反激式DC-DC 變換器中補償環路設計

2021-11-08 10:15:54吳奇松呂士銀

科技創新與應用 2021年30期

吳奇松，楊華，呂士銀，解冀

（上海空間電源研究所，上海 200000）

反激電路簡單，成本低，可靠性高，可以多路輸出，體積小，重量輕，兼具輸入輸出電氣隔離效果，在輸出功率50W 以下的小功率場合，大多采用該拓撲實現。但是其存在右半平面零點，對系統的穩定性有一定的影響。峰值電流控制通過對電壓控制進行改良，因此和電壓模式相比具有以下特點：較快的暫態閉環響應，同時當輸入電壓發生變化時輸出負載電壓的瞬態響應也比較快；控制環較為簡單因此設計較為容易；輸入電壓的調整技術可與電壓模式控制的輸入電壓前饋控制相媲美；具有簡單自動的磁通平衡功能；具有瞬時峰值限流功能，即在固有的逐個脈沖限流功能；具有自動均流并聯功能[1]。

UC1825 是一款高性能的兼具電壓及電流型的開關電源集成控制器，主要特點有以下幾個方面：具有電壓或電流控制；最大開關頻率可達1MHz；傳輸延遲時間不超過50ns；最大峰值電流2A 雙推挽輸出，誤差放大器頻帶較寬；其邏輯電路為雙脈沖抑制；對于單個脈沖電流進行限制；電路的欠壓鎖定功能可以滯后[2-3]。

本文結合峰值電流控制原理和UC1825 電氣特性，通過理論分析以及仿真實驗，設計一款開關頻率為50kHz，42V 輸入，10V 輸出的反激式DC-DC 電路，驗證了補償環路的有效性。

1 反激電路小信號模型建立

由圖1 可知，輸出電壓經采樣后得到Uo與基準電壓Vref經過誤差放大器得到控制電壓Ue，并經過PWM 比較器與采樣電阻Rs上的電壓Us進行比較，經過時鐘信號的調整對開關管進行控制。

圖1 反激電源電路示意圖

對整個反激控制器進行環路設計，首先要對整個電路進行小信號建模[4]，整個電路的小信號模型框圖如圖2。

圖2 反激電路小信號模型控制框圖

其中：Gvd（s）為占空比到輸出電壓的傳遞函數；

Gid（s）為占空比到電感電流的傳遞函數；

R（s）為電流采樣電阻；

Fm（s）為調制器傳遞函數；

H（s）為電壓反饋傳遞函數；

Gc（s）為反饋補償環節的傳遞函數。

對小信號模型進行小信號分析，可以得出反激變換器CCM 模式下各個環節的傳遞函數，經計算得出：制電壓到輸出函數的伯德圖如圖3，可以看出此時整個系統并不穩定。

圖3 控制電壓到輸出函數的伯德圖

2 反激電路右半平面零點分析

根據前文求出的Flyback 變換器CCM 模式下的傳遞函數Gvd（s），可以看出系統存在一個右半平面的零點，和傳統的零點不同，此零點會對電路造成的一定影響，我們需要進行具體的分析。

零點是頻域范圍內的傳遞函數等于零時產生的。從伯德圖中可以看到，系統增益在零點產生時會以20dB/dec 開始增加。絕大多數時候我們所遇到為左半平面零點，此時系統的增益以20dB/dec 的斜率增加，同時伴隨著90°的相位超前。右半平面零點（RHPZ）則比較特殊，和左半平面零點不同之處在于，它引起了90°的相位滯后。伯德圖如圖4 所示。系統的增益以20dB/dec 的斜率增加，相位在±10fzero的頻率范圍內滯后了90°。

圖4 右半平面零點特性

當反激變換器在CCM 模式下工作時，流過變壓器的電流無法突變，電流連續。因此提高負載端的電流，占空比D 會在反饋的調節下增大，但流過變壓器的電流是連續的，因此會降低二極管的電流，導致系統輸出能量降低，濾波電容開始放電，在變換過程的初始階段輸出電壓可能會有一定的減小。整個恢復過程需要經過幾個開關周期，因此導致響應速度會變慢。

右半平面零點不僅會出現在反激電路的CCM 模式中，在Boost 和Buck-boost 電路中也會出現，為解決這一問題的影響，使系統的右半平面零點頻率遠高于穿越的頻率是比較常用的方法，使得系統獲得的相位裕量足夠，以此保證穩定性。