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多路输出反激式开关电源的反馈环路设计.pdf

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文档编号：56654817

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1、多路输出反激式开关电源的反馈环路设计引言开关电源的输出是直流输入电压、占空比和负载的函数。在开关电源设计中，反馈系统的设计目标是无论输入电压、占空比和负载如何变化，输出电压总在特定的范围内，并具有良好的动态响应性能。电流模式的开关电源有连续电流模式(CCM)和不连续电流模式(DCM)两种工作模式。连续电流模式由于有右半平面零点的作用，反馈环在负载电流增加时输出电压有下降趋势，经若干周期后最终校正输出电压，可能造成系统不稳定。因此在设计反馈环时要特别注意避开右半平面零点频率。当反激式开关电源工作在连续电流模式时，在最低输入电压和最重负载的工况下右半平面零点的频率最低，并且当输入电压升高时，传递函

2、数的增益变化不明显。当由于输入电压增加或负载减小，开关电源从连续模式进入到不连续模式时，右半平面零点消失从而使得系统稳定。因此，在低输入电压和重输出负载的情况下，设计反馈环路补偿使得整个系统的传递函数留有足够的相位裕量和增益裕量，则开关电源无论在何种模式下都能稳定工作。1 反激式开关电源典型设计图 l 是为变频器设计的反激式开关电源的典型电路，主要包括交流输入整流电路，反激式开关电源功率级电路(有 PWM 控制器、MOS 管、变压器及整流二极管组成)，RCD 缓冲电路和反馈网络。其中 PWM 控制芯片采用 UC2844。UC2844是电流模式控制器，芯片内部具有可微调的振荡器(能进行精确的占空

3、比控制)、温度补偿的参考基准、高增益误差放大器、电流取样比较器。开关电源设计输入参数如下：三相380V工业交流电经过整流作为开关电源的输入电压Udc，按最低直流输入电压Udcmin为 250V进行设计；开关电源工作频率f 为 60kHz，输出功率Po为 60W。文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L

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10、6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9当系统工作在最低输入电压、负载最重、最大占空比的工作情况下，设计开关电源工作在连续电流模式(CCM)，纹波系数为04。设计的开关电源参数如下：变压器的原边电感Lp=42mH，原边匝数 Np=138；5V为反馈输出端，U5V=5V，负载 R5=5，匝数 N5V=4，滤波电容为 2个 2200F16V电容并联，电容的等效串联电阻Resr=34m；24V输出的负载 R24=24，匝数 N24V=17；15V输出的

11、负载R15=15，匝数 N15V=1l；一 1 5V 输出的负载 R-15V=15，匝数 N-15V=11。2 功率级电路的传递函数电流模式控制器控制框图包含两个反馈环，外部电压环反馈电压信息，内部电流环反馈电流信息(如图 2 所示)。电流环的输入是控制电压 UC和电感电流采样值US的差值，电流环的输出是占空比 D。当 US小于 UC时，PWM 调制器(Fm)输出高电平，功率开关开通，当US大于 UC，PWM 调制器输出低电平，功率开关关断。通过具有固定频率时钟信号的RS触发器，下一个周期自动置位。通过这种方式，电感峰值电流被控制电压精确控制。文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10

12、O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W1

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19、(s)为 PWM 调制器的增益函数，He(s)为电流模式控制的开环采样增益，Rs为电流采样电阻，Uref 为基准参考电压。基于文献建立的反激式开关电源的交流小信号数学模型和Vorperian 建立的简化平均 PWM 开关模型以及 Ridley Engirleering建立的电流模式的数学模型，建立反激式开关电源的等效电路模型，进而可以求得各环节的传递函数。从控制到输出的传递函数如下：文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY

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27、为初级电感，RL为负载电阻，C为输出电容，Resr 为输出电容等效串联电阻。由(1)式可以求得图 1 所示开关电源从控制到输出的传递函数：文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10

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33、O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M1

34、0O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9其中对于多路输出的负载RL，是指控制输出端的等效负载。按照文献提供的思路，将其他各路输出都“映射”到5V反馈输出，从而可以得到：右半平面零点频率frz=rz 2=12kHz，电容等效串联电阻ESR 零点频率 fz=z2=22kHz，负载极点频率 fp=p2=125kHz。控制到输出的传递函数伯德图如图3 所示，曲线 1 分别为其幅频和相位图。该图利用Matlab 提供的伯德图分析工具绘制。文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C

35、5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3

36、C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O

37、3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10

38、O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W1

39、0O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W

40、10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3

41、W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R93 反馈补偿网络设计反馈环节由电压采样网络He(s)，误差放大器 Gc(s)和辅助补偿环节 Gx(s)组成，则系统的开环传递函数T(s)=H(s)Gc(s)Gx(s)Gvc(s)。其中电压采样网络H(s)=R1(R

42、1+R2)，误差放大器有 TL43l 和光耦 TLP781构成，辅助补偿环节包括电阻 Rx和电容 Cr。由反馈网络补偿后得到的开环传递函数T(s)判断反馈系统的工作性能，要满足如下三个准则：文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 Z

43、U6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6

44、ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6

45、 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V

46、6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5

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49、C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R91)足够大的开环传递函数增益|T|使得输出 U(s)接近于Uref(s)H(s)，并且与前向传递函数的增益关系不大，具有很好的抗干扰能力。2)为防止一 40dB10 倍频程增益斜率的电路相位快速变化，系统的闭环增益曲线在穿越频率附近的增益斜率应为一20dB10 倍频程。3)在穿越频率处保证足够大的开环传递函数的相位裕度，一般至少 45；在 T(s)的相位为一 180时，保证幅值裕度Gm 一 10dB。基于以上的准则设计了由TL43l 和光耦 TLP781组成的双极点单零点反馈补

50、偿网络，TL431内部的电压基准 Uref 25 V。设计中略过了 U C2844的内部误差放大器，直接把反馈输入信号接在误差放大器的输出端l 脚，利用 TL431构成反馈补偿环节。这种设计可以把反馈信号的传输时间缩短一个放大器的传输时间，使电源的动态响应更快。误差放大器从误差输入信号到控制端的传递函数：文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8 HY3W10O3C5V6 ZU6S5M4L7R9文档编码:CL5M10O4L10B8

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4.3 金币

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