新型非隔離負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源的設(shè)計(jì) - 全文

引言

　　隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電子測(cè)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(yùn)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(cè)量裝置運(yùn)行的性能，嚴(yán)重的話會(huì)使測(cè)量的數(shù)據(jù)大大偏離預(yù)期。目前，電子測(cè)量裝置的負(fù)電源通常采用抗干擾能力強(qiáng)，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(shí)現(xiàn)負(fù)電壓的輸出，但這會(huì)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(jiǎn)單、體積小的非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源在電子測(cè)量裝置中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。因此，對(duì)非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源的研究具有很高的實(shí)用價(jià)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(qiáng)。由于圖2的開關(guān)器件要接在電源的負(fù)極，這會(huì)使得其控制電路會(huì)比圖1來得復(fù)雜，因此在市場(chǎng)也沒有實(shí)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(bǔ)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(qiáng)、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(shí)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。

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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

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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

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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(jì)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(shí)，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(shí)，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(gè)周期電源控制器LT1935內(nèi)部的功率三極管再次導(dǎo)通?？梢婋娙軨1在輸出電感L1儲(chǔ)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(shí)，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(dòng)，降低了輸出紋波電流的影響，進(jìn)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(dòng)態(tài)響應(yīng)，另一方面還能實(shí)現(xiàn)快速的過電流保護(hù)，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(bǔ)償電路，非隔離負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源反饋回路設(shè)計(jì)即轉(zhuǎn)換為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)，進(jìn)而大大簡(jiǎn)化了反饋回路的設(shè)計(jì)。

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

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圖4 非隔離負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源硬件電路圖

　　2 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

　　2.1 非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源小信號(hào)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(jí)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(duì)系統(tǒng)的影響。

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圖5 非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源等效功率級(jí)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(hào)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。

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圖6 非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源CCM大信號(hào)模型

　　引入上述穩(wěn)態(tài)值對(duì)應(yīng)的小信號(hào)擾動(dòng)。

　　令：

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　　可以推導(dǎo)出：

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

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　　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(hào)模型。

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圖7 非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源CCM小信號(hào)模型

2.2 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

　　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(gè)部分。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)屬于電壓外環(huán)，因此設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)需要先建立包含電流控制內(nèi)環(huán)的小信號(hào)模型。

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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(bǔ)償?shù)挠绊?，則輸出電感電流等于控制電流，即：

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　　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(hào)模型，同時(shí)將等式（7）帶入化簡(jiǎn)得，CCM-CPM型非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源的動(dòng)態(tài)方程為：

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　　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(hào)模型。

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

考慮到控制電流與控制電壓滿足：

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　　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：

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　　分析可知，控制對(duì)象Ap （s）為單極點(diǎn)型控制對(duì)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(jì)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)不僅要提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性和響應(yīng)速度，而且要增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

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圖10 CCM-CPM型電壓外環(huán)系統(tǒng)框圖

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

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圖11 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)硬件電路圖

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)放大倍數(shù)與電源控制器反饋引腳相對(duì)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滿足如下關(guān)系式：

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　　注意Vf的值應(yīng)在適中的范圍，當(dāng)取值太大，會(huì)降低系統(tǒng)的信噪比。當(dāng)取值太小，系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)態(tài)特性都會(huì)下降。

　　補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性通過電容C2、C3、C4來補(bǔ)償。其中電容C2引入超前校正，有效的提高了系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性。電容C3則增大了系統(tǒng)的帶寬。而電容C4起到了旁路高頻噪聲的作用。因此通過合理的選擇C2、C4、C4的電容值，可以使系統(tǒng)獲得較滿意的動(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果。

　　3 實(shí)驗(yàn)研究

　　對(duì)圖4所示的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究，實(shí)驗(yàn)電路的主要參數(shù)為，輸入電壓Vi=-24V,輸出電壓Vo=-15V,輸出電感L1=33μH,輸出電容C1=10μF,二極管VD1為肖特基二極管1N5819。

　　由圖12所示的輸出電壓波形可得，利用圖4所示的非隔離負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源可以很容易實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓的穩(wěn)定輸出。并且反饋回路的靜態(tài)放大倍數(shù)很大，使輸出的負(fù)電壓有很好的穩(wěn)態(tài)特性。

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圖12 滿載時(shí)LT1935內(nèi)部功率三極管集電極電壓和輸出電壓波形示意圖

　　圖12給出了滿載情況下電源控制器LT1935內(nèi)部功率三極管集電極輸出電壓的波形。可見在滿載時(shí)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生過高的峰值電流，電感電流的波動(dòng)小，即輸出紋波電流得到很好的抑制，有利于非隔離負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源的高效率工作和帶負(fù)載能力。同時(shí)系統(tǒng)的開關(guān)頻率很高，反饋回路的帶寬得到了保證。

　　圖13給出了滿載情況下輸出紋波電壓的波形，顯然，輸出紋波電壓的波動(dòng)小，且無脈動(dòng)，輸出紋波電壓得到了很有效的抑制。

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圖13 滿載時(shí)輸出電壓和輸出紋波電壓波形示意圖

　　4 結(jié)論

　　提出了一種基于峰值電流控制的新型非隔離負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源設(shè)計(jì)方案。在連續(xù)電流模式下，保證輸出電容能通過輸出電感得到持續(xù)充電，使輸出紋波得到了有效的抑制，從而達(dá)到提高系統(tǒng)帶負(fù)載能力以及效率的目的。同時(shí)結(jié)合平均電路法構(gòu)建該開關(guān)電源在CCM條件下的小信號(hào)模型，設(shè)計(jì)了電壓外環(huán)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，增強(qiáng)了系統(tǒng)的整體性能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明，本方案簡(jiǎn)單、合理、可行，具有一定的工程實(shí)際意義。

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