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开关电源系统稳定性设计分析(上)

来自:万一严选 2026-04-20 09:12:52

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        稳定的反馈环路对开关电源来说是非常重要的,如果没有足够的相位裕度和幅值裕度,电源的动态性能就会很差或者出现输出振荡。下面先介绍了控制环路分析里面必须用到的各种零,极点的幅频和相频特性;然后对常用的反馈调整器TL431的零,极点特性进行分析;TOPSWITCH是市场上广泛应用的反激式电源的智能芯片,它的控制方式是比较复杂的电压型控制,为了方便一般使用者,内部集成了一部分补偿功能,所以很多工程师不清晰它的整个环路,最后运用上面的理论分析一个TOPSWITCH设计的电源,对它的环路的每一个部分进行了解剖,可以使工程师更好地应用TOPSWITCH及解决设计中遇到的环路问题。

        波特图是分析开关电源控制环路的一个有力工具,它可以使复杂的幅频和相频响应的计算变成简单的加减法,特别是使用渐近线近似以后,只需要计算渐近线改变方向点的值。

        增益按-20dB/10倍频程下降, 相位近似按-45°/10倍频程下降。极大相移为-90° 

         增益按20dB/10倍频程上升,相位近似按45°/10倍频程上升,极大总相移为90° 

        右半平面零点是反激和BOOST电路里面特有的现象。增益按20dB/10倍频程上升,相位近似按-45°/10倍频程下降,总相移为-90°,右半平面零点是几乎无法补偿的,做设计时尽量把其频率提升或降低带宽。

        Q值是电路的品质因数,过了谐振点后,增益按-40dB/10倍频程下降, 相位依Q值的不同有不同的变化率,Q值越大,相位变化越剧烈,在谐振点相位是-90°, 极大总相移为-180° 

         Q值是电路的品质因数 ,R2是负载电阻,R1是电感的电阻,电容的ESR, 整流管内阻,和代表磁心损耗和漏感损耗的合成电阻。大部分的AC/DC电源,由于损耗较高,一般Q值很难大于3. 当Q值较低时(Q<<0.5),双极点响应会退化为两个单极点响应,如上图所示。TL431用输出供电时的零,极点特性 TL431是开关电源次级反馈常用的基准和误差放大器件,其供电方式不同对它的传递函数有很大的影响,而以前的分析资料常常忽略这一点。下面分析常见的供电和输出反馈接在一起时的传递函数。 

         从上面的公式可以看到,在输出直接给431供电的情况下,零点的位置在

        即使没有R,只接一个C的情况下,零点还是存在,如果R1远大于R,零点的位置主要有反馈网络的上分压电阻决定。为了抑制输出的开关纹波,有时在后面加一个LC滤波,如下面TOP245Y电源的L2,C8,其谐振频率一般大约为开关频率的 1/10-1/20 左右,这个频率通常远大于反馈回路的带宽,其影响可以忽略.下面我们将用上面的基础知识来分析一个典型的TOPSWITH电源的控制环路,这是一个宽范围输入,12V/2.5A输出的一个反激电源,原理图如下: 

        其开环传递函数为K=(Kmod * Kpwr * Klc *Kfb)*Kea=K1*Kea Kpwr是功率部分,Klc是输出LC滤波部分,Kfb是反馈分压部分,Kea是反馈补偿部分和光耦部分,Kmod是调制器部分,在做补偿设计以前,先计算出除Kea外各自部分的频率特性,然后计算出K1= Kmod * Kpwr * Klc *Kfb的频率特性,根据实际情况确定出需要的设计目标 Kea , 然后通过设计TL431的相应补偿来完成Kea的要求。 结合上面的原理图我们来计算在115VAC输入时各个部分的数值。 已知数值:Vin=135V, Vout=12V, C6,C7 ESR=50mΩ, 负载R=4.8Ω, η=81% 由[2]可知:Np=58T, Ns=6T, Lp=827uH, Vor=120V,Vds=5.2V 

        fz2是右半平面零点的频率,此频率随负载R,电感Ls,和占空比D而变化,在此设计中频率是48k,高压时频率更高,AC/DC反激的带宽通常只有几k,远小于此频率的1/4,不会对控制带宽设计产生影响。 

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