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前言 目前，系統(tǒng)中的開關(guān)電源具有兩種不同的工作模式，當(dāng)電源處于導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)候，可以用不同的模式來描述環(huán)繞在電源扼流圈中的電流[1]。本文以FLYBACK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例，按照其工 作原理，可能工作在兩種不同的模式，但這兩種模式具有相同的功率容量，則對應(yīng)這兩種不同的導(dǎo)通模式，在直流和交流情況下會(huì)有非常大的差別，而且組成電源的 元器件會(huì)受不同程度的影響[2]。根據(jù)眾多實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，可以看出眾多的離線式電源系統(tǒng)，為了提高系統(tǒng)的可靠性，降低對元器件等級的要求，一般都工作在 非連續(xù)區(qū)域。 本文將首先介紹臨界模式控制原理，在分析兩種模式工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出臨界模式控制的概念，并通過不同模式零、極點(diǎn)的分析，得出針對FLYBACK結(jié)構(gòu)調(diào)整臨界模式的方案，提出整體電路系統(tǒng)設(shè)計(jì)，并給出模擬仿真結(jié)果。 臨界模式控制原理 圖1(a)和(b)示出幾個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)換器線圈中流過電流的波形示意圖，從圖中可以看出，當(dāng)處于導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)候，在電感中建立起來磁場，電流快速 上升；而當(dāng)關(guān)斷后，電感磁場快速下降，根據(jù)洛侖茲定律，在電感中建立起反向電動(dòng)勢，在這種情況下，電流為了保持其電流連續(xù)性，必須找到其相應(yīng)通路，并且電 流開始減小，例如，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為FLYBACK的情況下，可以通過輸出網(wǎng)絡(luò)維持其電流，而在BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下，則通過續(xù)流二極管維持其電流[3]。 如果在電流下降的周期內(nèi)，在電流減至零之前，電路再次導(dǎo)通的話，如圖1(a)所示，稱為“連續(xù)導(dǎo)通模式”（CCM）。而如果當(dāng)關(guān)斷時(shí)期內(nèi)，由于 線圈儲能比較有限，導(dǎo)致再次開通之前電流已經(jīng)降為零，如圖1(b)所示，出現(xiàn)了一段“死區(qū)時(shí)間”，則對應(yīng)的工作狀態(tài)稱為“非連續(xù)導(dǎo)通模式”（DCM）。死 區(qū)時(shí)間有長有短，而如果將電路設(shè)置成這樣的工作狀態(tài)，就是當(dāng)在關(guān)斷期間，電流一降到零，系統(tǒng)立即開啟，則對應(yīng)的死區(qū)時(shí)間為零，對應(yīng)的這種工作狀態(tài)稱為“臨 界導(dǎo)通模式”。 圖1 開關(guān)過程電流示意圖 目前總共有三種方法使電路進(jìn)入臨界狀態(tài)： ·確定出臨界狀態(tài)對應(yīng)的電感值LC，但是當(dāng)電感值LC確定后，在不同負(fù)載情況下，系統(tǒng)卻可能進(jìn)入CCM模式，也可能進(jìn)入DCM模式； 臨界模式控制器的設(shè)計(jì) 圖2所示FLYBACK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器，通過對它的計(jì)算分析來進(jìn)行進(jìn)一步的解釋。 為了簡化分析，先進(jìn)行如下假設(shè)[3]： 假設(shè)1：每周期內(nèi)電感平均電壓降為0； 假設(shè)2：根據(jù)圖1(b)所示，當(dāng)L=LC的時(shí)候，IL(平均)=1/2IP 假設(shè)3：電源功率具有100%的轉(zhuǎn)換效率，即Pin=Pout 采用上面假設(shè)1，可以確定出在CCM模式下的直流電壓轉(zhuǎn)換率，根據(jù)圖2(b)可以得到下列關(guān)系式：
根據(jù)圖1(b)可以看出，對應(yīng)于臨界模式，意味著在導(dǎo)通狀態(tài)中，對線圈中存儲的能量會(huì)在下個(gè)周期開始的時(shí)候正好降為零，根據(jù)此判斷，可得[4]： 根據(jù)假設(shè)2，對上式積分可得：
以上確定了FLYBACK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換器臨界模式對應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)值，也可以確定出，在保證電源穩(wěn)定和可靠的前提下，DCM模式和CCM模式對應(yīng)的極點(diǎn)和零點(diǎn)也能夠確定出來。表1給出了不同操作模式下極點(diǎn)和零點(diǎn)的位置及對應(yīng)的FLYBACK電壓增益。 控制器的SPICE模擬 圖3 對應(yīng)圖2電路的模擬結(jié)果 本文中，所對應(yīng)開關(guān)模型的網(wǎng)表如下所示： 表2
在進(jìn)行AC模擬的時(shí)候，需要暫時(shí)反饋開路，將誤差放大器隔離開，通過補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的調(diào)整，使要求得到滿足。最快的方法是如圖4中所示，由L2和C7 組成的LC網(wǎng)絡(luò)插入進(jìn)電路中，達(dá)到隔離反饋的目的。電感元件能夠維持直流誤差的大小，從而使輸出維持在所需要的值上，同時(shí)將AC誤差隔離阻斷。電容元件能 夠產(chǎn)生一個(gè)AC信號，從而允許正常的AC掃描。在正常的交流掃描時(shí)，使L2=1kH，C7=1kF；而當(dāng)進(jìn)行瞬態(tài)分析的時(shí)候，則 L2=1nH，C7=1pF；以上這種辦法能夠保證自動(dòng)直流占空比調(diào)整，保證當(dāng)占空比改變的時(shí)候，能夠快速調(diào)整輸出參數(shù)，而不會(huì)對其它信號產(chǎn)生影響。 結(jié)論 按照前面的討論，如果將SMPS置于非連續(xù)模式，對于涉及補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是相對容易的，而且將電路置于非連續(xù)模式能夠保證穩(wěn)定和可靠的電路工作狀態(tài)。 那么如何保證電路在DCM狀態(tài)，而且與輸出無關(guān)呢？有兩種辦法：一是計(jì)算LP；二是通過頻率的不斷調(diào)整使電路維持在DCM狀態(tài)。按照上述方法設(shè)計(jì)的臨界狀 態(tài)控制器能夠保證電源電路當(dāng)初級電路降為零的時(shí)候立刻開啟，在這種情況下，就不用考慮不同負(fù)載情況下的不同設(shè)計(jì)方法了，只需要保證所設(shè)計(jì)的控制器能一直控 制SMPS在DCM模式下工作即可，而且在很寬的負(fù)載范圍內(nèi)都能夠穩(wěn)定可靠工作。 另外在設(shè)計(jì)調(diào)整器的時(shí)候，還需要考慮特殊情況，例如空載。在這種情況下，按原先設(shè)定的控制方案，電路開關(guān)頻率將被調(diào)制的非常高，導(dǎo)致了不必要的 開關(guān)損耗以及電磁兼容等問題，而且電源在系統(tǒng)工作時(shí)，空載情況會(huì)非常多見，所以需要在電路設(shè)計(jì)中解決這一問題，在電路中加了頻率鉗制器，使頻率可調(diào)范圍的 上限在合理范圍內(nèi)。 帶有臨界模式控制器功能的開關(guān)電源能夠?qū)崿F(xiàn)400W的AC/DC適配器的調(diào)節(jié)。其中，漏電部分的控制通過R5和C5(見圖5)進(jìn)行控制，同時(shí)還可以對上升電壓進(jìn)行平滑作用，減小了輻射噪聲的產(chǎn)生，原來的電路設(shè)計(jì)中，總是用可控硅和齊納管來替代，它們對噪聲的控制是沒有作用的。 參考文獻(xiàn)： [1] R. D. MIDDLEBROOK and S. CUK, A general Unified Approach to
Modeling Switching Converter Power Stages , IEEE PESC, Vol.21, No.1,
18-34, 1976. Record, pp 18-34 Vol.35, No.8, 830-839, 2005. |
