第六节　开关电源中反馈环路及启动环路的选择

一、反馈环节

电压反馈环的唯一功能就是使输出电压保持在一个固定值。但考虑负载瞬态响应、输出精度、多路输出、隔离输出等方面,电压反馈的设计就变得很复杂了。上述每一个方面对设计者来说都很棘手,但是如果掌握了设计步骤,这些方面都可以很容易地得到解决。

电压反馈环的核心部分是一个称为误差放大器的高增益运算放大器,这部分仅仅是个高增益的放大器而已,它把两个电压的误差放大,并产生电压误差信号。在电源系统中,这两个电压一个是参考电压,而另一个则是输出电压。输出电压在输入到误差放大器之前先进行分压,分压的比例为电压参考值与额定输出电压的比值。这样,在额定输出电压时,误差放大器产生一个“零误差”点。如果输出偏离额定值,放大器的误差电压就会明显地改变,电源系统用该误差电压来校正脉宽,从而使输出电压回到额定值。

针对差放大器,有两个主要的设计问题:一方面是要有很高的直流增益,以改善输出负载调节性能;另一方面是要有很好的高频响应特性,以提高负载的瞬态响应,输出负载调节性能是指被检测的输出端上的负载改变时,输出电压的偏离程度。瞬时响应是指输出负载发生跳变时,输出电压恢复到原值的快慢。下面是一个基本的无隔离、单输出开关电源电压反馈环的应用例子。如果忽略误差放大器的补偿,设计就很简单了。设计的输出电压为5V,控制IC内部提供的参考电压2.5V,见图2-45。

图2-45　无隔离电压反馈电路

在开始设计时,要先确定通过输出电压分压电阻的检测电流的大小。为了使设计补偿器参数时有一个比较理想的值,电阻分压器的上臂电阻值选在1.5~15kΩ范围之内。如果电阻分压器的检测电流取1mA,则分压器的下臂电阻R₁就可以按下式算出:

R₁=2.5V/0.001A=2.5(kΩ)

输出电压的精确度直接受到分压电阻和参考电压的精度影响。所有误差累加起来决定了最后的精确度,也就是说,如要分压器所用的是两个精度为1%的电阻,所用的参考电压的精度为2%,则最后输出电压的精度就为4%。另外,放大器的输入失调电压也会引起误差,这个误差等于放大器的输入失调电压除以电阻分压器的分压。所以,如果在这个设计例子中,放大器的最大失调电压是10mV,那么输出电压误差就是20mV,且这个值会随着温度而漂移。

下面继续对这个例子进行设计,假设选用1%精度的电阻,其阻值为2.49kΩ,则实际的检测电流为

I_s=2.5V/2.49kΩ=1.004(mA)

电阻分压器的上臂电阻R₂为

R₂=(5.0V-2.5V)/1.004mA=2.49(kΩ)

这样就完成了电阻分压器的设计。接下来要设计放大器的补偿网络,以得到直流增益和带宽性能。

如果电源是多路输出的,那么输出端的交叉调整性能是要考虑的一个方面。通常是电压放大器只能检测一个或几个输出端,而没有被检测的输出能通过变压器或输出滤波器本身固有的交叉调整功能进行调节。这样的调整性能比较差,也就是说,被检测的输出端上的负载变化时,会使没有被检测的输出端的输出明显改变。相反,如果没有被检测的输出端上的负载改变时,并不能完全通过变压器耦合到被检测的输出端而被检测到,因而不能对它进行很好的调节。

为了很好地改善输出端的交叉调整性能,可以通过检测多个输出电压来实现,这叫做多输出检测。通常并不是真的去检测所有的输出端,这样做实际上也是没有必要的。下面的例子用来说明怎样改善输出端的交叉调整性能。如有+5V、+12V和-12V输出的典型的反激式变换器,其+5V输出端从半载到满载变化时,+12V端变到+13.5V,-12V端变到-14.5V。

这表明,变压器具有的交叉调整性能很差,这可以通过多线绕组技术稍微进行改善。如果对+5V和+12V端都进行检测,则+5V端的负载如前面所述变化时,+12V端变到+12.25V,-12V端变到-12.75V。

多输出端检测是通过把电压检测电阻分压器的上臂用两个并联电阻来实现,这两个电阻的上端分别接到不同的输出端上,见图2-46。

图2-46　多输出检测电路

电阻分压器的中点就成了电流的交汇点,在这里总电流是每个被检测的输出端流出的电流总和。输出功率比较大的输出端,通常对输出调节的要求比较高,因而应占检测电流的主要部分。输出功率比较小的输出占剩下的检测电流部分。每个输出端占检测电流的百分比就表明了该输出端被调节的程度。

再看一下有+5V、+12V和-12V输出的电源,由于±12V通常是给运算放大器供电的,这些运算放大器相对来说不大会受到V_OC和V_EE变化的影响,所以对这两个输出端的调节要求可以宽松一点。用这节第一个例子的参数,R₁取2.49kΩ,检测电流为1.004mA。

第一步要分配电流比例,输出端提供的检测电流越少,对它的调节程度就越低。让+5V输出端的电流占70%,+12V端的电流占30%,则

R₂=(5.0V-2.5V)/(0.7×1.004mA)=3557(Ω)

取最接近值3.57kΩ。+12V端上的电阻R₃为

R₃=(12V-2.5V)/(0.3×1.004mA)=31.5(kΩ)

最接近的值是31.6kΩ。

用多输出检测输电时,所有输出负载变化时,应该都可以改善交叉调整性能。

电压反馈最后一步是反馈隔离的问题,当考虑到输出电压会造成控制器损坏时,就要用反馈隔离(输入直流电压大于42.5V)。电气隔离有两种可用的方法:光隔离(光隔离器)和电磁隔离(变压器)。这部分主要是介绍使用比较普遍的隔离方法,也就是用光隔离器把反馈环与主电路隔离。光隔离器的C_trr(电流传送比较支持或I_out/I_in)会随温度而漂移,也会随着使用时间增加而逐渐变差,而且各个光耦隔离器的误差范围也相差比较大。C_trr是用百分比来衡量的电流增益。为了补偿光隔离器的这些差异而不使用电位器,要把误差放大器放在光隔离器的二次侧(或输入侧)。误差放大器可以检测到光隔离器漂移引起的其输出端的偏移,然后相应地去调整电流。典型的反馈隔离电路见图2-47。

图2-47　光隔离的电压反馈环电路例子

二次侧的误差放大器通常采用TL431。TL431是一个三端封装的器件,内部有一个具有温度补偿的电压参考源和一个放大器。正常工作时,它需要有一个最小为1.0mA的连续电流流管输出引脚,输出信号就加到这个偏置电流上。

在这个例子中,控制IC(UC3843AP)上的误差放大器通过输入端的连接使它不能工作,这样就保证输出端是高电平,电阻R的阻值并不是很重要(每个取10kΩ)。补偿引脚内部有一个1.0mA的电流源,在全额输出情况下,就可以得到一个+4.5V的“高”电压。

用来改变补偿器的输出值从而调节输出脉宽的网络,是个电流求和网络。R₁保证从TL431来的工作电流通过光隔离器耦合,不会影响控制IC内部1mA的上拉电流源,当要全额输出脉宽时,这引脚上仍可以得到+4.5V的电压。在全额输出时,最坏情况下的最小电流是

I_fb(min)=I_cc(max)C_trr(max)

=1.2mA×130%

=1.56(mA)

这时R₁为

R₁=0.5/(1.56-1.0)=893(Ω)

取820Ω,留安全裕量。

为了得到0.3V的最小输出,光隔离器要给补偿引脚提供更多的电流。要达到这个目的,光隔离器传送的电流大小为

I_fb(min)=(4.5-0.3)/820=5.12(mA)

用光隔离器LED上的最大压降和TL431上端电压,就可以确定R₂的大小了。

R₁=[5-(1.4+2.5)]/5.12

=215(Ω)

取200Ω,留安全裕量。

用来检测输出电压的电阻与前面例子中用来交叉检测的电阻的设计一样。这样电压反馈这部分就只剩下误差放大器的补偿器设计了。

输出的精度通常要求参考量的变化在2%内,用于电压取样的电阻分压器上的电阻精度要在1%以内。输出的精度就是这些误差的总和加上变压器匝数的误差。

电压反馈的设计有很多变化,但上面介绍的是最简单的,也是用得最普遍的方法。

二、启动和集成电路供电电路的设计

启动和辅助电源给控制集成电路(IC)和功率开关驱动电路提供工作电压,有时把这个电路叫做自启电路。由于这部分电路所有输入和输出的功率都属于损耗,因此在保证其所有功能的条件下,应尽可能提高它的效率。

自启动电路在高输入电压的情况下显得更加重要,因为输入高于直流20V时,输入电压不能直接供电给控制IC和功率开关,而是需要采用启动/辅助电源电路。这部分电路的主要功能是用一个分流或串联的线性电源给控制器和功率开关驱动电路提供比较稳定的电压。

电源从完全关机状态启动,通常要求当输入功率加到电源上时,就要从输入电源母线上汲取电流。启动电路允许的输入电压比电源输入电压的最大值(包括可能通过电源输入滤波器的浪涌电压)还要高。对于这个电路,需要考虑其所需的功能。启动电路有一些常用的功能,它的功能要适合整个系统的工作需要。

① 电源输出短路的情况一旦结束,回到正常工作时,要立刻使控制及功率开关电路的所有功能工作。

② 当发生短路时,电源要进入间隔重启动模式,短路情况一旦消失,电源就重新启动。

③ 在短路期间,进入完全关机状态,然后关闭系统。输入功率也要切断,在重新启动电源的时候再合上。

前面两种启动电路的方式使用得比较多,在有可移动部分的系统中,推荐使用这两种方式。比如电话系统、插卡系统或一些人们容易不注意使负载短路的常规服务系统。在一些重要仪器中,当错误操作会对仪器或操作人员造成损害时,对其进行关闭的功能也是必要的。

在一些增加一小部分损耗并不重要的产品中,经常用简单的齐纳管分流电源,见图2-48。在这里,启动电流始终从输入电流母线输入,即使在电路稳定工作期间也是如此。当启动电流小于IC和驱动电路工作所需电流(约0.5mA时),电源就进入间隔恢复的模式,如果启动电流足够大(约10~15mA),在短路期间电源保持在过电流反馈状态,一旦短路状态消失,电源立刻恢复工作。不同之处在于驱动电路工作时的损耗不一样。控制IC上的低电压限制(low voltage inhibit,LVI)的滞环带宽也会影响电源的间隔重启。给IC供电的旁路电容值要不小于10μF,以便存储足够的能量,这样在电压跌落到LVI值之前,就完成对电源的启动工作。大体上来说,滞环电压越高,电源刚开始启动时就越可靠。

图2-48　由齐纳二极管提供的控制供电电源

对离线式开关电源,如果启动电路始终从电源输入线获取电流,会产生很可观的损耗,所以建议在电路稳定工作后切断启动电路。当整个电源进入稳定工作状态后,IC和驱动电路就可以从变压器的附加绕组上获取所需电源。这样,转换效率可达75%,比起上面所述的方法,效率可以提高5%~10%。图2-49所示的就是这种电路。该电路是个高电压、有电流限制的线性电源。在电路稳定工作期间,发射极上的二极管和集射极反偏,这样就完成了对启动电流的切断过程。小信号晶体管的V_CEO(SUS)要求高于最高输入电压,几乎所有的损耗都消耗在集电极的电阻上。在稳定工作时,就只有很小的偏置电流流过晶体管的基极和齐纳二极管。

图2-49　高电压线性电源自启动电路(只在启动和反馈期间工作)

此外,在发生短路的情况下,设计者可以选择让电源工作在间隔重启方式,或是在这种情况下,让IC和驱动电路继续工作。通过选择集电极上的电阻,使流过它的电流是0.5mA或15mA,就可以选择相应的工作方式。

这种方法的一种变形电路是过电流关断电路,见图2-50。该启动电路是个分立、高电压、单次启动电路,只有在刚开始启动时起作用,启动后就完全关断。如果发生过电流反馈的情况,IC和驱动电路就无法从供电电源中获取电流。这样就关断了整个电源系统,只有关断输入电源以后,才能再次启动。

图2-50　过电流关断电路

上述介绍的这些设计方法,在笔者的一些实际应用中有很大帮助,但同一种工作原理可以有很多不同的执行电路。如果采用不同的设计方法,有一点要牢记:在开关电源的整个工作寿命期间,电源启动这段时间是最易发生损坏的。也就是说,启动过程比其他的任何工作过程都更易发生故障。电源系统各个部分的供电顺序安排也很严格。只有给功率开关管驱动电路完全供电后,控制IC才能输出开关信号。如果不是这样,功率开关管就不是工作在饱和区,功率开关管会因损耗过大而损坏。

另外需要注意的是电阻的额定电压。对于1/4W电阻,额定的损坏电压是直流250V;对于1/2W电阻,额定的损坏电压是直流350V。在离线式变换器中,接到输入线所有分支上的电阻都要用两个串联。