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怎么转化开关电源体系电压形式与电流形式?

如何转换开关电源系统电压模式与电流模式?-通常在讨论这两种工作模式的时候,所指的是理想的电压模式和电流模式。然而,在实际的应用中,电流模式的开关电源系统,当输出负载变化时,或者在一些工作条件,为了系统

一般在评论这两种作业形式的时分,所指的是抱负的电压形式和电流形式。可是,在实践的运用中,电流形式的开关电源体系,当输出负载改动时,或许在一些作业条件,为了体系的安稳,添加一些补偿的信号,此刻,体系会在电流形式中引进部分的电压形式特性,或许彻底进入电压形式。

1.1 轻载时电流形式趋向于电压形式

电源体系进入轻载或空载时,变换器一般作业在突发形式和跳脉冲形式。关于跳脉冲形式,变换器进入非接连电流形式,高端的开关管的注册时刻为操控器所设定的最小导通时刻,一起在有一些开关周期,高端的开关管不导通,也便是屏蔽,或跳去一些开关脉冲,以保持输出电压的调理。

注意到:在轻载或空载时,电流信号很小,体系也很难检测到电流信号,另一方面,因为高端的开关管的注册时刻固定为最小导通时刻,已不受电流检测信号的调理,电流反应事实上现已不起效果,也就不参加到反应环节。体系此刻作业于规范的电压形式。

关于突发形式,输出电压彻底由滞洄比较器操控,滞洄比较器操控通过检测输出电压的改动,将输出电压设定在答应的上限和下限的规模内,体系此刻也是作业于规范的电压形式。

1.2 运用大的电感值趋向于电压形式

输出电感的挑选及规划是根据输出DC电压的稳态和瞬态的要求。较大的电感值可减小输出纹波电流和纹波电压,减小磁芯的损耗,但在负载瞬变过程中改动电感电流的时刻会加长,一起增大电感的本钱和体积。较小的电感值能够得到较低的直流铜损,可是沟通磁芯损耗和沟通绕线电阻损耗会变大。


图1:不同电感电流

一起运用大的电感时,电感电流的斜率减小,在抱负的状况下,若电感值为无穷大,那么在整个开关周期,电感电流为直流值,电流检测信号就不在起效果,也便是规范的电压形式。因而运用的电感值越大,作业于电流形式的操控就越挨近于电压形式,在负载瞬变过程中,体系动特性越差。因而关于电流形式,折衷的办法是挑选电感纹波电流峰峰值在输出负载电流额定值的20%到40%之间。

1.3 斜坡补偿的电流形式趋向于为电压形式

理论上,当占空比大于50%时,电流形式就要加斜坡补偿,体系才干安稳的作业。不然,就会发生次谐波振动。在实践的运用中,占空比大于40%时,就要加斜坡补偿。占空比大于50%时,斜坡补偿,因为电感充沛激磁,而去磁缺乏,因而输出的电压将比预设定的值高,并将持续升高,直到较慢的电压操控回路调整电流设定点停止,然后输出电压又下降至低于期望值,构成次谐波振动。

次谐波振动典型的特性便是在一个开关周期,脉冲宽度较宽,鄙人一个开关周期,脉冲宽度变窄,在每三个开关周期,脉冲宽度又变宽,如此重复。此刻能够看到输出电压不安稳,有时还能够听到音频的噪声。

图2中,红线斜坡补偿,实线三角形波为加斜坡补偿的电感的电流波形,虚线为没加斜坡补偿的电感的电流波形。假如用下降沿的锯齿波电压,则其加在电压差错扩大器的输出上,用以操控电流检测信号;假如用上升沿的锯齿波电压,则其加在电流检测信号上,然后与电压差错扩大器的输出进行比较。

注意到,内部的斜坡补偿将使总的电流斜坡减小,即斜坡补偿使真实的电感电流的斜率下降,能够去除不同占空比对均匀电感电流巨细的扰动效果,使得所操控的峰值电感电流最终收敛于均匀电感电流,因而组成波形信号要有斜坡补偿信号与实践电感电流信号两部分组成构成,然后促进变换器从电流形式向电压形式转化。

所加的斜坡补偿越大,变换器越挨近电压形式,当外加补偿斜坡信号的斜率添加到必定程度,峰值电流形式操控就会转化为电压形式操控。因为若将斜坡补偿信号彻底用振动电路的三角波替代,就成为电压形式操控,只不过此刻的电流信号能够认为是一种电流前馈信号。

图2:斜坡补偿

斜坡补偿也下降了电流环路的增益,下降的体系内部设定的限流点,使体系实践所加的负载电流值下降。

当处于空载状况,输出电流为零并且斜坡补偿信号幅值比较大的话,峰值电流形式操控就实践上就彻底变为电压形式操控。

一般在评论这两种作业形式的时分,所指的是抱负的电压形式和电流形式。可是,在实践的运用中,电压形式的开关电源体系,即体系反应环中没有引进电流取样信号,但也会选用其它的办法引进必定程度的电流反应,电压形式向电流形式改变,然后进步体系动态响。

2.1 电压形式中输出电容ESR取样构成的均匀电流形式

抱负的电压形式在必定的反应网络参数下,很难在整个电压输入规模和输出负载改动规模内都能安稳的作业。输出负载改动能够通过加大输出电容一起运用ESR值大的电容来优化其动特性,虽然这样做导致体系的本钱和体积添加,一起增大输出的电压纹波。

一般,从直观上了解,输出电容ESR和输出电容构成一个零点,关于电流形式,这个零点不是必需的,因为电流形式是单阶的体系,并且这个零点导致高频的增益添加,体系简单遭到高频噪声的搅扰。所以电流形式或许运用ESR极低的陶瓷电容,使ESR零点提升到更高的频率,就不会对反应体系发生效果,或许再参加一个极点以抵消零点在高频段的效果,参加极点的办法便是在ITH(Vc)管脚并一个对地的电容

图3:输出电容ESR

电压形式是LC构成的二阶体系,这个零点的引进能够必定的程度上抵消LC双极点的一个极点,使其向单阶体系转化。ESR越大,效果越显着。因而电压形式输出电压一般运用ESR大的电容

另一方面,注意到,输出电压为:

Vo=Vco+ESR*DIL

DIL=a*Io

Vco为输出电容的容抗上的电压,DIL为电感的纹波电流,a为电流纹波系数,一般取0.2-0.4。

输出电压的小信号值为:

DVo=VDco+D(ESR*a*Io)

若ESR小,式中后边的一项根本能够疏忽;可是,因为电压形式一般运用ESR值较大的输出电容,这样ESR就不能够疏忽,因为ESR的效果,相当于在输入电压的反应信号中引进了必定程度的电流形式,电流形式反应量为:D(ESR*a*Io)。

输出电容的ESR将采样的电流信号送到电压差错扩大器的输入端,和输出电压信号加在一起,通过电压差错扩大器扩大,再送到PWM比较器,其作业的原理相当于均匀电流反应。在电压形式中,运用ESR大的输出%&&&&&%,相当于引进必定程度的均匀电流形式,然后添加体系对输出负载改动的动态呼应,进步体系的安稳性。

2.2 电压形式中输入电压前馈引进电流形式

关于输入电压的改动,现在一般选用输入电压前馈技能,来进步体系对输入电压改动的呼应。电压形式中,内部时钟信号发生锯齿波的斜率固定为k,图2中的虚线所示。在没有电压前馈时,发生的占空比为D*Ts,则有以下公式:

Vc=k*D*Ts

输入电压前馈便是在内部锯齿波上参加随输入电压改动的斜坡,或许从Vc信号减去此斜坡。若选用输入电压前馈加在内部锯齿波上的办法,若外加的前馈电压斜坡的斜率为ks,内部锯齿波和外加斜坡之和为:k+ks。

前馈前压的斜率随输入电压添加而增大,ks正比于Vin,即:ks正比于kVin*Vin,所以此刻的占空比为:

D1=Vc/(k+ks)*Ts=Vc/(k+kVin*Vin)*Ts

占空比随输入电压的添加马上而削减,图2中的实线所示,体系提早对输入电压改动做出相应的呼应。

图4:电压形式参加输入电压前前馈

若不考虑功率,由功率平衡能够得到:Vin*Iin=Vo*Io,所以有:

ks=kVin*Vo*Io/Iin

从上式能够看到,所加的输入电压前馈信号也便是输入的电流信号。事实上能够这样了解:输入电压前馈技能也便是在抱负的电压形式中,叠加必定的电流反应,以构成必定的电流反应,然后添加体系对输入电压改动的呼应。

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