开关电源的环路设计及仿真

1、基于UC3844的反激式开关电源控制环路设计实例管晓磊哈尔滨九洲电气股份有限公司,黑龙江哈尔滨 150081摘要:电流型控制芯片UC3844已经广泛应用在开关电源中,本文是基于UC3844设计的控制环路,阐述了反激式开关电源控制环路的一般方法。关键词:控制环路设计 UC3844 反激开关电源引言在开关电源的设计过程中,控制环路的设计至关重要,控制环路的设计可以决定电源的成败与否。开关电源的控制方式有电流控制方式和电压控制方式两种。电源系统的传递函数随控制方式的不同而有很大差异,因此在环路设计分析时,应独立分开。本文对基于UC3844构建的开关电源控制环路进行设计分析.论述开关电源电流型控制环路

2、设计的一般方法。1.UC3844概述Uc3844是一种性能优良的电流控制型脉宽调制芯片,其内部结构电路如图l所示,它集成了振荡器、具有温度补偿的高增益误差放大器、电流检测比较器、图腾柱输出电路、输入和基准欠电压锁定电路及PWM 锁存器电路。 图12. 反馈环路设计图2为电流控制方式的双管反激开关电源的反馈控制环路电路。其中电流型控制芯片UC3844放在开关线圈的初级,控制功率开关。在次级电路中,稳压器件TL431作为基准和反馈误差放大器,采样输出,并产生相应的误差电压。该误差电压通过光耦TLP521-1转变成误差电流,耦合到初级中,作为控制芯片UC3844的输入。UC3844通过此输人,产生相

3、应的占空比信号来控制功率开关。由于在设计中运用了TL431内部的反馈运算放大器,所以在光耦接UC3844时,略过了UC3844的内部运放,直接把误差输入接UC3844内部运放的输出端,这种设计可以把反馈信号的传输时间缩短一个放大器的传输时间,使电源的动态响应更快。图2中部分参数如下,输入电压415630VDC,主输出为15V/0.6A 20V/1.8A,初级匝数为96匝,次级匝数15V一路为4匝,20V 一路为5匝,开关频率为40KHZ,R4为17.8k,C6 C7 R7为待求的补偿参数; 图2(应用在大功率开关电源中的辅助电源控制部分 3. 系统的闭环稳定标准稳定性通常用相位裕量m和增益裕量

4、G m两个参数来衡量 1。m为当闭环系统中增益穿越频率(G s=0dB所对应的相位值与360。的差值;G m为相位在360。时的增益值低于单位增益的量。在工程设计中,通常要求G m<-10dB,m45。2,这是因为如果m在小,就意味着相位向360。靠近,就是一个亚稳态系统,这样在负载或母线发生较大瞬态变化时,电源就会产生振荡。4. 电流型常用的误差放大补偿器主要有单极点补偿器具有带宽增益限制的单极点补偿器极点零点补偿器和双极点双零点补偿器,下图3所示为本文所要采用的极点零点补偿器电路图,图4为补偿器的博德图 图3 图4这种补偿器用在具有单极点滤波响应的拓扑中,这些拓扑有:电压型控制电流断

5、续的反激式变换器和电流型控制正激式变换器和反激式变换器。该补偿器有直流增益大,相位超前的特性。这种补偿方法在直流处有一个极点,通过提高误差放大器的开环增益来改善输出调节性能,在输出滤波器最低极点频率或以下引入一个零点,以补偿滤波器的极点引起的相位滞后。补偿器的最后一个极点用来衰减高频分量,以抵消输出滤波电容ESR引起的零点作用。5.控制环路参数设计通常,主电路是根据应用要求设计的,设计时一般不会提前考虑控制环路的设计。在这里,主要介绍控制环路的设计,其他主功率部分就不在叙述。本文直接根据控制到输出特性来设计控制环路,控制到输出特性定义为电源系统中不考虑误差放大器的特性,误差电压输入到PWM的点

6、作为系统输入点,输出反馈电压输入到误差放大器负端的点作为系统输出点,如图5所示 图5本文是采用电流型控制的反激式变换器,为了得到好的负载调整率和暂态响应,选用极点零点补偿器,首先要知道控制到输出的特性的直流增益,A dc=(V in-V out2/ V inV×(N out/N inA dc 3=(630V-15V2/ 630V*1V×(4匝/96匝=25.04该增益用分贝表示为G dc=20lg04.25=28dB,然后确定滤波器的极点,虽然+15V占检本文是把控制理论与开关电源的控制环路相结合的工程算法，是 一种通用性比较强的方法， 阐述了双管反激开关电源中基于TLP5

7、21-1 和TL431配合环路的补偿设计，通过选择合适的零极点保证系统的稳 定工作。本电路已随产品大批量生产应用到现实领域当中，证明本方 案的可行性。 参考文献 1 韩林华，吴遁陵，史小军，朱为，堵国梁 ，反激开关电源中 基于PC817A与TIA31配合的环路动态补偿设计. 电子工程师，2005， （11）. 2 张占松,蔡宣三. 开关电源的原理与设计. 北京:电子工业 出版社,1998 3 Marty Brown 著 徐德鸿等译 开关电源设计指南. 北京：机 械工业出版社 The Control-loop Design Example of Flyback SMPS Base on Uc38

8、44 GuanXiaoLei （HARBIN JIUZHOU ELECTRIC CO., LTD，HaErBin 150081 China） 【Abstract】 Current control pulse-duration modulation chip Uc3844 has been widely applied in the design of flyback Switch-Mode Power Supply,This article is based on the design of the control loop UC3844 ,On flyback switching power supply control loop of the gen