片實(shí)現(xiàn)了圖2所示原理的基于峰值電流控制的新型非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源。



圖1傳統(tǒng)的非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)1



圖2傳統(tǒng)的非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)2



圖3兩種開關(guān)電源濾波電容的充電電流波形

工作原理分析

本文設(shè)計(jì)的非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源如圖4所示,負(fù)電源工作在連續(xù)電流模式。當(dāng)電源控制器內(nèi)部的功率三極管導(dǎo)通時(shí),直流電源給輸出電感L1和輸出電容C1充電。當(dāng)電源控制器內(nèi)部的功率三極管關(guān)斷時(shí),輸出電感L1中的電流改由通過肖特基二極管VD1提供的低阻抗回路繼續(xù)給輸出電容C1充電直至下一個(gè)周期電源控制器LT1935內(nèi)部的功率三極管再次導(dǎo)通??梢婋娙軨1在輸出電感L1儲(chǔ)存能量和釋放能量的過程中均獲得充電,從而減小了輸出紋波電壓。同時(shí),在CCM條件下,輸出電流在LT1935內(nèi)部功率三極管的導(dǎo)通和關(guān)斷期間均通過輸出電感L1,這很大程度上抑制了輸出電流的波動(dòng),降低了輸出紋波電流的影響,進(jìn)而大大增加系統(tǒng)的帶負(fù)載能力和效率。

反饋控制回路采用了峰值電流控制。相比傳統(tǒng)的電壓控制,峰值電流控制一方面能很好的改善電源的動(dòng)態(tài)響應(yīng),另一方面還能實(shí)現(xiàn)快速的過電流保護(hù),很大程度上提高了系統(tǒng)的可靠性。由于采用了電源控制器LT1935,其內(nèi)部集成了峰值電路控制電路和斜坡補(bǔ)償電路,非隔離負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源反饋回路設(shè)計(jì)即轉(zhuǎn)換為設(shè)計(jì),進(jìn)而大大簡化了反饋回路的設(shè)計(jì)。

為防止過高的直流電源對電源控制器的危害,這里使用穩(wěn)壓管VD2和VD3實(shí)現(xiàn)過電壓保護(hù)。



圖4非隔離負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源硬件電路圖

1、非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源小信號建模

從本質(zhì)上來講,本文介紹的非隔離負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源為非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源,其等效功率級電路原理圖如圖5所示,這里考慮了輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻Resr對系統(tǒng)的影響。

圖5 非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源等效功率級電路原理圖

圖6給出圖5利用平均電路法建立的非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源CCM大信號模型。設(shè)Vi為輸入電壓的穩(wěn)態(tài)值,Vo為輸出電壓的穩(wěn)態(tài)值,Vpc為受控電壓源兩端電壓的穩(wěn)態(tài)值,Ii為輸入電流的穩(wěn)態(tài)值,IL為輸出電感電流的穩(wěn)態(tài)值,D為占空比的穩(wěn)態(tài)值。

圖6 非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源CCM大信號模型


引入上述穩(wěn)態(tài)值對應(yīng)的小信號擾動(dòng)。



令:


可以推導(dǎo)出:


若小信號干擾滿足D,忽略二次項(xiàng)并化簡等式(3)和等式(4)得,的線性化表達(dá)式為:

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