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可实现稳定的开关型转换器的斜率补偿方法分析

Francesc Casanellas?? 2016年06月03日 ?? 收藏1
在开关型电源转换器中,峰值电流控制非常流行,因为它具有限流功能,而且控制方便。然而,当占空比超过50%时,会发生不稳定的问题。

一些背景:电流的上升斜率是dI/dt = VCC / LP,其中的VCC是供电电压,LP是变压器或输出电感的电感值。

下降斜率是dI/dt = VR / LP,其中VR是反射到初级的次级电压= (VO + VF) × NP / NS。因此上升斜率取决于输入电压,而且下降斜率是不变的。占空比D是:tON / T = 1 / (1 + VCC/VR)。

以下例子是关于反激转换器的,但降压或正激转换器有同样的问题。

在图1中,D < 0.5, 即 VCC> VR。黑色波形是电感(电感器或变压器初级)中的理论电流。如果电流上有很小的扰动,如红色波形所示,峰值电流限制会校正这个误差,如图中所示。系统本质上是稳定的。

图1:稳定工作。
图1:稳定工作。

图2:不稳定工作。
图2:不稳定工作。

图2显示了在VCC< VR或D > 0.5时的相同波形。现在电流中的微小扰动(红色)将造成占空比和平均电流发生显著变化。系统绝对是不稳定的。如果我们画出D=0.5时的波形,很容易看到电流误差在随后周期中保持不变。我们处在不稳定的边界。

为了解决这个问题,我们不再将峰值电流与固定值进行比较,而是将峰值电流与斜坡进行比较,如图3所示。从图中我们可以看到有很大的改善:其稳定性现在和占空比小于0.5时一样好。如图4所示,如果参考斜坡与下降的电流斜坡具有相同的斜率,在单个周期内就恢复正常了。

图3:斜坡电流极限。
图3:斜坡电流极限。

图4:斜坡电流限制,与电感性下降电流具有相同的斜率。
图4:斜坡电流限制,与电感性下降电流具有相同的斜率。

然而,太多的斜率补偿会使转换器的运行更像是电压型转换器而非电流型转换器。如果参考斜坡的斜率是电流斜率的一半,我们就处在不稳定的界限。因此参考斜坡的实际斜率应该在电流斜坡的50%至100%之间;75%是一个好的选择。这种增加参考斜坡的方法被称为“斜率补偿”。

增加斜坡对于工作在占空比小于50%的降压、正激或反激转换器来说都是有好处的。如果电感很大,电流纹波很小,那么噪声可能造成错误的关断。增加的斜坡可以使转换器变得稳定,而且很少的量可能就足够了。峰值电流极限的问题是平均电流随着占空比的变化而改变。如果斜率补偿是50%,那么平均电流将不随占空比改变,电流控制环路性能得以改进。但是,当占空比接近100%时,可能会发生次谐波振荡。

正常情况下是不能访问IC控制器的参考电压的。更简单的方法是在输入电流信号中增加一个斜坡:正向斜坡,与负向斜坡一样对参考电压有相同的效果。标准方法是使用PWM控制器中的振荡器斜坡,如图5所示。

图5:典型的斜率补偿。
图5:典型的斜率补偿。

这种系统有两个缺点:

● 并不是所有控制器都有可以访问的振荡器斜坡。

● R1的值必须相当小(R1<< R2, 如R1 = 0.1 × R2),这样不管是否有Q1缓冲电阻,振荡器电路都会被加载,进而影响到频率。

图6所示的设计实例则不会出现这些问题。它不用依靠振荡器电路就能与任何控制器一起工作。

图6:可以与任何控制器一起工作的斜率补偿电路。
图6:可以与任何控制器一起工作的斜率补偿电路。

当输出到栅极的信号是高电平时,斜坡上升,R1给C1充电。当栅极输出变低时,C1通过D1和R3放电。斜率补偿程度由R2设定。

实际例子有助于理解这个电路并计算相关的值。以一个10W 12V的连续模式反激转换器为例,它必须在135VDC到390VDC的输入条件下工作。

初级电感是33mH,Imax = 0.1A,因此对于1V IS阈值来说R5=10Ω。

反射到初级的次级电压VR = (VO + VF) × NP/ NS = (12V + 0.6V) × NP / NS = 200V(匝比为16:1),开关频率= 100 kHz (T = 10μs)。

为了得到一个相当线性的斜坡,最大电压可以选择为1/3 VCC;即,如果VCC = 12V,合理的峰值电压就是4V。然后斜坡幅度就等于4V - 0.6V = 3.4V

计算最大占空比:

Dmax= 1 / (1 + VCC(min) / VR) = 1 / (1+140V/200V) = 0.6

tON(max) = 10μs × 0.6 = 6μs

斜坡的斜率:

(dV/dt)ramp = 3.4V / 6μs = 567×103 V/s

初级电流的下降斜率:

dI/dt = 200V / 33mH = 6×103 A/s

R5中的电压斜率:

(dV/dt)shunt = dI/dt × R5 = 60×103 V/s

计算75%斜率补偿时的R2值:

R2 = R4 × (dV/dt)ramp / ((dV/dt)shunt × 0.75)

= 1kΩ × 567×103 V/s / (60×103 V/s × 0.75) = 12.6kΩ

下一步是得到R1和C1的值,并且R1 << R2。我们必须使用充电电容公式:t = RC ln((VCC – V1)/(VCC –V2)),获得合适的R1和C1值。

在这个例子中,t = 6μs, VCC = 12V, V1 = 0.6V, V2 = 4V,因此结果是RC = 17μs。

放电电阻R3可以尽量小点,同时保持D1峰值电流在其极限之内;R3 × C1 << tOFF。在这个例子中,D1是BAS16,R3 = 47Ω, tOFF = 4μs, R3 × C1 = 1μs。

C2的电抗必须远小于R2;C2=C1是一种方便实用的选择。

《电子技术设计》2016年6月刊版权所有,谢绝转载。


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