負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源的設(shè)計

引言

　　隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電子測量裝置往往需要負(fù)電源為其內(nèi)部的集成電路芯片與傳感器供電。如集成運算放大器、電壓比較器、霍爾傳感器等。

　　負(fù)電源的好壞很大程度上影響電子測量裝置運行的性能，嚴(yán)重的話會使測量的數(shù)據(jù)大大偏離預(yù)期。目前，電子測量裝置的負(fù)電源通常采用抗干擾能力強，效率高的開關(guān)電源供電方式。以往的隔離開關(guān)電源技術(shù)通過變壓器實現(xiàn)負(fù)電壓的輸出，但這會增大負(fù)電源的體積以及電路的復(fù)雜性。而隨著越來越多專用集成DC/DC控制芯片的出現(xiàn)，使得電路簡單、體積小的非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源在電子測量裝置中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。因此，對非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源的研究具有很高的實用價值。

　　傳統(tǒng)的非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源的電路拓?fù)溆幸韵聝煞N，如圖1、圖2所示。圖3是其濾波輸出電容的充電電流波形。由圖3可見，采用圖2結(jié)構(gòu)的可獲得輸出紋波更小的負(fù)電壓電源，并且在相同電感峰值電流的情況下其帶負(fù)載能力更強。由于圖2的開關(guān)器件要接在電源的負(fù)極，這會使得其控制電路會比圖1來得復(fù)雜，因此在市場也沒有實現(xiàn)圖2電路結(jié)構(gòu)（類似于線性穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)芯片7915功能）的負(fù)電壓開關(guān)電源控制芯片。

　　為了彌補現(xiàn)有非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源技術(shù)的不足，以獲得一種帶負(fù)載能力強、輸出紋波小的非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源，本文提出一種采用Boost開關(guān)電源控制芯片LT1935及分立元件實現(xiàn)了圖2所示原理的基于峰值電流控制的新型非隔離負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源。

圖1 傳統(tǒng)的非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)1

圖2 傳統(tǒng)的非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)2

圖3 兩種開關(guān)電源濾波電容的充電電流波形

　　1 工作原理分析

　　本文設(shè)計的非隔離負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源如圖4所示，負(fù)電源工作在連續(xù)電流模式。當(dāng)電源控制器LT1935內(nèi)部的功率三極管導(dǎo)通時，直流電源給輸出電感L1和輸出電容C1充電。當(dāng)電源控制器LT1935內(nèi)部的功率三極管關(guān)斷時，輸出電感L1中的電流改由通過肖特基二極管VD1提供的低阻抗回路繼續(xù)給輸出電容C1充電直至下一個周期電源控制器LT1935內(nèi)部的功率三極管再次導(dǎo)通。可見電容C1在輸出電感L1儲存能量和釋放能量的過程中均獲得充電，從而減小了輸出紋波電壓。同時，在CCM條件下，輸出電流在LT1935內(nèi)部功率三極管的導(dǎo)通和關(guān)斷期間均通過輸出電感L1,這很大程度上抑制了輸出電流的波動，降低了輸出紋波電流的影響，進而大大增加系統(tǒng)的帶負(fù)載能力和效率。

　　反饋控制回路采用了峰值電流控制。相比傳統(tǒng)的電壓控制，峰值電流控制一方面能很好的改善電源的動態(tài)響應(yīng)，另一方面還能實現(xiàn)快速的過電流保護，很大程度上提高了系統(tǒng)的可靠性。由于采用了電源控制器LT1935，其內(nèi)部集成了峰值電路控制電路和斜坡補償電路，非隔離負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源反饋回路設(shè)計即轉(zhuǎn)換為補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，進而大大簡化了反饋回路的設(shè)計。

　　為防止過高的直流電源對電源控制器的危害，這里使用穩(wěn)壓管VD2和VD3實現(xiàn)過電壓保護。

圖4 非隔離負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源硬件電路圖

　　2 補償網(wǎng)絡(luò)

　　2.1 非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源小信號建模

　　從本質(zhì)上來講，本文介紹的非隔離負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源為非隔離負(fù)電壓Buck開關(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(tǒng)的影響。

圖5 非隔離負(fù)電壓Buck開關(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(fù)電壓Buck開關(guān)電源CCM大信號模型。設(shè)Vi為輸入電壓的穩(wěn)態(tài)值，Vo為輸出電壓的穩(wěn)態(tài)值，Vpc為受控電壓源兩端電壓的穩(wěn)態(tài)值，Ii為輸入電流的穩(wěn)態(tài)值，IL為輸出電感電流的穩(wěn)態(tài)值，D為占空比的穩(wěn)態(tài)值。

圖6 非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源CCM大信號模型

　　引入上述穩(wěn)態(tài)值對應(yīng)的小信號擾動。

　　令：

　　可以推導(dǎo)出：

　　若小信號干擾滿足D,忽略二次項并化簡等式（3）和等式（4）得，的線性化表達(dá)式為：

　　根據(jù)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(fù)電壓Buck開關(guān)電源的CCM小信號模型。

圖7 非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源CCM小信號模型

　　2.2 補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計

　　圖8為電流連續(xù)模式下峰值電流控制（CCMCPM）型非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源的系統(tǒng)框圖。控制環(huán)路包括了電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)兩個部分。補償網(wǎng)絡(luò)屬于電壓外環(huán)，因此設(shè)計補償網(wǎng)絡(luò)需要先建立包含電流控制內(nèi)環(huán)的小信號模型。

圖8 CCM-CPM型非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源系統(tǒng)框圖

　　假設(shè)系統(tǒng)穩(wěn)定，且忽略輸出電感紋波電壓及人工斜坡補償?shù)挠绊懀瑒t輸出電感電流等于控制電流，即：

根據(jù)圖7所示的非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源CCM小信號模型，同時將等式（7）帶入化簡得，CCM-CPM型非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源的動態(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(fù)電壓Buck開關(guān)電源小信號模型。

圖9 CCM-PWM型非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源小信號模型

　　考慮到控制電流與控制電壓滿足：

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

　　分析可知，控制對象Ap （s）為單極點型控制對象，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(jù)圖10所示的CCM-CPM型電壓外環(huán)系統(tǒng)框圖，所設(shè)計的補償網(wǎng)絡(luò)不僅要提高