交换式电源供应器回授控制补偿电路的分析与设计

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1、交換式電源供應器回授控制補償電路的分析與設計AnalysisandDesignofFeedbackControlLoopCompensationforSwitchedModePowerSupplies摘要本文主要探討交換式電源供應器回授補償器的分析與設計，利用軟體模擬進行分析比較，將標準零件數值及實際情況納入考慮，找出適合量產的最佳組合，達到縮短研發時程、提升產品穩定度之目的。並以實際案例說明回授補償器的設計過程，透過頻率響應及步階響應驗證結果。本論文重點為補償電路的設計，透過軟體模擬畫出波德圖，再經負載試驗測試暫態響應，

2、確定所設計之交換式電源供應器穩定性是可靠的，本論文結果有助於近年來交換式電源供應器高頻化及小型化之發展。關鍵字:回授控制補償、頻率響應分析前言交換式電源供應器(SPS，Switching-modePowerSupply)的功能是對用電設備和電路提供電能，不僅要求高效率及精確度、更嚴格的要求穩定性。假如SPS供電不穩，不但用電設備和電路無法正常工作，甚至可能因過電壓或過電流而燒毀負載隨著時代進步，電子器材往輕薄短小發展，電子電路愈趨精密，對電源的要求也愈趨嚴苛。在講求速率與效能的趨勢下，電氣系統的時間常數比傳統的機電系統短得

3、多，動態特性（Dynamiccharacteristic）要求回應速度（Timeresponse）愈短愈佳。欲使SPS能快速地轉換和調節穩定之電能輸出，控制技術在其中扮演著重要的角色，回授控制（Feedbackcontrol）之補償設計（Compensatordesign）是非常重要的一環，因為SPS的回授控制迴路影響電源供應器的性能與穩定性。回授補償若設計不佳，一旦負載瞬間變動時，SPS輸出電壓會呈現不穩定、失控、振盪之現象，不但無法正常供電，甚至導致本身燒毀或燒毀用電設備和電路的嚴重後果。交換式電源電路簡要分析交換式電

4、源電路的結構方塊圖，如圖1所示：由輸入整流濾波電路(DC/DC電源不須此電路)、轉換器、控制電路及驅動電路所組成，交換式電源電路可以概分成主電路和控制電路兩個主要的部分[1]。主電路為功率級(powerstage)，是功率處理的部分，包括輸入整流濾波、電子開關、變壓器、輸出整流及濾波電路，通常稱為轉換器(converter)、調制器(modulator)或受控器(plant)。控制電路為控制信號的處理部分，包括採樣電路(通常是一個分壓器)、誤差放大（erroramp）及補償網路(compensationnetwork)、脈

5、衝寬調制器(PWM)和驅動電路。交換式電源是一個閉迴路自動穩定系統，由控制部分將控制量與基準參考電壓值比較，誤差放大器放大誤差信號給脈衝寬調制器(PWM)和驅動電路控制轉換器。功率處理的部分轉換能量，把控制信號轉為對輸出電壓或電流的控制，經濾波器濾波後，使輸出達到要求。圖1交換式電源電路的結構方塊圖交換式電源供應器的回授控制交換式電源的控制部分是回授控制電路，主要由運算(誤差)放大器、參考電壓、邏輯電路(Gate、Latch)組成。控制法分為電壓模式及電流模式[2]：1.電壓模式控制法（voltagemodecontrol

6、）：電壓模式控制的電路結構如圖2所示，為單一迴路控制系統，只對輸出電壓採樣，採樣所得之回授信號Vf，經由誤差信號放大器與參考電壓Vref比較，得到誤差信號Ve，然後將誤差信號Ve與鋸齒波信號Vst比較後，輸出脈衝控制信號，控制電子開關的導通或關閉。輸出電壓低時脈衝較寬，電子開關導通時間較長，使輸出電壓提升。電壓模式控制法的優點是對雜訊干擾拒斥力強，回授迴路容易分析設計。圖2電壓模式控制法2.電流模式控制法（currentmodecontrol）：電流控制模式的電路結構如圖3所示，使用雙回授線路來控制功率電子開關的導通與截止

7、。一個電阻值甚小的精密電阻或比流器CT，串接於功率電子開關MOSFET的源極或電感，檢知其電流的大小。藉由輸出電壓與電感電流兩個參數值，決定電子開關MOSFET的導通時間。電流模式控制法的回授信號Vf與參考電壓Vref比較所得到誤差信號Ve，並不直接控制功率電子開關，而是作為電流預定到達之目標值，以固定時脈設定RS栓輸出高電位，驅動功率電子開關開始導通，變壓器初級(電感)電流增加。當電流在感知電阻Rs上的電壓Vs達到Ve時，亦即電感電流到達預定值，比較器轉態使RS栓重置，主開關電晶體關閉，直到下一個時脈再由RS栓驅動電晶體

8、導通。圖3電流模式控制法電流模式控制法係逐個脈衝來檢測和調節電流。峰值電流的上限，經由誤差信號來確立，能夠準確的限制電感電流和功率電子開關的電流，保證轉換器確實的運作。當電源或負載發生變化時，能迅速反應、調整。例如輸入電壓升高，則電感電流增加，對電流模式控制而言，電流只要達到Ve，比較器即動作關閉電流，