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高频开关电源控制的一些关键问题解析

  1  电压电流双环控制

  为了实现输出电压电流均可控,通常采用电流模式控制,常用电流模式控制有峰值电流控制法和平均电流控制法。但是,峰值电流控制有以下几个缺点:

  ① 占空比大于50%的开环不稳定性,存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差;

  ② 闭环响应不如平均电流模式控制理想;

  ③ 容易发生次谐波振荡,即使占空比小于50%,也有发生高频次谐波振荡的可能性。因而需要斜坡补偿;

  ④ 对噪声敏感,抗噪声性差。因为电感处于连续储能电流状态,与控制电压编程决定的电流电平相比较,开关器件的电流信号上斜坡通常较小,电流信号上的较小噪声很容易使开关器件改变关断时刻,使系统进入次谐波振荡。

  2  平均电流模式控制PWM

  平均电流模式采用双闭环控制,其内环控制输出滤波电感电流,外环控制输出电压,提高了系统响应速度。

  将误差电压信号Ue接至电流误差信号放大器的同相端,作为输出电感电流反馈的控制信号Uip。将带有锯齿纹波状分量的输出电感电流反馈信号Ui ,接至电流误差信号放大器的反相端,跟踪电流控制信号Uip。Ui与Uip的差值经过电流误差放大器放大后,得到平均电流跟踪误差信号UC。再由UC与三角锯齿波信号通过比较器比较得到PWM控制信号。UC的波形与电流波形Ui反相,所以,是由UC的下斜坡(对应于开关器件导通时期)与三角波的上斜坡比较产生控制信号。显然,这就无形中增加了一定的斜坡补偿。但为了稳定工作,要求电感电流的下降坡度不能大于晶振的坡度。

  平均电流模式控制的优点是:

  ① 电感电流能够高度精确地跟踪电流控制信号;

  ② 不需要斜坡补偿;

  ③ 调试好的电路抗噪声性能优越;

 

  ④ 适合于任何电路拓扑对输入或输出电流的控制;

  ⑤ 易于实现均流。

  3  小信号分析及电流、电压环PI调节器参数设计

  这种控制方式有恒压和恒流两种工作方式。当D1导通时,电路工作在恒流模式,此时,电压环不起作用,电路相当于单环控制。当D1截止时,电路工作在恒压模式下,电路采用串级双环控制,电流环作为电压环的内环,电压环PI调节器的输出Ue作为电流环PI调节器的给定。在设计参数时,先设计电流环的调节器,获得稳定的内环,然后得到电流环的闭环传递函数Tic(s),并将其作为电压环的一个环节,如图3所示,然后设计电压环调节器。这种控制方式的最大的优点是,很好地解决了电路的限流问题,使电路具有最快的限流响应速度。但是,这种控制方式的实际限流给定是限流值Uiref加上D1的管压降,因为D1的管压降与通过它的电流有关,所以这种控制方式的稳流精度不如前面那种控制方式,但可以通过调节电阻R3,减小D1管压降的变化量,以提高这种控制方式的稳流精度。

  符号表示:

  H为输出电压采样系数;

  Ki为电感电流采样系数;

  FM为脉宽调制器的传递函数,FM=1/Upp,(Upp为三角波峰峰值);

  GV(s)为电压环PI调节器的传递函数:

  忽略输出滤波电感电容等效电阻的影响后为

  补偿后,电压环的开环传递函数为:

  Tvob(s)=HGv(s)Tic(s)Z(s)

 

  4 控制电路实现

  采用集成芯片UC3525外加运放构成平均电流模式控制电路,并用单片UC3535外加逻辑电路的方式形成有限双极性控制的4路控制信号。

  (1)外环控制

  电压给定信号与输出电压反馈信号经运放U1补偿比较得Ue,接到UC3525的内部误差放大器正相输入端:2脚作为反馈电流的控制信号Uip。当输出电流超过给定限流值时,D11导通,Uip被嵌在给定限流值上。

  (2)内环控制

  采样电阻检测输出电流并通过电流检测放大器得电流反馈信号。接到UC3525的内部误差放大器反相输入端的1脚,与Uip进行比较。UC3525的9脚为反馈补偿端。

  (3)有限双极性控制

  UC3525的4脚为同步信号输出,该信号作为D触发器U3的时钟信号,U3的Q端(1脚)和 端(2脚)既可得到占空比为50%相位相差180°的两组脉冲,Q11、Q12用于控制死区时间。

  5 结论

  通过以上设计,对高频开关电源控制的一些关键问题得到了基本解决办法,高频开关电源控制电路的实现,使发电厂及变电站大容量直流系统能够更加可靠的运行。

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