高PF反激临界模式开关电源的环路设计.pdf

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1、由于中小功率开关电源的市场前景很好，单端反激式开关电源不仅可以实现低压输出而且可以实现高低压的电器隔离，进而提高了电源的安全性。文中主要对基于L6561的临界模式下高PF反激式开关电源的环路设计进行了论述，其中反馈回路由PC817A和TL431组成，文中对环路的补偿设计电路进行了定性分析和定量计算，通过选择合适的相位裕量保证系统的稳定性，电源通过负反馈环路来控制在不同的负载下得到稳定的电流。1反馈环路概述开关电源的控制方式有两种：电流控制模式和电压控制模式，两种控制模式的传递函数有很大的不同，文中论述的是电流模式中峰值电流模式控制的环路设计。1.1反馈环路稳定的标准环路稳定的标准：只要在增益为

2、1时（即0 dB时），整个系统的相移小于360度，则系统就是稳定的，即环路是稳定的。但是如果系统的总相移和接近360度（其中总相移和为控制环路中各级产生的相移和），则可能产生以下2个问题：1）相移可能因为温度、负载或者分布参数的变化而达到360度，从而使系统产生震荡，造成环路不稳定；2）当相移越接近360度时，电源的阶跃响应（负载的瞬时变化）超调量增加，延长输出达到稳定值的时间。所以环路要留有一定的相位裕量1，工程上一般相位裕量取45度左右。1.2常用的电流型环路补偿方法图1给出了2种常用的电流型控制模式中的环路补偿方法2。图1（a）中补偿网络的传递函数为：g1=1+SC1R1SC1R2，适用

3、于电流型控制和工作于DCM（非连续电流模式）模式下的电源。补偿网络产生的初始极点可以使控制带宽变窄，零点可以使系统在剪切频率处的相位裕量。文中采用的是图1（a）的补偿方案。图1（b）中补偿网络的传递函数为：g2=R3R21+s（C1R1）1+sC1（R1+R3），极点同样可以将控制环路的带宽变窄，而零点则是用来抵消补偿前的极点的，这样不仅可以使环路的增益曲线在较低的频率处达到0 dB，而且提高了穿越频率附近系统的相位。2环路补偿设计2.1反激变换器环路设计的特点在反激拓扑中，由小信号模型的传递函数可知，反激中高 PF 反激临界模式开关电源的环路设计元倩倩（郑州大学 河南 郑州450000）摘要

4、：目前开关电源市场上单端反激式的开关电源占有很大的份额，控制环路的设计是反激电源中关键的步骤之一。主要对基于L6561临界（TM）模式下高功率因数（PF）单端反激式开关电源的控制环路设计进行了论述，文中通过对环路中各级的传递函数进行了定性分析和定量计算，进而给出了环路的补偿电路。通过选择合适的相位裕量来保证系统的稳定性，并通过图解法验证了该环路可以使系统具有较好的稳定性。关键词：反激式电源；功率因数；控制环路；临界模式中图分类号：TN86文献标识码：A文章编号：16746236（2012）12-0120-04Control loop design of flyback switch power

5、 supply with high PF operated in TMYUAN Qian-qian（Zhengzhou University，Zhengzhou 450000，China）Abstract:At present，the single-stage flyback switch power supply has shared a large percentage in todays market，the designof the control loop is one of the key steps in the design of the flyback switch powe

6、r supply，this paper mainly discussed:based on the L6561 control loop design of the single-stage flyback with high PF（power factor）switch power supply operated inthe TM（transition mode），in this paper，provides the transfer function of all levels in the loop and gives them the qualitativeanalysis and q

7、uantitative calculation，finally gives the compensation circuit of the loop.By selecting the right phase to ensurethe stability of the system，and the test chart shows the loop can make the system has a good stability.Key words:flyback switch power supply；PF；control loop；TM收稿日期：2012-04-14稿件编号：20120410

8、7作者简介：元倩倩（1987），女，河南安阳人，硕士研究生。研究方向:开关电源。电子设计工程Electronic Design Engineering第20卷Vol.20第12期No.122012年6月Jun.2012120的连续模式（CCM）为二阶系统3，不连续模式（DCM）和临界模式（TM）为一阶系统4。基于L6561的具有高PF的反激变换器不像一般的变换器，在这样的变换器中，控制环路带宽应当很窄，以保证在给定的半个电网周期内维持Vcomp如同原先假定的为相当良好的常数，这样才能保证高的PF；但窄的控制环路带宽会降低系统对电网和负载的瞬态响应速度，影响电路的负载和线性调整率，于是环路设计时

9、需在两者之间折中。2.2环路设计环路设计时因为误差放大器本身是工作于负反馈状态下，自身就有180度的相移，加上为满足工程设计中的不小于45度的相位裕量，所以功率部分、反馈网络和补偿网络的相移最多为135度。另外一般要求加入补偿网络后系统的环路增益曲线，在剪切频率附近的增益斜率应该为-1（即-20 dB/10倍频率），这样做的目的是因为-1的增益斜率所对应的相频曲线相位延迟较小，且变换相对较慢，可以保证当某些环节的相位发生变化时相频曲线仍然有足够的相位裕量，使得环路保持稳定。图2给出了基于L6561临界模式下高PF反激变换器的控制环路设计电路框图5。图2各个部分的传递函数如下：L6561的内部误

10、差放大器（E/A）补偿如图1（a）所示。于是，传递函数G1（S）是：G1（S）=VCOMPE=1+s（C1R1）sC1R2（1）其中极点的频率为，可以使得在两倍电网频率处增益远小于1，而零点位于开环增益过零附近来提升相位，以保证相位裕度。由于电网变换或负载变化将引起误差放大器的变化，其变化量为Vcomp，在乘法器输出端修正整流正弦波电压的幅值Vcx，因此，乘法器方块的传递函数为：G2=VcxVCOMP=KMKPVinpk（2）其中KM是乘法器的增益（最大值为0.75），Kp=VMULTPKmaxVINPKmax包含电流环的PWM的传递函数可简化为：G3=ILPKVcx=1Rs（3）其中RS是检

11、测电阻。小信号分析指出，反激拓扑中电流控制模式6下的功率级传递函数为：G4（S）=VOILPK=nKVF2（KV）（KV）+1RO21+s（CORC）1+s（CORO（KV）+1）（4）其中函数（x），F2（KV）如下：（x）=1+xF2（x），dF2（x）dx=1+0.01x1+0.8x（5）F2（KV）=10乙sinsin1+KVsind=0.5+1.410-3x1+0.915x（6）反馈网络可以有不同的结构，文中考虑的是使用光耦作为初级与次级电气隔离、TL431作为参考电压和放大器组成的结构。图3为电路采用的反馈网络电路图，增益H（S）可以写为：H（S）=VEVO=1RSR2R4R2+R

12、4CTRRO1+RSRO1（7）其中CTR为光耦传输比。图1常用的电流控制的补偿方法Fig.1Suggested compensation networks for current control图3反馈网络和误差放大器的连接Fig.3Connection between the feedback network and the erroramplifier图2PF调节器的控制环路方框图Fig.2Control loop of a PFC preregulator block diagram元倩倩高PF反激临界模式开关电源的环路设计121电子设计工程2012年第12期电子设计工程2012年第1

13、2期除 误 差 放 大 器，系 统 的 开 环 增 益G（S）为：G（S）=G2G3G4（S）H（S），误差放大器的增益G1（S）和开环增益G（S）在剪切频率处应该满足：F（S）=G1（S）G（S）=1且有45度左右的相位裕量。3环路参数设置和定量计算3.1环路参数设置在设计控制环路时，首先选择光耦的输出晶体管工作电流Ic，一般选择较小的电流值（如1 mA），这样不仅可以延长器件寿命，而且有利于实现在两倍电网频率处保持反馈网络低增益，利于环路的稳定。因为L6561内部的参考电压是2.5 V，所以闭环工作时VE的静态值应在2.5 V附近，则R4的值可由式子计算出来：R4=2.5Ic（8）电阻R5

14、是光耦的限流保护电阻，同时有利于降低环路干扰，使系统不容易产生震荡。R5的计算公式为：R5R4R5CTRmaxVO4010-6-R4（11）与RO1和RO2并联的电容（一般为F范围）起软启动功能，避免建立输出时电压过冲，特别是轻载。3.2定量计算为了保证在半个电网周期内维持Vcomp为恒定值和电路具有较高PF值，要求控制环路的带宽应该不大于100 Hz，所以环路的带宽只能降低，设计时取整个开环电路的穿越频率为50 Hz，相位裕量大于45度。环路的定量计算：采用Venable方法，一个零点相当于一个RC微分器，会引起相位超前，一个极点相当于一个RC积分器，会引起相位滞后。在穿越频率处，G（S）产

15、生的相位偏移量和增益分别为PhaseG（S）50 Hz和GainG（S）50 Hz：Phase G（S）50 Hz=tan-1502CORC-tan-1502CORO1+（KV）（12）Gain G（S）50 Hz=20log（KMKPVinPK）+20log1RS!+20lognKVF2（KV）（KV）+1RO21+502CORC1+50（KV）+1）2CORC#$%&(+20log（1RSR2R4R2+R4CTRRO1+RSRO1）（13）由除误差放大器外系统的开环电路的增益G（S）曲线图可知（如图4），误差放大器的补偿网络应该使F（S）的相位在增益曲线过零时有45度左右的相位裕量。有稳定

16、环路的判断标准可知，误差放大器的补偿网络在穿越频率处的相位偏移量PhaseG1（S）50Hz和增益GainG1（S）50Hz分别需要满足公式（14）和（15）：PhaseG1（S）50 Hz180-45-PhaseG（S）50 Hz（14）GainG1（S）50 Hz=20 log（1+502R1C1502C1R2）=-GainG（S）50 Hz（15）代入数据可知，G（S）在50 Hz处产生的相位滞后为85度，增益为6 dB。因此加入补偿后需满足：补偿网络的增益在50 Hz处的增益为-6 dB，且整个环路的相位裕量大于45度。画出G（S）的频谱曲线图，由G（S）的频谱曲线图可知，我们可以选择

17、图1（a）中的补偿方案，取该零点位于10 Hz处。GainG1（S）50 Hz=20log1+501050FP#$%&(=-6（14）由公式可知：FP为9.5 Hz，即FP=502C1R2=4.2 Hz。补偿网络在50 Hz处产生的相位为：PhaseG1（S）=tan-15010-90=-11。加入补偿网络后，整个系统在50 Hz处产生的相位滞后为96度，即相位裕量为84度。图4、图5分别给出了G（S）和F（S）的增益曲线图和相频曲线图。4结束语文中主要是关于L6561临界模式下反激开关电源中的图4G（S）的增益和相频曲线图Fig.4Gain and phase curve of the G（

18、S）122接收模块一旦检测到这个同步字就进行同步接收数据。等待中断产生，nIRQ引脚变为低电平，接收数据包，同时读取中断标志位复位nIRQ引脚，使nIRQ引脚变为高电平状态以准备下一次中断触发的检测；通过接收到的数据，首先确认地址信息，若匹配则对其进行译码，从码字判断电灯控制状态，再由Si1000内置单片机进行相应处理并输出对应控制信号，从而实现控制功能，否则电路无反应。3结束语文中根据现在存在的问题及设计要求，采用Si1000这一集成芯片，设计了一套无线通信控制系统，具有方便、快捷、低功耗和使用寿命长等优点，并进行了软硬件调试，在有限的条件下，证明了设计的可行性，同时文中仅以日常照明控制为例

19、，但是此系列芯片未来可以在工业生产、门禁系统、智能家居等方面进一步推广应用。参考文献：1 Silicon Labs.Si1000 Wireless MCUs Datasheet EB/OL.（2010-03-21）http:/ Qing-hua，CHEN Long，ZHANG Hai-peng.Design of awireless remote control multiplex switch systemJ.Measure-ment and Control Technology，2003（11）:30-32.3李晓辉，任艳君.四路无线遥控开关系统的设计与实现J.现代电子技术，2007（12

20、）：66-68.LI Xiao-hui，REN Yan-jun.Design and realization of fourchannels switch system on wireless remote controlJ.ModernElectronics Technique，2007（12）:66-68.4包海涛.嵌入式SoC系统开发与工程实例M.北京:北京航空航天大学出版社，2009.5童长飞.C8051f系列单片机开发与C语言编程M.北京:北京航空航天大学出版社，2005.6单海东，卢东贵.基于Si1000无线微控制器的无线射频测温系统的设计J.电气时代，2010（8）:120-12

21、2.SHAN Hai-dong，LU Dong-gui.Radio frequency temperaturemeasurement system design of wireless micro controller basedon Si1000J.Electric Age，2010（8）:120-122.图5F（S）的增益和相频曲线图Fig.5Gain and phase curve of the F（S）环路设计，TL431和PC817A组成的电路不仅实现了电气隔离，而且为采样提供了稳定的参考电压，文中详细讲述了控制环路中各个部分的增益，通过选择合适的环路带宽和相位裕量来保证系统的稳定性

22、并给出了利用图解法求出的环路结果。参考文献：1 Pressman A I.开关电源设计M.2版.北京：电子工业出版社，2005.2 ST Microelectronics.Flyback converters with the L6561 PFCcontrollerEB/QL.2012-04-13.http:/ Vorperian V.Simplified analysis of PWM converters usingmodel of PWM switch part:Continuous conduction modeJ.IEEE Transactions on Aerospace and

23、Electronic Systems，1990，26（3）:490-496.4 VorperianV.SimplifiedanalysisofPWMconvertersusingmodelof PWM switch part:Discontinuous conduction mode J.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1990，26（3）:497-505.5韩林华，史小军.反激电源中基于PC817A和TL431配合的环路动态补偿设计J.电子工程师，2005（11）：29-32.HAN Lin-hua，SHI Xiao

24、-jun.The dynamic loop compensationdesign in the flyback power supply based on the PC817Aand TL431J.Electronic Engineer，2005（11）：29-32.6 Wu T F，Chen Y K.Analysis and design of an isolated single-stage converter achieving power-correction and fast responseJ.IEEE Transistions on Power Electornics，2005，20（4）:1037-1041.7李振森.单级PFC反激式LED驱动电源的设计与研究D.杭州：杭州电子科技大学，2009.8谷永刚，齐卫东，韩彦华.换流变压器充电时开关跳闸的原因分析J.陕西电力，2011（09）:52-54.GU Yong-gang，QI Wei-dong，HAN Yan-hua.Malfunctionanalysis of switch trip during converter transformer chargingJ.Shaanxi Electric Power，2011（09）:52-54.（上接第119页）!元倩倩高PF反激临界模式开关电源的环路设计123