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开关电源控制模式study_电流_电压

萌界大人物 2024-11-12 18:35:48 0

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根据采样工具的不同,可将PWM掌握器分为电压型和电流型两大类。
为简化不同拓扑变换器的外围电路,浩瀚半导体生产厂家为不同拓扑变换器设计了相应的PWM掌握芯片或PFM掌握芯片,个中传统硬开关反激、正激变换器可共用同一类PWM掌握芯片,如UC384X系列芯片、FAN67XX系列以及On-Bright公司的OB2262、OB2263、OB2273等;传统硬开关半桥、全桥变换器也可以共用同一类PWM掌握芯片,如TL494及其兼容芯片KA7500、SG3525芯片等;而FAN7930、L6562、MC33262、OB6563等PFM掌握芯片又专为APFC变换器设计;QR反激变换器有专用的QR掌握芯片,如飞兆的FAN6300系列(包括FAN6300A、FAN6300H),安森美的NCP1207、NCP1380系列,昂保的OB2201、OB2202、OB2203等;半桥谐振LLC变换器也有专用的PFM掌握芯片,如ST公司的L6599与L6599A、飞兆半导体的FAN7621、FAN7631等,已并入安森美。

1、VM电压PWM掌握器

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由输出电压取样电路、偏差放大器EA、比较器CP、振荡器OSC、锯齿波发生器以及承担电平锁存功能的SR触发器等部件构成。

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(图片来自网络侵删)

图1 PWM VM 电源boost掌握器 框图

事情事理:占空比发波大小由输出电压Uo进行采样,掌握PWM占空比,使得输出电压电压稳定;在VM PWM掌握器中,振荡器的开关频率是固定的,锯齿波的输出旗子暗记斜率也是固定的,PWM调节器实际是一个电压比较器,偏差放大器EA输出旗子暗记Uc为受输出电压掌握的一个仿照旗子暗记,当输入电压抬高,VC是减小的,反之是增加的,振荡器clk输出高电平,RS触发器Q置高,相称于时钟上升沿发波,什么时候停滞发波低电平呢?受控于R端,R端变低,停滞发波,再到下一个时钟上升沿再次发波;那占空比高电平始于CLK,终于R变低,全体周期clk的周期固定,占空比变低的韶光为VC和斜波比较,当斜波大于VC时,停滞发波;详见图1中间波形

优点:电压型掌握器不须要斜率补偿电路,只有一个闭环反馈回路,

缺陷:但反馈补偿电路设计相对繁芜,最大缺陷是对输入电压UIN 变革反应速率慢。
例如,当输入电压UIN 发生阶跃跳变时,由于变换器输出端接有大容量滤波电容,输出电压UO 可能会涌现明显的颠簸,经历一段韶光后输出电压UO 才逐渐趋于稳定。
因此,在电压型 PWM 掌握器中可能还须要增加前馈电路,强制锯齿波电压斜率随输入电压UIN 升高而增加,相称于减小占空比,斜率增加了,须要很短韶光就复位了,起到了前馈浸染;如TI的掌握器 UCC3750 buck 掌握器 VM掌握具有前馈浸染;提前补偿,有前馈的补偿,可以使得占空比和输入电压没紧要,这样补偿也变得随意马虎。

2、电流型掌握器CM

电流型掌握的开关电源技能与设计为改进开关掌握器动态相应速率,1972年F.C.Shiwarz提出了电流型(Current Mode Control)掌握器模型,它实际上是电流、电压双闭环负反馈掌握系统,借助电压闭环负反馈稳定输出电压 ,以便得到良好的负载调度率;借助主开关电感或开关管电流闭环负反馈形成的前馈特性改进输入电压突变的相应速率,以便得到良好的线电压调度率。
电流型掌握器包括了峰值电流掌握、均匀电流掌握、电流滞环掌握三种办法。

图2 CM PWM BOOST 框图

事情事理:双闭环,外环电压环,内环电流环;通过输出电压的取样,掌握PWM旗子暗记的占空比使得输出电压稳定,通过对电感电流进行取样,使得能够即时感知输入电压的变革,电流型PWM掌握器中,振荡频率也是不变的,偏差放大器的EA输出UC幅度决定着输出电压,在开关管Q1截止器件,取样旗子暗记为0,CP比较器的同相输入段Wie0,反相输入段Uc大于0,以是R端为0,触发器为高有效,当振荡器 OSC 高电平时触发S=1,Q值=1,打开MOS Q1,相称于时钟开门,关门是RS检测电阻上的电流斜波幅值决定,昔时夜于UC时,触发高电平R=1,Q=0,关闭Q1,ton结束,进入toff,之道下一个时钟上升沿到来,开启下一个ton时候,周而复始,RS触发器有两个功能(触发和保持功能。
S=1触发开启,R=1 触发复位,其他时候都是保持);

优点:由于电感电流 IL=uin/LT 检测电阻上电压波形US=ILRS=uin/LRSt,可以瞥见斜波斜率受输入电压影响,成正比,本身就具备了电压前馈特性,对输入电压Uin的突变相应速率快,引实在恒流源掌握,相对付VM掌握,其补偿随意马虎些,一样平常须要2型补偿或者基本的1型补偿就可稳定;如下图 3在输出电压升高和降落,输入电压降落时的占空比调度过程,可以看到输入电压降落时,直接改变占空比坚持电感电流的稳定,以是其相应相对付VM调度更快。
比较适宜宽压输入的拓扑。

图3 电流型PWM掌握器的调度波形

缺陷是:CM在Q1开通时,由于变压器寄生电容通过MOS瞬间充电,引其前沿电压尖峰,一样平常须要RC滤波躲过,或者掌握器里面有滤波或者延时计数等躲过,其余其占空比如大于0.5 CCM,有次谐波振荡,须要斜波补偿;对付DCM模式,不须要;

3、峰值电流型掌握器次谐振征象与斜波补偿电路

事情在CCM模式下,占空比D>0.5涌现次谐振征象;详细的表现为系统受到滋扰,输入电压突变又规复,负载突变又规复等,相邻的两个开关周期,会由于电感电流的偏移,使得TON导通韶光涌现是非交替,使得系统进入失落控状态,尤其是测试上涌现大小波,涌现比正常的开关频率更低的振荡,便是所谓的次谐波振荡征象。

详细的可用图4形象地阐明。
个中粗实线表示正常状态下的斜坡电压,虚线表示受滋扰后的斜坡电压。

图 4 CCM D>0.5 次谐波征象 D<0.5次扰动减小

图中,BOOST电感电流IL经由检测电阻采样,作为电流斜波旗子暗记,导通斜波US=ILRS=uin/LRSt随着导通韶光线性增加,变换器受到扰动后的第K个周期内,电感电流从最小值从IL’线性增加,如负载溘然减小又快速规复的扰动引起,或者输入电压有突变抬高后又规复等,都会引起IL’降落,而掌握器的ton 在第K个周期增加到Ton',按理说该当经由数个周期后规复到正常值,但是这个小小的扰动使得占空频年夜于0.5时,经由K+1,K+N, TOn韶光缩短,以此往来来往,导致系统进入不稳定状态,形成次谐波震荡,而在DCM和CRM模式,由于每个周期IL均从0开始,以是不会涌现此问题,仅仅扰动影响当前的开关周期占空比增大或者缩小;而当占空比小于0.5时,高中的几何事理很随意马虎证明占空比增量逐渐缩小,扰动变小;

为此,在由峰值电流型PWM掌握器构成的DC-DC变换器中,为避免占空比D>0.5时,CCM模式下峰值电流型PWM掌握器涌现次谐振征象,可使比较器的掌握电压UC呈现向下的斜坡,或者在电流检测同相端增加一个谐波,(在电感电流对应的斜坡电压上叠加一个同频的斜率补偿电压,使等效的斜坡电压斜率增加。
)目的是减小占空比,这块实际是引入一个谐波搞定占空比扰动;

图5 电流斜波补偿

(1)如果变换器事情在CCM模式,将占空比限定在0.5以内,可避免产生次谐振征象;

(2)在最小输入电压下,占空比D可能大于0.5时,选择DCM或BCM模式,也不存在次谐振征象;

(3) 在最小输入电压下,占空比D可能大于0.5,且变换器又必须事情在CCM模式时,则只能借助斜率补偿电路,方能避免涌现次谐振征象,确保变换器稳定事情。

尽快峰值电流型掌握策略在特定的条件下存在斜波补偿电路,但是其优点非常明显,肃清了电感的双极点,使得系统的LC通报函数降为1阶,环路稳定补偿更随意马虎,其余线调度率提高,对输入电压的相应速率快,很随意马虎实现CBC逐周期限流保护,简化了过流保护电路设计,当多模块并联时,每个模块的基准均来自输入电压基准VC,很随意马虎实现并联均流,目前绝大多数电流型反激,正激变换器Pwm掌握芯片均采取这种掌握办法。

4、均匀电流型掌握

此掌握模式是1987年由B.L.WILKINSON 提出的均匀电流型掌握,该掌握方案在PFC电路中得到了广泛运用。
如下图6

图6 均匀电流掌握 BOOST 框图

其事情事理:UO经由输入采样通过FB送偏差放大器的反相输入端,与参考电压偏差经放大补偿之后的旗子暗记VE作为内环电流环的基准旗子暗记,这块与前面的VM,峰值CM掌握相同的外环,VE作为内环均匀电流的基准,峰值电流 CA为比较器,此均匀电流为电流偏差放大器,放大电感电流IL与UE的差值产生VC旗子暗记 VC旗子暗记再与锯齿波切割产生PWM,可见均匀电流掌握旗子暗记也是电压电流的双闭环掌握系统;

优点:这种均匀电流掌握抗滋扰能力强,稳定性高,缺陷:电感均匀电流采样电路繁芜,检测元件体历年夜,功耗大;

5、电流滞环型掌握

电流滞环型掌握也通过采样电感电流,并与给定的电感上限电流、下限电流比较。
当变换器电感电流大于Ilmax时,PWM输出低电平,使开关管断开,电感电流低落,当低落到低于Ilmin时,使得开关管导通;以此往来来往,由于电感电流的上升和低落斜率与负载轻重,与输入电压干系,因此电流滞环型掌握的开关频率是不固定的,会随着负载轻重和输入电压的变革而变革,属于PFM的调制范畴

当然以上是经典的掌握模式,不局限于这几种掌握,还有电荷掌握,单周期掌握,数字PID掌握等。
可根据掌握器的设计模式进行剖析。

本文讲解了 PWM VM和CM(峰值,均值), PFM (COT掌握模式)经典掌握办法。
是目前常用事情办法,运用广泛。

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