開(kāi)關(guān)電源IC中誤差放大器的自激振蕩原理及補償解決方法

目前隨著(zhù)開(kāi)關(guān)電源的廣泛應用， 控制IC 作為開(kāi)關(guān)電源的心臟在其中扮演著(zhù)重要角色。開(kāi)關(guān)電源的控制IC 一般都會(huì )包含一個(gè)誤差放大器，用來(lái)將輸出電壓的偏移等進(jìn)行放大以控制主開(kāi)關(guān)電路的動(dòng)作，實(shí)現穩壓輸出。這個(gè)誤差放大器本身是一個(gè)運算放大器，在實(shí)際使用中會(huì )加入負反饋，而由于外部元件及PCB 等因素的影響，誤差放大器有時(shí)會(huì )產(chǎn)生自激振蕩，使開(kāi)關(guān)電源不能正常工作。筆者分析了誤差放大器加入負反饋時(shí)產(chǎn)生自激振蕩的原理，并以UC3875 控制IC 為例設計了外部補償電路，并進(jìn)行了實(shí)驗驗證。

　　1 誤差放大器產(chǎn)生自激振蕩的原理

　　1.1 自激振蕩產(chǎn)生的原因

　　加入負反饋后誤差放大器的閉環(huán)增益G 的表達式為：

　　其中A 為開(kāi)環(huán)增益，F 為反饋系數，AF 為環(huán)路增益。

　　由上式可知：當1+FA 趨近于0 時(shí)， |G| =∞。這說(shuō)明即使無(wú)信號輸入也會(huì )有波形輸出，于是就產(chǎn)生了自激振蕩。

　　放大器的增益和相位偏移會(huì )隨頻率而變化。當頻率變高或變低時(shí)，輸出信號和反饋信號會(huì )產(chǎn)生附加相移。如果附加相移達到±180°，則此時(shí)反饋信號與輸入信號同相，負反饋就變成正反饋。反饋信號加強，當反饋信號大于凈輸入信號時(shí)，即使去掉輸入信號也有信號輸出，于是就產(chǎn)生了自激振蕩。

　　即：

　　一個(gè)實(shí)際的運算放大器， 內部存在著(zhù)許多天然極點(diǎn)，他們造成的附加相移會(huì )使輸出的相位偏移超過(guò)-180°， 當使用負反饋時(shí)會(huì )使放大器產(chǎn)生自激振蕩。因此運算放大器大多都有補償端口或為了使用方便直接在內部進(jìn)行了補償，這些經(jīng)過(guò)內部補償的運算放大器一般會(huì )補償到在增益0 dB 以上只有一個(gè)極點(diǎn)，單獨使用時(shí)即使將其用作單位增益放大器也不會(huì )自激振蕩。

　　1.2 負反饋放大電路穩定性的判定

　　判斷自激振蕩的方法首先是看其是否滿(mǎn)足相位條件，只有滿(mǎn)足相位條件才有可能產(chǎn)生自激振蕩。即如果當附加相移φ=±180°時(shí)，環(huán)路增益|FA |≥1，那么電路就會(huì )產(chǎn)生自激振蕩。

　　相反，如果當φ=±180°時(shí)，環(huán)路增益|FA| ＜1，那么電路就不會(huì )產(chǎn)生自激振蕩。

　　2 UC3875 誤差放大電路

　　2.1 UC3875 誤差放大電路結構

　　UC3875 是TI 公司生產(chǎn)的一款移相全橋軟開(kāi)關(guān)控制器，廣泛應用于ZVS 和ZCS 拓撲結構的大功率開(kāi)關(guān)電源當中。它內部包含一個(gè)誤差放大器，該誤差放大器輸出端的輸出電壓與斜坡發(fā)生器的輸出電壓進(jìn)行比較從而產(chǎn)生移相信號。它的AB 和CD 兩組輸出可以分別設定死區時(shí)間，非常適合應用于全橋諧振開(kāi)關(guān)電源。本文中所用UC3875 的誤差放大器部分電路接法如圖1 所示。

　　誤差放大器的正相輸入端接參考電壓，輸出端通過(guò)一個(gè)150 kΩ 電阻反饋到反向輸入端，反相輸入端通過(guò)一個(gè)470 kΩ電阻與輸出電壓采樣電路相連。

　　當對開(kāi)關(guān)電源進(jìn)行調試時(shí)測量其輸出，發(fā)現輸出非常不穩定。而后用示波器對UC3875 的控制輸出端OUTA 與OUTC 進(jìn)行觀(guān)察，如圖2，發(fā)現輸出的移相信號產(chǎn)生了大幅度抖動(dòng)，致使開(kāi)關(guān)電源輸出變得不穩定。隨后在對誤差放大器的輸出進(jìn)行觀(guān)察時(shí)發(fā)現誤差放大器產(chǎn)生了振蕩，在輸出端產(chǎn)生了一個(gè)不太穩定的正弦信號（圖3）。由于誤差放大器的輸出與斜坡發(fā)生器的輸出電壓比較之后產(chǎn)生移相控制信號，因此UC3875 的輸出控制信號會(huì )產(chǎn)生大幅抖動(dòng)。

　　2.2 UC3875 誤差放大器振蕩現象的分析

　　根據UC3875 的數據表可知其典型帶寬與開(kāi)環(huán)增益分別為11 MHz、90 dB。大多數控制IC 的誤差放大器已經(jīng)過(guò)內部相位補償，且補償到即使閉環(huán)增益為0 dB（此時(shí)反饋量最大）時(shí)也不會(huì )發(fā)生振蕩。但是在實(shí)際使用中，由于外部元件等因素的影響， 有可能產(chǎn)生新的極點(diǎn)， 使電路附加相移超過(guò)-180°，從而發(fā)生振蕩。