高频开关电源控制方案设计
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高频开关电源控制方案设计
1电压电流双环本文引用地址： 为了实现输出电压电流均可控，通常采用电流模式，常用电流模式有峰值电流控制法和平均电流控制法。但是，峰值电流控制有以下几个缺点[1]： ①占空比大于50%的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差； ②闭环响应不如平均电流模式控制理想； ③容易发生次谐波振荡，即使占空比小于50%，也有发生次谐波振荡的可能性。因而需要斜坡补偿； ④对噪声敏感，抗噪声性差。因为电感处于连续储能电流状态，与控制电压编程决定的电流电平相比较，开关器件的电流信号上斜坡通常较小，电流信号上的较小噪声很容易使开关器件改变关断时刻，使系统进入次谐波振荡。2平均电流模式控制PWM 平均电流模式采用双闭环控制，其内环控制输出滤波电感电流，外环控制输出电压，提高了系统响应速度。图1为平均电流模式控制PWM的原理图。图1平均电流模式控制原理图 将误差电压信号Ue接至电流误差信号放大器的同相端，作为输出电感电流反馈的控制信号Uip。将带有锯齿纹波状分量的输出电感电流反馈信号Ui，接至电流误差信号放大器的反相端，跟踪电流控制信号Uip。Ui与Uip的差值经过电流误差放大器放大后，得到平均电流跟踪误差信号UC。再由UC与三角锯齿波信号通过比较器比较得到PWM控制信号。UC的波形与电流波形Ui反相，所以，是由UC的下斜坡（对应于开关器件导通时期）与三角波的上斜坡比较产生控制信号。显然，这就无形中增加了一定的斜坡补偿。但为了稳定工作，要求电感电流的下降坡度不能大于晶振的坡度。平均电流模式控制的优点是： ①电感电流能够高度精确地跟踪电流控制信号； ②不需要斜坡补偿； ③调试好的电路抗噪声性能优越； ④适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制； ⑤易于实现均流。3小信号分析及电流、电压环PI调节器参数 这种控制方式有恒压和恒流两种工作方式。当D1导通时，电路工作在恒流模式，此时，电压环不起作用，电路相当于单环控制。当D1截止时，电路工作在恒压模式下，电路采用串级双环控制，电流环作为电压环的内环，电压环PI调节器的输出Ue作为电流环PI调节器的给定。其电路方框图如图2所示。在参数时，先电流环的调节器，获得稳定的内环，然后得到电流环的闭环传递函数Tic(s)，并将其作为电压环的一个环节，如图3所示，然后设计电压环调节器。这种控制方式的最大的优点是，很好地解决了电路的限流问题，使电路具有最快的限流响应速度。但是，这种控制方式的实际限流给定是限流值Uiref加上D1的管压降，因为D1的管压降与通过它的电流有关，所以这种控制方式的稳流精度不如前面那种控制方式，但可以通过调节电阻R3，减小D1管压降的变化量，以提高这种控制方式的稳流精度。图3电压外环等效方框图 图中符号表示： H为输出电压采样系数； Ki为电感电流采样系数； FM为脉宽调制器的传递函数，FM=1/Upp，（Upp为三角波峰峰值）； GV(s)为电压环PI调节器的传递函数：忽略输出滤波电感电容等效电阻的影响后为 式中：Udc输入直流母线电压； n为副边与原边的匝比； L为输出滤波电感值； RL为滤波电感的电阻； C为输出滤波电容； RC为滤波电容的串联等效电阻； R为负载电阻。 Z(s)为负载和输出电容支路的并联阻抗： 由图2可得，电流环（内环）的闭环传递函数为：
补偿前，双环控制方式下电压环的开环波特图见图4。图4双环控制方式下电压环的开环波特图（补偿前） 补偿后，电压环的开环传递函数为： Tvob(s)=HGv(s)Tic(s)Z(s)（8） 补偿后，双环控制方式下电压环的开环波特图见图5。如图5所示，系统的相位裕量为45°，稳定裕量为50dB。图5双环控制方式下电压环的开环波特图（补偿后） 由等效方框图图3可得，补偿前电压环的开环传递函数为： Gi(s)为电流环PI调节器的传递函数： Gdi(s)为主电路的占空比对电感电流的开环传递函数图2双环控制模式下的电路方框图 4控制电路实现 采用集成芯片UC3525外加运放构成平均电流模式控制电路，并用单片UC3535外加逻辑电路的方式形成有限双极性控制的4路控制信号。如图6所示。（1）外环控制 电压给定信号与输出电压反馈信号经运放U1补偿比较得Ue，接到UC3525的内部误差放大器正相输入端：2脚作为反馈电流的控制信号Uip。当输出电流超过给定限流值时，D11导通，Uip被嵌在给定限流值上。（2）内环控制 采样电阻检测输出电流并通过电流检测放大器得电流反馈信号。接到UC3525的内部误差放大器反相输入端的1脚，与Uip进行比较。UC3525的9脚为反馈补偿端。（3）有限双极性控制 UC3525的4脚为同步信号输出，该信号作为D触发器U3的时钟信号，U3的Q端(1脚)和端(2脚)既可得到占空比为50％相位相差180°的两组脉冲，Q11、Q12用于控制死区时间。图6单片UC3525构成有限双极性控制原理图5结论 通过以上设计，对开关电源控制的一些关键问题得到了基本解决办法，开关电源控制电路的实现，使发电厂及变电站大容量直流系统能够更加可靠的运行。参考文献 [1]林渭勋.现代电力电子电路.浙江大学出版社.2004 [2]高海生，张前彬等.110V大功率高频开关电源的研制.华东交通大学学报.2004（10）：1-4 [3]姜桂宾，裴云庆等.12V/5000A大功率软开关电源的设计.电工电能新技术.-60 [4]陆鸣，杨恒等.自动均流技术及负载均流集成电路控制器UC3907.电子技术.1996（10）：27-30 [5]张胜辉，郭海军等.并联均流高频开关电源的研究.国外电子元器件.2004（11）：20-22■
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