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開關(guān)電源峰值電流模式次諧波振蕩研究
點擊次數(shù):1926 更新時間:2013-11-05

DC-DC開關(guān)電源因體積小,重量輕,效率高,性能穩(wěn)定等優(yōu)點在電子、電器設(shè)備,家電領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用,進(jìn)入了快速發(fā)展期。DC-DC開關(guān)電源采用功率半導(dǎo)體作為開關(guān),通過控制開關(guān)的占空比調(diào)整輸出電壓。其控制電路拓?fù)浞譃殡娏髂J胶碗妷耗J?,電流模式控制因動態(tài)反應(yīng)快、補(bǔ)償電路簡化、增益帶寬大、輸出電感小和易于均流等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用。電流模式控制又分為峰值電流控制和平均電流控制,峰值電流的優(yōu)點為:1)暫態(tài)閉環(huán)響應(yīng)比較快,對輸入電壓的變化和輸出負(fù)載的變化瞬態(tài)響應(yīng)也比較快;2)控制環(huán)易于設(shè)計;3)具有簡單自動的磁平衡功能;4)具有瞬時峰值電流限流功能等。但是峰值電感電流可能會引起系統(tǒng)出現(xiàn)次諧波振蕩,許多文獻(xiàn)雖對此進(jìn)行一定的介紹,但都沒有對次諧波振蕩進(jìn)行系統(tǒng)研究,特別是其產(chǎn)生原因和具體的電路實現(xiàn),本文將對次諧波振蕩進(jìn)行系統(tǒng)研究。

1 次諧波振蕩產(chǎn)生原因

以PWM調(diào)制峰值電流模式開關(guān)電源為例(如圖1所示,并給出了下斜坡補(bǔ)償結(jié)構(gòu)),對次諧波振蕩產(chǎn)生的原因從不同的角度進(jìn)行詳細(xì)分析。

 

 

對于電流內(nèi)環(huán)控制模式,圖2給出了當(dāng)系統(tǒng)占空比大于50%且電感電流發(fā)生微小階躍△厶時的電感電流變化情況,其中實線為系統(tǒng)正常工作時的電感電流波形,虛線為電感電流實際工作波形??梢钥闯觯?)后一個時鐘周期的電感電流誤差比前一個周期的電感電流誤差大,即電感電流誤差信號振蕩發(fā)散,系統(tǒng)不穩(wěn)定;2)振蕩周期為開關(guān)周期的2倍,即振蕩頻率為開關(guān)頻率的1/2,這就是次諧波振蕩名稱的由來。圖3給出了當(dāng)系統(tǒng)占空比大于50%且占空比發(fā)生微小階躍 AD時電感電流的變化情況,可以看出系統(tǒng)同樣會出現(xiàn)次諧波振蕩。而當(dāng)系統(tǒng)占空比小于50%時,雖然電感電流或占空比的擾動同樣會引起電感電流誤差信號發(fā)生振蕩,但這種振蕩屬于衰減振蕩。系統(tǒng)是穩(wěn)定的。

 

 

前面定性分析了次諧波振蕩產(chǎn)生的原因,現(xiàn)對其進(jìn)行定量分析。針對圖1,圖4給出了占空比擾動引起電感峰值電流誤差信號變化情況,其中Vc為誤差運放的輸出信號,當(dāng)功率管MO導(dǎo)通即電感電流線性上升時,Vc隨之增加,反之當(dāng)功率管M0關(guān)斷時,Vc隨之減小。從圖4可以看出當(dāng)占空比在連續(xù)2個時鐘脈沖下存在不對稱時,系統(tǒng)將出現(xiàn)次諧波振蕩。現(xiàn)推導(dǎo)△Vc與△IL的關(guān)系,占空比擾動△D引起電感電流與誤差運放輸出電壓的變化值分別如式(1)和(2)所示,由式(1)和(2)可推導(dǎo)出Vc與△IL的關(guān)系如式(3)所示:

 

 

式中:T為開關(guān)周期;m1為峰值電流上升斜率;m2為峰值電流下降斜率值;七代表采樣電阻。

由于次諧波振蕩頻率為開關(guān)頻率的1/2,因此在1/2開關(guān)頻率處的電壓環(huán)路增益將直接影響電路的穩(wěn)定性。現(xiàn)推導(dǎo)圖1的電壓環(huán)路增益,在誤差運放輸出端疊加斜坡補(bǔ)償后,設(shè)誤差電壓從△Vc變?yōu)椤鱒e,從而可推出△Vc與△Ve的關(guān)系,如式(4)所示。由式(3)和(4)可得式(5),在穩(wěn)態(tài)時可推出式(6),將式(6)代入式(5)消去m1,得式(7):

 

 

 

 

式中:m為下斜坡斜率;2表示次諧波振蕩周期是開關(guān)頻率的2倍。

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