开关电源中的几个难点问题

张兴柱

博士

（2008年10月完成）

世纪电源网www.21dianyuan.com

开关电源中的几个难点问题

1

问题清单

01：开关电源的带宽是不是越高越好? 02：为什么PFC的带宽要控制在10~20Hz?

03：用UC3842~45控制的开关电源,其限流点为什么会随输入电压变化? 04：开关电源的带容性负载能力是不是越大越好 ?

05：在峰值电流控制中,当占空比大于0.5时,为什么要加斜波补偿电路? 06：两个完全稳定的开关电源,组成系统时,为什么会产生振荡? 07： MOSFET并联时为什么经常出现炸机现象 ? 08：开关电源中的拍频现象是怎么产生的 ?如何克服?

09：为什么开关电源中的干扰会对电源会产生致命的影响 ?

10： 为什么开关电源中的电性能,热性能和EMI性能是互相关联的? 11： 为什么高频功率变压器对电源的性能有非常大的影响 ?

12： MOSFET的最大占空比应如何设计,才能获得最佳的电源性能? 13： 如何才能保证大占空比下的隔离驱动电路绝对可靠 ? 14： 大占空比下电流取样电路的去磁如何实现 ?

15： 同步整流驱动对开关电源的效率是怎么影响的 ? 16： ………………….….

2

,本次只给大家介绍清单中的前面六个问题它们可归结为开关电源动态方面的难点问题

3

因报告时间所限

4

问题一：开关电源的带宽是不是越高越好 ?

：两种常见控制的开关电源框图

(1)：峰值电流型控制

ig(t)

vg(t)

io(t )

T L

S

vo(t)

N D

p Ns C Rf1

V ref 1

vs

Z2

Z1

d ( t )

vf (t)

vc1(t)

Rf2

V ref

OC1

1 / 3

vc (t )

5

1)

(2)：电压型控制

ig(t)

vg(t)

io(t )

T

L

S

vo(t)

N p

Ns

D

C Rf1

V ref 1

v s

Z2

Z1

d ( t )

vf (t)

vc1(t )

Rf2

V ref

OC1

Se

1 / 3

Vm / Tvc (t )

s

6

：开关电源带宽的定义

(1)：开关电源的小信号传递函数方块图

i?g

i?o

v?g

v?o?? G??vc?? v?c?? G??vg?? v?g??? Z??out?? i?o v?o

i?g?? G?ic(g )??v?c?? G?ig( g)?? v?g?? G?ii(g )??i?o

去耦条件：

v?H

c

H v? o

v?ref??0

R

f 1?? Rf 2 // Z 1??? Z??out

Kv?c1 DHoc

G

c ( s )

?? H v? o

Rf 1 // Rf 2??? Z 1

7

2)

(2)：开关电源的小信号闭环环增益

T (s)?? H?? Hoc?? KD?? G?vc(s)?? Gc(s)

(3)：开关电源闭环小信号等效电路

i?g

G

?o

ii ( g )??? c?? i?o

Z

i out ?? c

v?g

v?o

G

vg ? v?g

Z in??? c

其中：Zin??? c???1

G电源模快的闭环小信号输入阻抗ig ( g )??? c

Zout??? c 电源模块的闭环小信号输出阻抗 Gvg??? c 电源模块的闭环小信号电压音频隔离度 Gii( g )??? c 电源模块的闭环小信号电流音频隔离度

8

(4)：开关电源闭环小信号等效电路中的动态参数 Gvg??? c???G?vg 1? T Z???Z??out out??? c1? T G g )??? c?? G?ig ( g )????T G?vg ig (1?? T G?vc G?ic ( g ) G ( g )??? c?? G?ii( g )???T Z out ii??1? T G?vc G?ii( g ) 开关电源闭环小信号等效电路中的动态参数是否有解(或开关电源是否稳定)与其闭环环增益T (s)有关. 开关电源闭环小信号等效电路中的动态参数是否满足开关电源的动态规 格与其闭环环增益T (s)有关. 9

(5)：开关电源的稳定性判椐及开关电源的带宽概念 -- 用环增益的Bode图，可判断开关电源的稳定性。 -- 环增益的带宽：其幅频特性 20 log T ( j? ) 与零dB相交处的频率；fc -- 环增益的相位裕量：

?m?? 180?????T ( j? c) 其中：?? c?? 2??fc -- 环增益的增益裕量：环增益相位为???180? 处的环增益幅度的分贝 绝对值。

稳定性条件：??m?? 30? ~ 45? ，增益裕量?? 6 分贝。 上述条件须在所有稳态工作点上及全部环境温度下均满足，系统才 是稳定的。

开关电源的带宽就是其闭环环增益的带宽。 10

3)：开关电源带宽的高低对开关电源的影响

(1)：从开关电源的稳定性看,带宽越低,电源越容易稳定： --- 对PCB布板要求降低；

--- 补偿电路的抗高频干扰能力增强；

--- 相位裕量增加；

(2)：从开关电源的动态指标看 ,带宽越高,电源的动态性能越好；

--- 可提高对输入低频纹波的抑制能力； --- 可提高对输出负载电流变化的抑制能力；

(3)：在满足同样动态指标时,带宽高的开关电源,会有更高的功率

密度和更低的成本：

--- 带宽越高,其低频处的闭环音频隔离度就越小,输出端的低频率纹

波就越小,在输出纹波一样时,输入端的滤波电容就越小；同样的 道理在负载跳变所引起的输出电压变化一样时,输出端的滤波电 容就越小；

(4)：提升开关电源的带宽,对开关电源的性价比非常有利,但受许

多因素牵制:

--- 开发人员的水平； --- 合理的总体方案；

--- PCB布板要求的提高等等．

11

：开关电源的带宽是不是越高越好？

答案：是

因为只有不断提高开关电源的带宽，才能保证你的开关电源产品更有竞争力，才能更好地满足客户的要求．

４)

12

PFC的带宽要控制在10~20Hz?

问题二：为什么13

：传统PFC的实现框图

Vo

Vin

R

PWM及驱动

电压取样

电流环

三角波

输入电压 B

波形取样 AB A

电压环

输入前馈

C

C

基准

UC 3854控制简图

通过一个乘法器和电压环实现输出的稳压，正弦的电流环基准，及输入的前馈；用快速的电流环实现输入电流的正弦和单位功率因数。

1)

14

2)：实现与输入电压同相且失真很小的输入正弦电流之要求 (1)：电流环的基准必须与输入电压同相且失真很小： (2)：电流环的速度足够快或者该环环增益的带宽足够高。 3)：为什么PFC的带宽要控制在10~20Hz? (1)：因为电流环的基准为： iref???AB C 其中： A?? kg 2vg（rms ) sin?? Lt 为输入电压波形的取样信号： C?? kgrmsv 2 g（rms ) 为输入电压有效值的取样信号： 当输入电压波形无失真时，基准电流的波形在B为净直流时，为理想的 正弦。而现在的B是电压环的输出，它有一个直流分量和一个两倍网频 分量。两倍网频分量产生的原因见下面的分析： B?? vc?? Vc?? vcm sin 2? Lt

15

会产生振荡?

,组成系统时,为什么40

问题六：两个完全稳定的开关电源

1)：两个开关电源级联组成的系统作为例子

i? g

G

ii ( g )??? c1?? i?b1

Z

out ?? c1

i?b

Gii ( g )??? c 2?? i?o

v?g

v?b

Zout??? c 2

Gv?o

vg??? c1?? v?g

Gi?o

vg??? c 2?? v?b Z in??? c1

#1

Z

in??? c2

#2

从上面的小信号等效电路，可得该级联系统的小信号方程：

v?o???Gvg??? c1Gvg??? c 2

1?? Z Zv?g????Zout???

c 2?? Gvg??? c 2Gii ( g )??? c 2Zout??? c1 ? o out??? c1in??? c 2 1?? Zout??? c1 Zin??? c 2

新系统的环增益为：

Ts(s)?? Zout??? c1

Zin??? c 2

由于开关电源的闭环输入阻抗在低频段为负值，所以当两个开关电源的动态小信号 不匹配时，上述小信号方程会有右半平面的极点，即其组成的系统会出现振荡：

41

2)：上述分析表明 两个完全稳定的开关电源,组成系统时,也可能产生振荡?同样的方法可 用来分析其它的开关电源系统产生稳定性问题的原因。 3)：两个开关电源级联组成的系统稳定的条件： Zout??? c1 Zin??? c 2 ? 1 4)：当满足：Zout??? c1 Zin??c2 ?? 1 对两个开关电源级联组成的系统的动态影响最小。 42

如有问题请课后再交流，谢谢！

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43

：峰值电流型控制的调制器方程

(1)：无外部补偿斜波（占空比小于 0.5）：

Vc

R i?? iL ( peak )

v c

Fm

d R i?? iL

s

n

sf

0

dTs

t

Ri x iT s

L

(2)：限流时调制器的稳态方程：

Ri??[IL(t)?????iL(t)

2

]?? vc max

21

1)

：正激变换器的限流点

因为限流时：

Vg

D 1

i(t)?? I I oc

oc?? V o

L(1?? D)T I Vo L

而：D??

NV2L s

o

N

p

Ns

D2 C

R

?Vg

所以：

d

S

I

Rs

oc???Vo

R(1?? D) s???2L Ts

N

? vc max

Fm

所以限流点：

Rs x IL/N

Vcmax

Ioc???Nv

c max ???Vo

Rs

2L (1?? D)Ts

从方程可知，限流点与输入电压有关。

22

2)

：反激变换器的限流点

因为限流时：

Im(t)????????????Ioc

NV

o

Vg

D

Ioc

N (1???(1??? D) Vo

D) 2Lm Ts

Lm

而：D??

1

INp

Ns

C

R

m

1??? Vg NVo 所以：

d

S

R

s??[ Ioc

??NVRs

o (1 N (1?? D) 2L??? D)Ts]?? vc max

m Fm

所以限流点：

Rs x Im

Vcmax

I

oc?? N (1?? D)[ vc max ???NVo (1

Rs 2Lm ?? D)Ts] 从方程可知，限流点与输入电压有关。

23

3)

4)：可见用UC3842~45控制的开关电源,其限流点会随输入电

压变化，在有外部斜波补偿时，用同样的分析，也有同 样的结果。

5)：采用UC3842~45控制的开关电源,其限流点的调试通常比较费时，往往要加一个输入电压前馈来尽量减小限流点 与输入电压的影响。大家要先进行分析，再设计参数， 然后再去调试，这样可以减少很多时间。 6)：下面是对反激变换器的限流点分析．

24

Vcc??? p

Rs?? is

Gate v g

R3

Vref vo

i 3

R4

i 4

vc

1

Comp 7 Vref 8 R5 R6

cRVcfb UC3844 f1

2 C2 OC1

Rt 4

V OUT 6 RT/CT

C.S 3

C1

R2 vc1

Vref

C t

R1

N 5 GDTL431

R f2

过流保护直接采用UC3844的峰值限流功能来实现，当超过限流点时，比较器会限制占空 比，从而减小输出电压，当负载继续增加时，输出电压会变得更低，因辅助电源Vcc-p是 从变压器的辅助绕组中获得的，所以辅助电源的电压也会变低，在过流点后的某一负载范 围内，如辅助电源仍在IC的关断电压之上，则开关电源仍将工作，但按恒峰值电流方式工 作，当负载再继续增加后，辅助电源的电压就不足以维持IC的工作，而会将IC关断。IC的 关断导致DC/DC的关断，负载电流下降，但由于IC的电源电压有一个很大的回差，所以要 在一定时间后，才能重新启动开关电源，如过载故障还在，则会再一次关断开关电源，形 成一种间隙的保护方式，如过载故障已经消失，则将重新开启电源。但因峰值电流限流方 式与输入电压的大小很有关系，输入低限的限流点比输入高限的限流点要低，为保证限流 点的尽可能一致，图中在电流采样中加了一个输入电压的前馈。

25

3)：为了避免子谐波振荡，必须保证 Qp?? 0 ，所以在占空比 大于0.5时，要加一个外部斜波补偿。 Q p???1 ?? (m? 0 cD???? 0.5) mcD???? 0.5?? 0 m0.5 S e c??? 1??? D 1???0.5 Sn ??S 1?? D e Sn ??0.5 1?? D ??1???D??? 0.5 1??? D Se???D??? 0.5 1?? D Sn 在Buck变换器中，有： S V n??g???So f???V L Ri 所以有： L Vo Ri S e???D??? 0. 5 1?? D 1?? D Sn???D Sf 如最大占空比为0.7时，所需要的外部补偿谐波： S e???1?? D D S3 f?? S7 f 35

4)：所有功率变换器在CCM下的峰值电流型控制中，其 等效功率级的小信号传递函数中，都有下面的一项 1 (1?? s Qp ? n?? s 2?? n 2 ) Q p???1 ?? (m? n?????? cD???? 0.5) Ts mc?? 1?? Se Sn 所以：在峰值电流控制中,当占空比大于0.5时,都存在子谐波振 荡，只有加一个合适的斜波补偿电路才能克服该子谐波振荡。5)：后面给出几种外部斜波补偿的接入电路 36

1)：外部斜波接入电路#1的原理图

Vcc??? p

R3

Vref

Gate

R s?? is

vo

Rf1

R1

2 4

V cc

R4

OC1 R2

R5

Vref 7 1

Comp

Vfb UC3844 RT/CT

GND C2 C1

Rt Ct

8 Vref 6 OUT 3

C.S

vct

ve

T s

Vcm

t

R6 C3

Rf2

TL431

5 Vem

t

Re

Ce

在Pin 3脚接入的斜波是一个交流分量，如右图。

R 6

V em???V cm

R 6?? R e R 6 V cm

S e???R 6?? R e T s

37

2)：外部斜波接入电路#2的原理图

Vcc??? p

R3

Vref

Gate

R s?? is

vo

R5

Rf1

5 GND

R4 C2 Comp

V cc 7

C1

R2

OC1

Rt Vref

Ct

1 2 4

Vref 8 6 3 Vfb UC3844 RT/CT

OUT

vct

ve

T s

Vcm

R6

C.S

t

Vref

Qe Vem

R1

C3

t

Rf2

TL431

Re2

Re1

在Pin 3脚接入的斜波是一个直流分量，如右图。

R 6

V em???(V cm??? 0 .7 )

R 6?? R e 2 R 6 V cm??? 0 . 7 S e???R 6?? R e 2 T s

38

3)：外部斜波接入电路#3的原理图

Vcc??? p

R3

Vref

Gate

R s?? is

vo

R5

Gate

Comp

Rf1

R1

Rf2

TL431

Gate

De

Re1

Ce 在Pin 3脚接入的斜波是一个直流分量，如右图红线波形。

R 6 V cc??? p

V em???T s

R 6?? R e 2 R e 1C e R 6 V cc??? p

S e???R 6?? R e 2 R e 1C e

5 ND G

V cc 7

R4 C2 C1

R2

OC1

Rt Vref

Ct

1 2 4

Vref 8 6 3 Vfb UC3844 RT/CT

OUT

R6

DT

s

ve

T s

C.S

t

Vem

C3

t

Re2

39

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