开关电源系统稳定性补偿电路的设计_百度文库

1、第18卷第2期 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 Vol. 18, . 21997 Journal of Harbin Engineering U niversity Apr. , 1997 年4月开关电源系统稳定性补偿电路的设计付永庆 张 林 陈哲时(哈尔滨工程大学电子工程系, 哈尔滨150001*摘 要 开关电源系统的开环稳定性通常不高, 甚至不稳定, 因此, 为使其安全可靠的工作必须进行稳定性设计. 本文讨论了该问题, 并给出了一种设计稳定性补偿电路的频域方法. 一个设计实例表明:用本方法解决开关电源系统稳定性设计问题是行之有效的.关键词 开关电源; 系统稳定性设计分类号 T P271

2、. 610 引 言尽管零电压开关 多谐振变换器有可能发展成为高频开关电源的主体结构1, 2, 但是当前非谐振的脉冲调宽型开关电源仍占主要地位. 由于在非谐振PWM 型开关电源中的开关换向是强迫实现的, 因此恶化了功率晶体管开关元件的电压与功率耗散环境 同时, 稳压系统的稳定性不良, 也是破坏功率晶体管元件安全的一个重要因素 这就要求我们对开关电源系统的稳定性给予充分的重视图1为半桥式PWM 型开关电源 它的输入电压V IN 来自于整流滤波电路, 输出电压V OUT 受PWM 单元输出的脉冲宽度控制 这是一个典型的非谐振式开关电源电路, 而且是开环不稳定的3为了改进图1半桥式开关电源电路的系统稳

3、定性, 普遍采用的方法是把误差图1 半桥式开关电源电路性得到补偿并成为闭环稳定的系统收稿日期:1996-07-01* 哈尔滨工程大学水声工程系 :放大环节设计成一个自动调节器, 从而使它的系统特第2期 付永庆等:开关电源系统稳定性补偿电路的设计 93本文针对自动调节器 补偿电路的设计问题进行了讨论, 并给出了一种频域的设计方法 最后用实例验证了文中所给出的设计方法的正确性1 系统特性及控制原理下面以图1所示的的半桥式开关电源为例, 推导它的开环传递函数 据据文献3, 可建立输出电压与输入电压之间的直流增益关系为N s开关V OUT =N V INp(1其中: 为开关电源的工作周期, 它受PWM

4、 单元的输入电压V c 控制 V c 为误差信号误差信号V c 作用于PWM 单元将产生双路开关控制脉冲, 其原理可见图2 图中, V s 为最大锯齿波电压; t ON 及t OFF 分别为开关元件的开通与关断时间; 而T 为开关电源的工作周期由图2可推出锯齿波电压为V st 0 t T /2T /2而开关电源的工作周期可表示为u (t =(2ON(3T /2显然, 由式(2 及(3 可推出下列关系图2 PWM 脉冲产生原理图因此利用上式可把式(1 进一步写为V f OUH T =s INV c N P V s(5=t ON V c=T /2V s(4这里式(5 给出了半桥式开关电源的控制与输

5、出间的直流增益关系为了导出系统的开环放大系数, 令控制电压V c 在电源及负载的扰动下产生微小摄动, 则可得出系统的开环放大系统为K 0=d V OU T N s V IN= d V c N p V s(6在这里, 式(6 所反映的是系统输出与控制间的交流小信号增益关系, 同时它也适用于大信号变化情况进一步把输出滤波器LC 对系统输出的影响考虑进来, 便可得出半桥式开关电源系统的固有部分开环传递函数:G 0(s =V OUT (S V c (s =K 0H (s(7:s ,94 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第18卷H (sS +(1/LC 2(8显然, 半桥式开关电源系统的固有特性是开

6、环临界不稳定的 这种特点在其它类型PWM 开关电源中同样存在为改善开关电源系统的闭环控制特性, 可插入串联校正环节G c (s , 如图3图3 半桥式开关电源的系统方块图(s =所示 因此, 进一步可推出全系统的闭环传递函数为:(9G c (s G 0(s V OUT (s =1+K H G c (s G 0(s V r (s G (s =K H G c (s G 0(s V OUT (s =V r (s K H 1+G (s令则式(9 可写成如下形式(10(s =(11其中:G (s 代表了系统的开环传递函数显然, 若G c (s =K c , 则由式(11 所给出的半桥式开关电源系统的闭环

7、控制特性也是临界不稳定的 为实现对系统稳定性的设计, 可通过设计G c (s 来完成2 系统稳定性的补偿原则与设计方法设计G c (s 的目的是为了重新配置系统的闭环极点, 在工程上有许多方法可供采用 今采用频域的设计方法, 利用伯德图来求取G c (s 根据文献4, 并结合开关电源的特点, 对系统稳定性的设计应按下列原则进行 :(1 要使校正后的系统成为 型系统; (2 要使校正后系统的|G (j |的对数幅频特性曲线在剪切频率 c 附近为呈-20dB/dec 斜率下降的直线;(3 要使剪切频率 c 满足10 1 c32的条件, 其中 1及 2的含义见图4;(4 根据电源系统的带宽指标选择剪

8、切频率图4 系统开环希望对数幅频特性c上述原则是在保证系统的稳态误差、电压响应速度及相对稳定裕度的前提下给出的 实际设计中应按下列步骤进行:(1 画出系统未校正前开环传递函数G (s 的对数幅频特性曲线;(2 选择剪切频率 c , 使之满足条件:1/5f f c 1/2f , 其中f 为开关电源的开关切换;第2期 付永庆等:开关电源系统稳定性补偿电路的设计 95(3 按设计原则中的(1 至(3 的要求, 画出系统的开环期望对数幅频特性曲线; (4 用校正后减校正前的对数幅频特性曲线, 求出自动调节器G c (s 的对数幅频特性曲线, 并据此写出G c (s 的数学表示;(5 根据G c (s

9、设计稳定性补偿电路3 设计举例今以一个100kHz 半桥式直流稳压开关电源的系统稳定性补偿电路的设计为例进行讨论假定允许输入的交流电压为180260V, 输出直流电压为12V, 那么按文献3提供的公式可计算出功率变压器的匝数比为N p /N s =22/4, 输出滤波器LC 的谐振频率为2kH z采用TL494电路作PWM 单元时, 最大锯齿波电压V s 为3. 2V若取反馈系数K H =1/4, , 则可算出系统未校正前的开环直流增益为:20lg (K H K 0 =20lg (K H上式计算中V IN 取为182V进一步可画出系统未校正前的开环对数幅频特性曲线, 如图5中曲线( 所示因为开

10、关电源的开关切换频率为100kH z, 所以若按1/5f 选取剪切频率, 则f c =20kHz 再根据设计原则(2 及(3 便可画出系统开环期望对数幅频特性曲线的中频段对于低频段可按设计原则(1 的要求画出, 这时的对数幅频特性曲线要呈-20dB/dec 的斜率下降; 而对于高频段一般可按-4060dB/dec 的斜率画出综合如上考虑可画出全系统的开环期望对数幅频特性曲线, 如图5中根据曲线( 及( , 可画出串联校正环节G c (s 的对数幅频特性曲线( , 如图5所示由曲线( 容易写出G c (s 的解析表示式, 即G c (s =( 1s +1 ( 2s +13s( 4s +1(13图

11、5 系统稳定性设计的对数幅频特性曲线的曲线( 所示 N s V IN8. 25dBN p V s(12从图5中又可查知 1= 2=0. 0795ms, 3=0. 0205ms, 4=2. 65 s 而且知G c (s 的高频段增益为:A V 2=20lg |G c (j 2 f | 41. 25dB 96 哈 尔 滨 工 程 大 学 学 报 第18卷其中f =60kH z采用图6所示电路可实现G c (s 通过推导可得出它的传递函数为V c (s (R 3C 2s 1 (R 1C 1s +1=V sr (s 124, (R 1C 2s C 1s +1R 1+R 2图6 稳定性补偿电路1R 1+

12、R 2(14对比式(13 及(14 后可得知R 1R 21=R 3C 2, 2=R 1C 1, 3=R 1C 2, 4=R +R C 112以及A V 2 R 3/R 2 这里A V 2为s 条件下取得的G c (s 的高频段增益进一步把已知数据代入上述关系式中, 就可完成稳定性补偿电路的设计 其结果列于表1之中表1 稳定性补偿电路元件参数表电阻R 1(k 20. 5电阻R 2( 688. 4电阻R 3(k 79. 5电容C 1(pF 3878电容C 3(pF 1000应该指出, 本例虽然讨论的是半桥式开关电源, 但方法同样适用于其它PWM 型开关电源的系统稳定性设计问题4 性能评价与结论将已

13、求出的G c (s 及已知条件代入式(10 后, 可算出半桥式开关电源的开环传递函数:1042G (s =s(s +3. 7736 105 (s 2+1. 5791 108(15显然, 它所描述的系统为 型系统, 因此, 闭环系统的给定位置静差为0(对阶跃响应而言为了评价引入G c (s 后的系统动态性能, 我们依据式(11 编制了仿真程序, 并在计算机上进行了数值仿真, 其结果列于表2中 仿真曲线用图7给出表2 系统的单位阶跃响应指标动态性能指标稳态误差达2%时t s0. 24mst p 0. 026msp 16. 34%可见, 采用频域法进行系统稳定性设计后的系统工作是稳定的 由表2数据显

14、示, 它的动态性能也能满足一般电源系统的要求目前, 本设计例已在100kH z 半桥式12伏15安直流稳压开关电源的产品化设计8第2期 付永 庆等: 开关电源系统稳定性补偿电路的设计 97 图 7 半桥式开关电源系统仿真曲线 由此得出如下结论: 图 8 负载试验电路 ( 1 该补偿电路对改进半桥式开关电源的系统稳定性是行之有效的; ( 2 本文提出的设计方法也适用于其它类型的脉冲调宽型开关电源电路; ( 3 本设计方法对开关电源的产品化设计有理论指导意义 参 1 2 3 4 张晓 阳, 蔡 宣三 ( 4 : 44 55 王艳丹, 蔡宣三 34( 4 : 51 61 梁适安 郑 机 转换式电源供

15、给器原理与设计 电力半导体直流稳定电源 北京: 世界图书出版公司, 1990 北京: 机械工业出版社, 1985 全桥零电压开关 脉宽调制变换器的小信号 分析与最优 控制 清华 大学学报, 1994, 考 文 献 清华大 学学 报, 1994, 34 离线式 半桥零 电压开 关多谐 振变换 器轻载 工作模式 分析 Design of Stability Com pensat ion Circuit for Sw it ching Pow er Supply Fu Yongqing Zhang Lin Chen Zheshi ( Dept. of Electronic Eng . , Harbin Eng ineering U niversity , Har bin 150001 Abstract An open- loop st ability f or a sw itching pow er supply usually is undesirable. T here f ore its stabilit y has to be designed so t hat it is able t o run safely and reliab