自动控制技术在电源管理系统中的应用分析

电源是各种电子设备不可或缺的组成部分, 其性能优劣直接关系到电子设备的技术指标和可靠性指标。近年来, 随着工业领域自控程度的不断提高及民用电器产品的日益高档化, 对稳压电源的结构和性能提出了越来越高的要求。高效、精确、集成、轻便己成为发展的趋势和方向。

传统线性稳压电源虽具稳定度高,输出纹波电压小等优点, 但很难克服其功耗大、体积笨重、转换效率低的不足。而开关电源则以其损耗低、效率高、电路简洁等显著优点受到人们的青睐, 被誉为高效节能电源。开关电源的最大优势在于采用几十甚至几百的高频电路, 这种高频模式可以做到快速的动态响应和输出反馈调节。开关电源由主电路与控制电路两大部分组成。主电路的能量传递给负载电路, 控制电路则按照输入、输出条件控制主电路工作状态, 将控制电路集成化即成为开关电源管理控制。开关电源己有几十年的发展历史。集成电路设计与制造技术的进步以及供开关电源使用的新型元器件和材料的出现, 为开关电源的蓬勃发展提供了必要条件。进入世纪以来, 开关式电能变换技术无论是技术理论还是产业进程, 都以爆炸式的速度飞速发展, 新技术、新产品不断涌现。集成开关电源沿两个方向不断发展: 第一个方向是对开关电源的核心单元——控制电路实现集成化; 第二个方向则是对中、小功率开关电源实现单片集成化。单片开关电源集成电路具有集成度高、性价比高、外围电路简单、性能指标优良等优点, 是开发中小功率开关电源、精密开关电源及开关电源模块的首选集成电路。由它构成的开关电源, 在成本上与同等功率的线性稳压电源相当, 而电源效率显著提高, 体积和重量则大为减小。这就为新型开关电源的推广与普及, 创造了良好的条件。随着各种电池供电便携式电子产品的快速增长, 对电源管理芯片, 特别是变换器的需求将进一步扩大。而电流控制模式由于其具有更好的电压调整率和负载调整率, 系统的稳定性和动态特性得以明显改善, 特别是其内在的限流能力和并联均流能力可以使控制电路简单可靠, 该技术在上世纪年代初公开以后就受到广泛的重视。目前, 小功率变换器正从电压控制模式向电流控制模式方向转化。与电压型相比, 电流型控制技术可以在逐个开关脉冲上响应负载电压的和电流的变化, 从而改善电路的动态特性。

PWM比较器会输出高开关管打开, 直到感应出的电感电流等于控制电压。一旦这条件成立, PWM比较器输出就为低, 把开关管关闭。通过一个固定频率的时钟信号设置一个RS触发器来初始下一个周期的开始。通过这种方式, 电感的峰值电流被控制电压精确控制。直观地, 电流环使电感“扮演了”一个电流源, 这样的结构有很多电流型控制的特性。

占空比是由电感电流和输出电压所决定的, 很难理解这样的结构对变换器有什么作用。要对电流型控制重要特性有一个直观的理解最好是从小信号个性分析入手。

一个峰值电流型控制的小信号框图如图1所示。图中有两个反馈环: 外反馈环反馈电压信息, 同时内部反馈环(Ti)反馈电流信息。电压环作为电压型控制（从输出电压误差产生一个补偿控制电压）。

图1 降压型电流模式PWM开关电源原理框图

电流环— Ti—是电流型控制结构的有区别的成分。电流环的输入是控制电压, 它与感应出的电感电流比较, 设置占空比。占空比转入供电状态（开关元件，电感, 输出电容）, 产生相应的电感电流和输出电压。电感电流通过Ri感应出并反馈回去与Vc比较。

当电流环关闭时一个看似荒谬的情况出现了: 有两个电抗性的元件（L和COUT）和的二阶系统变为一个一阶系统。反馈理论对此提供了解释。实际上, 反馈环控制电感电流很像一个反馈输出电感量和负载值的电流源。因此, 当频率低于电流环带宽时, 电流型的供电状态只有由ROUT//RLOAD阻抗控制的一阶。

然而, 电流环对于供电状态的影响不只是低频。对在电流环内小信号电流扰动的分析显示它很像一个分离时间采样系统。这样一个采样和维持系统在多采样开关频率下有复杂的极点对。在可以高到开关频率一半时, 对采样和维持的二阶近似可以得到精确的结果。这就是对一个电源带宽的理论上的限制。

在峰值电流控制中几个性能参数得到提升。关键的好处是极好的线性调整,简单的补偿设计, 对大的负载变化的快速响应, 固有的“ cycle-by-cycle”电流限制。电流模式的缺点及存在的问题:电流误差及不稳定性——需要斜坡补偿；较浅的斜坡——抗噪声能力差； 直流开环负载调整率差；在多路输出降压线路中环路不规律。

图2是芯片内部电路原理图, 与电压模式相比, 电流模式增加了电流内环的电感电流采样环节、补偿斜坡、RS触发器等模块。工作原理: COMP脚的电压正比于电感峰值电流。在一个周期的开始: 开关管M1是关闭的;M2 是打开的;COMP脚电压高于电流感应放大器输出; 而且电流比较器输出是低。振荡器时钟信号的上升沿对RS触发器置位。它的输出关断M2, 并且打开M1, 从而使SW脚和电感连接到输入电源。不断上升的电感电流被RS感应并通过电流感应放大器放大。斜坡补偿与电流感应放大器输出相加后通过电流比较器与误差放大器输出进行比较。当电流感应放大器输出与斜坡补偿的信号之和超过COMP脚电压时,RS 触发器被重置, 并且回到M1关断, M2打开的初始状态。如果电流感应放大器输出与斜坡补偿的信号之和未超过COMP脚电压, 那么时钟CLK的下降沿重置触发器。误差放大器的输出反映了反馈电压与带隙基准电压0.9V之间的差值。其极性:FB
脚电压低于0.9V, 则COMP脚电压增加。由于COMP脚的电压正比于电感峰值电流,所以COMP脚的电压的增加使传递到输出的电流也随之增加。外部肖特基二极管在M1关断时为电感续流。各模块的功能描述见表1。

图 2 电路原理框图

表 1 内部模块功能描述

参考文献

1. 景欣 降压型开关稳压电源芯片电路的研究与设计 沈阳工业大学报 2009年2月

2. 刘富财 降压型脉宽调制电源管理芯片的研究与设计 2009年1月

3. 孙熠 一种降压式PWMDC_DC电源管理芯片设计 2009年1月

4. 陆渊 一种谐振模式电源管理芯片的设计 2009年1月