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探索开关电源中功率级传递函数的关键因素与设计技巧

返回列表来源:壹芯微 发布日期 2024-07-15 浏览:-

开关电源的输出是直流输入电压、占空比和负载的函数。在设计过程中,反馈系统的目标是保持输出电压在一定范围内,无论输入电压、占空比或负载如何变化,并确保具有优异的动态响应性能。

电流模式开关电源可以工作在连续电流模式(CCM)和不连续电流模式(DCM)。在连续模式下,右半平面零点会导致负载增加时输出电压下降,经过几个周期调整后恢复稳定,这可能引发系统的不稳定性。因此,在设计反馈环时,避免接近右半平面零点频率至关重要。

在反激式开关电源处于连续电流模式下,尤其是在最低输入电压和最大负载条件下,右半平面零点频率最低。输入电压提升或负载减轻时,系统可能由连续模式转为不连续模式,右半平面零点随之消失,从而增强系统稳定性。在设计时,低输入电压和高负载下的反馈环补偿应保证传递函数有足够的相位裕量和增益裕量,确保开关电源在任何模式下均可稳定工作。

在变频器应用中,典型的反激式开关电源电路包括AC输入整流器、反激式功率级(由PWM控制器、MOSFET、变压器及整流二极管组成)、RCD缓冲电路和反馈网络。其中,PWM控制芯片选用UC2844,这是一种电流模式控制器,内置有可调振荡器(精确控制占空比)、温度补偿的参考电压、高增益误差放大器和电流采样比较器。

设计参数包括:三相380V工业电源通过整流器提供直流输入电压Udc,基于最小输入电压Udcmin250V设计;工作频率为60kHz,输出功率为60W。在最低输入电压、最高负载和最大占空比的条件下,开关电源应设计为连续电流模式,纹波系数为0.4。相关参数设置为:变压器原边电感4.2mH,原边匝数138;5V反馈输出端,输出电压U5V为5V,负载R5为5Ω,匝数为4,滤波电容采用两个2200μF/16V并联,其等效串联电阻Resr为34mΩ;24V输出负载为24Ω,匝数为17;15V输出负载为15Ω,匝数为11。

电流模式控制器的控制框图包括两个反馈环:一个外部电压环和一个内部电流环。电流环输入是控制电压与电感电流采样值的差值,输出是占空比D。当电感电流采样值小于控制电压时,PWM调制器输出高电平,功率开关导通;反之,输出低电平,功率开关断开。电流环通过固定频率的RS触发器实现自动重置,以此精确控制电感的峰值电流。

通过深入分析和建模,可以得到功率级电路的传递函数Gvd(s)和电感电流的传递函数Gid(s)。这些函数通常具有双极点,但当电流环增益足够大时,双极点可以抵消,从而得到具有单极点的近似传递函数。这些传递函数对于理解和设计稳定、高效的开关电源至关重要。

最后,单端反激式开关电源不仅在成本效益方面具有优势,而且能够在多种应用中提供稳定、高效的电源解决方案,如通信设备、工业自动化设备、家用电器、LED照明和汽车电子等领域。随着技术的发展,这些电源的性能和可靠性将进一步提升。

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