反激电源小信号分析-20110513

1、反激电源小信号分析唐益宏2011-5目录反激电源电路框图反激电源小信号模型反激电源功率级的传递函数反激电源反馈补偿环节的传递函数反激电源反馈环路设计实例反激电源电路框图反激电源电路小信号模型反激电源功率级的传递函数占空比到输出电压的传递函数1)/1)(/1 ()()()(020221QsszszsKsdsvsGvdvd2DnVKgvd)/(11CRzC222DLnRDz LCnD0CRRDLnQC22011DD1psNNn 反激电源功率级的传递函数占空比到电感电流的传递函数1/1)()()(02023QsszsKsdsisGidid32)1 (RDDnVKgidRCDz13反激电源功率级的传递

2、函数电感电流采样的传递函数He(s)调制器传递函数Fm(s)scmTmsvsdsF11)()()(1)(ssTseesTsHLRVmsg1反激电源功率级的传递函数控制电压到输出电压的传递函数 当电流环的增益足够大时)()()(1)()()(sHRsGsFsGsFsGesidmvdmvc)()/1 ()/1)(/1 ()()()()(321sHzszszsRKKsHRsGsGsGesidvdesidvdvc反激电源功率级的传递函数电感电流采样传递函数的简化 在1/2开关频率范围内，He(s)可以用下式等效1)(22znneQsssH2zQsnT 反激电源功率级的传递函数电感电流采样传递函数的波特

3、图 反激电源功率级的传递函数电感电流采样传递函数 从波特图上可以看出，在1/2开关频率范围内，He(s)的增益小于4dB，相移在-90度0度范围内。 根据采样定律，频率小于采样频率1/2的信号才能被还原，开关电源电流的采样频率为开关频率，因此只有小于1/2开关频率的信号才能被还原，也就是说，He(s)在1/2开关频率内才有效。由于He(s)在1/2开关频率内的增益和相移都比较小，在控制电压到输出电压的传递函数中可以省略，即 321/1)/1)(/1 ()()()()(zszszsRKKsHRsGsGsGsidvdesidvdvc反激电源功率级的传递函数控制电压到输出电压的传递函数的波特图(示意

4、图) 反激电源反馈补偿环节的传递函数TL431反馈电路 反激电源反馈补偿环节的传递函数 54RVRVVVIFZFF4)()()(RsvsvsiZF)1)(1)(1/)1()()(21213211131213CCCCsRCCsRCsRsvRsCsCRsvsvZ12CC )1 (1)()(231113CsRCsRCsRsvsvZ)1 (1)1 (11)()(23141134231113CsRCRsRCsRRCsRCsRCsRsvsiF反激电源反馈补偿环节的传递函数 设光耦的电流传输比为k Ic为PWM芯片内部电流源电流。电压反馈的传递函数H(s) )()(6sikRsvFfb)1 (13)()()

5、(23141136CsRCRsRCsRkRsvsvsGcc6)(RIkIVVcfREFfb6)()(kRsisvFfb)(31)(svsvfbc211)(RRRsH反激电源反馈补偿环节的传递函数整个反馈补偿环节的传递函数 )1 (1)( 3)1 (1)( 3)()(23131421623141132116CsRsCsRCRRRkRCsRCRsRCsRRRRkRsHsGc反激电源反馈环路设计实例反馈补偿环节传递函数的波特图(示意图) 负反馈环路稳定的条件要使负反馈环路稳定，则系统的开环传递函数的波特图需满足下列三个条件： 1）穿越频率点（增益为0dB）的相位裕量大于45度； 2）幅频曲线以-20

6、dB/decade经过穿越频率点； 3）相移为-180度时的增益裕量小于-10dB。 反激电源反馈环路设计反激电源工作在电流连续模式时，功率级传递函数存在一个右边平面的零点，为了减少该零点的影响，穿越频率fc一般设置在低于1/3的右半平面零点频率，并且为了保证幅频曲线以-20dB/decade经过穿越频率点，穿越频率fc 要小于左半平面零点频率；将补偿环节的零点设置在fc/3附近；将补偿环节的极点设置在3fc以上； 反激电源反馈环路设计补偿示意图 反激电源反馈环路设计实例参数变量名数值输入电压Vg250V主反馈输出电压V5V总输出功率Po45W变压器原边电感L3.7mH变压器原边匝数Np130

7、变压器主反馈副边匝数Ns4主反馈输出电容C2000uF主反馈输出电容ESRRc30m电流检测电阻Rs1开关频率fs40kHzPWM芯片UC3844反馈光耦PS2501反激电源反馈环路设计实例控制电压到输出电压的传递函数负载电阻折算到主反馈556. 045522oPVR87.222DnVKgvd16666.7)/(11CRzC42. 06 . 06 . 0nVVVDg031. 01304psNNn12. 3)1 (32RDDnVKgid127813RCDz126173222DLnRDz1278/1)126173/1)(7 .16666/1 (36. 7/1)/1)(/1 ()()()()(321

8、ssszszszsRKKsHRsGsGsGsidvdesidvdvc反激电源反馈环路设计实例控制电压到输出电压的传递函数的波特图 反激电源反馈环路设计实例反馈补偿环路相关参数的确定 TL431的参考电压为2.5V，因此对于电压反馈环路，要求 因此有 为了避免TL431参考输入端的电流影响R1、R2的分压比，通常要求流过R2的电流达到1mA，这里取R1=R2=2k。 5 . 2211RRRV5V21RR 反激电源反馈环路设计实例反馈补偿环路相关参数的确定 TL431的最小工作电流为1mA，则流过光耦原边的最小电流由R5决定，光耦原边最小电流限制了光耦副边最小电流，也就限制了UC3844 1脚CO

9、MP端的最高电压Vc。取R5=2k ，则光耦原边的最小电流为 光耦传输比k=3，Vfb最高电压为 VREF为UC3844 8脚输出参考电压，Ic为1脚输出电流，典型值为1mA。取R6=1k ，Vfb最高电压为4.8V。 mARVIFF4 . 022 . 1115min6min)(RIIkVVcFREFfb反激电源反馈环路设计实例反馈补偿环路相关参数的确定 为了保证系统动态性能，要求光耦副边电压的变化范围比较宽，这就要求光耦副边最大电流与原边最大电流之比小于传输比k。光耦副边最大电流为 则要求光耦原边最大电流大于6/k=6/3=2mA，即 mARVREF616002. 020002 . 15 .

10、 22 . 155454minRRVRUVFakF5004R反激电源反馈环路设计实例反馈补偿环路相关参数的确定 R4的选择还要考虑光耦原边和TL431的电流承受能力，光耦PS2501原边最大电流为80mA，TL431阳极电流最大为100mA，考虑热的因素，将光耦原边电流控制在10mA之内，因此要求 取R4=330 01. 0554minRVRUVFakF1234R反激电源反馈环路设计实例反馈补偿环路的传递函数 )1 (11058. 7)1 (1330200035 . 010003)1 (1)( 3)()(2311342311323141132116CsRsCCsRCsRsCCsRCsRCRsR

11、CsRRRRkRsHsGc反激电源反馈环路设计实例传递函数Gvc(s)的直流增益确定穿越频率fc传递函数Gvc(s)的左边平面零点频率传递函数Gvc(s)的右边平面零点频率选择穿越频率为fc=2kHz。 dBGvcdc3 .1736. 7lg20kHzzfvcz02222kHzzfvcz2654211反激电源反馈环路设计实例确定在穿越频率fc处使Gvc(s)增益提升到0dB所需增加的增益Gvc(s)的极点频率fvcpfcfvcz1， fc处使Gvc(s)增益提升到0dB所需增加的增益确定反馈补偿环节的零点和极点频率 dBffGvcpcadd55. 23 .17lg20Hzffccz7 .666334. 11020addGaddAkHzffccp63Hzzfvcp5 .20323反激电源反馈环路设计实例确定反馈补偿环节的C1、C2、R3反馈补偿环节在fc处的增益取R3=2k 。 1321CRfczaddcfcARA341058. 7kARadd77. 11058. 743nFfRCcz4 .11921312321CRfcpnFfRC