基于脉冲负载的中小功率开关电源研究

3 几种控制方式的比较

3. 1 影响脉冲负载的主要因素

由脉冲负载的基本原理可以得到， 影响电压跌落的因素有输出电容的等效电阻、等效电感和输出电容的容量以及反馈环路的响应速度。负载电流变换越快， 等效电感导致的电压跌落幅度越大。在实际电路中， 输出电容的等效电阻、等效电感可以通过选取合适的电容及合理的版图布局进行改善。从图6 可以看出， 影响电压跌落的幅度归咎到反馈环路的响应速度， 即取决于反馈环路的带宽。

图6 图5中B处的放大波形

在非隔离的电源中， 线性稳压器可以实现很宽的带宽， 通常可大于500 kHz。因此， 线性稳压器能显着减小负载突变时输出电压的跌落幅度， 也可以减少输出滤波电容， 但是， 线性非隔离变换器存在效率低的缺点。在隔离的变化器中， 由于存在反馈环路的延迟， 尤其是采用光耦隔离的电源， 光耦的带宽通常小于10 kHz, 整个电源系统必须降低带宽， 才能实现环路的稳定。带宽的减小导致整个系统具有很大的反馈延迟， 在负载变化时， 加剧了输出电压的跌落幅度。在反馈慢的系统中， 除了增加输出储能电容外， 没有其他更好的办法。

3. 2 非隔离变换器中脉冲负载的研究

相对于隔离变换器， 非隔离变换器由于减少了隔离变压器， 体积更小; 同样， 由于没有光耦等隔离反馈， 容易提升整个反馈环路的带宽， 使之更适合于脉冲负载。在中小功率电源中， 主要是升压和降压结构。

3. 2. 1 升压结构脉冲负载分析

图7 是典型的升压拓扑结构， 由脉宽控制器、开关管Q1、电感L 1、整流二极管D1, 滤波电容C1 和反馈取样电阻R1、R2 组成。

图7 典型升压电路结构

分析升压电路的工作原理， 通过电感的伏秒平衡， 可以得出输出电压和输入电压之间的关系为Vo= Vin / ( 1- D) 。升压结构只适用于输出电压比输入电压高的场合。在电感电流连续模式下， 通过PWM 开关模块分析， 可以得出电压控制连续模式升压电路的小信号传输：

从( 8) 式可以看出， 整个回路存在一个右平面零点。右半平面零点与电路中经常用于提升相位的左半平面零点有着本质的不同： 左半平面零点能够提升相位， 使系统更加稳定; 而右半平面零点则是随着频率的增加， 相位进一步降低， 引起系统的不稳定。

由于存在右半平面零点， 在电流连续模式的升压结构中， 只有降低环路的带宽来避开右半平面零点。

右半平面零点存在的位置sz 2 = 1/ (RES×C) 。根据脉冲负载的原理， 当电源工作在脉冲负载时， 除了要提升带宽外， 还要加大输出电容的容量。加大输出电容的容量， 必然导致右半平面零点的减小， 这样就需要再次减小电路的带宽， 最终导致在动态负载时输出电压跌落更多。升压电路有电压控制和电流控制方式。两种控制方式都不能消除连续模式下的右半平面零点问题， 这就限制了升压结构在脉冲电源中的应用。

3. 2. 2 降压结构脉冲负载分析

图8 是典型的降压电路结构， 整个电路由开关管、整流二极管、电感、滤波电容以及反馈驱动电路组成。

图8 基本的降压电路结构

通过电感的伏秒平衡， 可以得到输入输出之间的传递函数： V o= V in×D(D 为开关的占空比) 。降压电路只能用于输出电压比输入电压低的场合。通过PWM 模型分析，得到电压连续模式降压电路的小信号传输函数：

从( 9)式可以看出， 相对于升压电路， 工作于电感电流模式的降压电路没有右半平面零点。因此， 降压电路控制器就可以在很大范围内提升整个环路的带宽， 减小环路的响应时间， 降低输出电压的跌落幅度。

同样， 降压控制器有电压控制模式、电流控制模式、迟滞控制模式、恒定导通时间模式。迟滞控制模式和恒定导通模式通过对负载电流的取样， 可以在很短的时间内实现环路响应。但是， 恒定导通模式和迟滞控制模式的开关频率是变化的， 造成变化的EMI 干扰， 不利于电磁兼容设计。相对于电压控制模式， 电流控制模式更能够实现环路的补偿， 有利于实现环路的宽带宽。因此， 降压型变换器有利于实现脉冲负载电源。