新型非隔離負電壓DC/DC開(kāi)關(guān)電源的設計

　　2.1 非隔離負電壓開(kāi)關(guān)電源小信號建模

　　從本質(zhì)上來(lái)講，本文介紹的非隔離負電壓DC/DC開(kāi)關(guān)電源為非隔離負電壓Buck開(kāi)關(guān)電源，其等效功率級電路原理圖如圖5所示，這里考慮了輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻Resr對系統的影響。

圖5 非隔離負電壓Buck開(kāi)關(guān)電源等效功率級電路原理圖

圖6給出圖5利用平均電路法建立的非隔離負電壓Buck開(kāi)關(guān)電源CCM大信號模型。設Vi為輸入電壓的穩態(tài)值，Vo為輸出電壓的穩態(tài)值，Vpc為受控電壓源兩端電壓的穩態(tài)值，Ii為輸入電流的穩態(tài)值，IL為輸出電感電流的穩態(tài)值，D為占空比的穩態(tài)值。

圖6 非隔離負電壓Buck開(kāi)關(guān)電源CCM大信號模型

　　引入上述穩態(tài)值對應的小信號擾動(dòng)。

　　令：

　　可以推導出：

　　若小信號干擾滿(mǎn)足D,忽略二次項并化簡(jiǎn)等式（3）和等式（4）得，的線(xiàn)性化表達式為：

　　根據等式（5）和等式（6），即可得到圖7所示的用理想變壓器表示非隔離負電壓Buck開(kāi)關(guān)電源的CCM小信號模型。

圖7 非隔離負電壓Buck開(kāi)關(guān)電源CCM小信號模型

2.2 補償網(wǎng)絡(luò )設計

　　圖8為電流連續模式下峰值電流控制（CCMCPM）型非隔離負電壓Buck開(kāi)關(guān)電源的系統框圖?？刂骗h(huán)路包括了電流內環(huán)和電壓外環(huán)兩個(gè)部分。補償網(wǎng)絡(luò )屬于電壓外環(huán)，因此設計補償網(wǎng)絡(luò )需要先建立包含電流控制內環(huán)的小信號模型。

圖8 CCM-CPM型非隔離負電壓Buck開(kāi)關(guān)電源系統框圖

　　假設系統穩定，且忽略輸出電感紋波電壓及人工斜坡補償的影響，則輸出電感電流等于控制電流，即：

　　根據圖7所示的非隔離負電壓Buck開(kāi)關(guān)電源CCM小信號模型，同時(shí)將等式（7）帶入化簡(jiǎn)得，CCM-CPM型非隔離負電壓Buck開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)方程為：

　　利用等式（8）和等式（9）可以很容易的建立圖9所示的CCM-CPM型非隔離負電壓Buck開(kāi)關(guān)電源小信號模型。

圖9 CCM-PWM型非隔離負電壓Buck開(kāi)關(guān)電源小信號模型

考慮到控制電流與控制電壓滿(mǎn)足：

　　式中Rs為電流采樣電阻；k為采樣電流放大系數。將式（10）帶入式（9），得控制電壓與輸出電壓的傳遞函數Ap （ s）為：

　　分析可知，控制對象Ap （s）為單極點(diǎn)型控制對象，并且受等效串聯(lián)電阻的影響，其高頻特性差，抑制高頻噪聲的能力弱。

　　因此根據圖10所示的CCM-CPM型電壓外環(huán)系統框圖，所設計的補償網(wǎng)絡(luò )不僅要提高系統的穩態(tài)特性和響應速度，而且要增強系統的抗干擾能力。

圖10 CCM-CPM型電壓外環(huán)系統框圖

　　圖11為實(shí)際非隔離負電壓DC/DC變換電路補償網(wǎng)絡(luò )的硬件電路圖。

圖11 補償網(wǎng)絡(luò )硬件電路圖

補償網(wǎng)絡(luò )的靜態(tài)放大倍數與電源控制器反饋引腳相對于其參考地的靜態(tài)工作電壓Vf成正比，這里的靜態(tài)工作電壓Vf滿(mǎn)足如下關(guān)系式：

　　注意Vf的值應在適中的范圍，當取值太大，會(huì )降低系統的信噪比。當取值太小，系統的靈敏度和穩態(tài)特性都會(huì )下降。

　　補償網(wǎng)絡(luò )的動(dòng)態(tài)特性通過(guò)電容C2、C3、C4來(lái)補償。其中電容C2引入超前校正，有效的提高了系統的動(dòng)態(tài)穩定性。電容C3則增大了系統的帶寬。而電容C4起到了旁路高頻噪聲的作用。因此通過(guò)合理的選擇C2、C4、C4的電容值，可以使系統獲得較滿(mǎn)意的動(dòng)態(tài)補償效果。