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        反激式DC-DC 變換器中補(bǔ)償環(huán)路設(shè)計(jì)

        2021-11-08 10:15:54吳奇松呂士銀
        科技創(chuàng)新與應(yīng)用 2021年30期

        吳奇松,楊 華,呂士銀,解 冀

        (上??臻g電源研究所,上海 200000)

        反激電路簡單,成本低,可靠性高,可以多路輸出,體積小,重量輕,兼具輸入輸出電氣隔離效果,在輸出功率50W 以下的小功率場合,大多采用該拓?fù)鋵?shí)現(xiàn)。但是其存在右半平面零點(diǎn),對系統(tǒng)的穩(wěn)定性有一定的影響。峰值電流控制通過對電壓控制進(jìn)行改良,因此和電壓模式相比具有以下特點(diǎn):較快的暫態(tài)閉環(huán)響應(yīng),同時當(dāng)輸入電壓發(fā)生變化時輸出負(fù)載電壓的瞬態(tài)響應(yīng)也比較快;控制環(huán)較為簡單因此設(shè)計(jì)較為容易;輸入電壓的調(diào)整技術(shù)可與電壓模式控制的輸入電壓前饋控制相媲美;具有簡單自動的磁通平衡功能;具有瞬時峰值限流功能,即在固有的逐個脈沖限流功能;具有自動均流并聯(lián)功能[1]。

        UC1825 是一款高性能的兼具電壓及電流型的開關(guān)電源集成控制器,主要特點(diǎn)有以下幾個方面:具有電壓或電流控制;最大開關(guān)頻率可達(dá)1MHz;傳輸延遲時間不超過50ns;最大峰值電流2A 雙推挽輸出,誤差放大器頻帶較寬;其邏輯電路為雙脈沖抑制;對于單個脈沖電流進(jìn)行限制;電路的欠壓鎖定功能可以滯后[2-3]。

        本文結(jié)合峰值電流控制原理和UC1825 電氣特性,通過理論分析以及仿真實(shí)驗(yàn),設(shè)計(jì)一款開關(guān)頻率為50kHz,42V 輸入,10V 輸出的反激式DC-DC 電路,驗(yàn)證了補(bǔ)償環(huán)路的有效性。

        1 反激電路小信號模型建立

        由圖1 可知,輸出電壓經(jīng)采樣后得到Uo與基準(zhǔn)電壓Vref經(jīng)過誤差放大器得到控制電壓Ue,并經(jīng)過PWM 比較器與采樣電阻Rs上的電壓Us進(jìn)行比較,經(jīng)過時鐘信號的調(diào)整對開關(guān)管進(jìn)行控制。

        圖1 反激電源電路示意圖

        對整個反激控制器進(jìn)行環(huán)路設(shè)計(jì),首先要對整個電路進(jìn)行小信號建模[4],整個電路的小信號模型框圖如圖2。

        圖2 反激電路小信號模型控制框圖

        其中:Gvd(s)為占空比到輸出電壓的傳遞函數(shù);

        Gid(s)為占空比到電感電流的傳遞函數(shù);

        R(s)為電流采樣電阻;

        Fm(s)為調(diào)制器傳遞函數(shù);

        H(s)為電壓反饋傳遞函數(shù);

        Gc(s)為反饋補(bǔ)償環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù)。

        對小信號模型進(jìn)行小信號分析,可以得出反激變換器CCM 模式下各個環(huán)節(jié)的傳遞函數(shù),經(jīng)計(jì)算得出:制電壓到輸出函數(shù)的伯德圖如圖3,可以看出此時整個系統(tǒng)并不穩(wěn)定。

        圖3 控制電壓到輸出函數(shù)的伯德圖

        2 反激電路右半平面零點(diǎn)分析

        根據(jù)前文求出的Flyback 變換器CCM 模式下的傳遞函數(shù)Gvd(s),可以看出系統(tǒng)存在一個右半平面的零點(diǎn),和傳統(tǒng)的零點(diǎn)不同,此零點(diǎn)會對電路造成的一定影響,我們需要進(jìn)行具體的分析。

        零點(diǎn)是頻域范圍內(nèi)的傳遞函數(shù)等于零時產(chǎn)生的。從伯德圖中可以看到,系統(tǒng)增益在零點(diǎn)產(chǎn)生時會以20dB/dec 開始增加。絕大多數(shù)時候我們所遇到為左半平面零點(diǎn),此時系統(tǒng)的增益以20dB/dec 的斜率增加,同時伴隨著90°的相位超前。右半平面零點(diǎn)(RHPZ)則比較特殊,和左半平面零點(diǎn)不同之處在于,它引起了90°的相位滯后。伯德圖如圖4 所示。系統(tǒng)的增益以20dB/dec 的斜率增加,相位在±10fzero的頻率范圍內(nèi)滯后了90°。

        圖4 右半平面零點(diǎn)特性

        當(dāng)反激變換器在CCM 模式下工作時,流過變壓器的電流無法突變,電流連續(xù)。因此提高負(fù)載端的電流,占空比D 會在反饋的調(diào)節(jié)下增大,但流過變壓器的電流是連續(xù)的,因此會降低二極管的電流,導(dǎo)致系統(tǒng)輸出能量降低,濾波電容開始放電,在變換過程的初始階段輸出電壓可能會有一定的減小。整個恢復(fù)過程需要經(jīng)過幾個開關(guān)周期,因此導(dǎo)致響應(yīng)速度會變慢。

        右半平面零點(diǎn)不僅會出現(xiàn)在反激電路的CCM 模式中,在Boost 和Buck-boost 電路中也會出現(xiàn),為解決這一問題的影響,使系統(tǒng)的右半平面零點(diǎn)頻率遠(yuǎn)高于穿越的頻率是比較常用的方法,使得系統(tǒng)獲得的相位裕量足夠,以此保證穩(wěn)定性。

        3 反饋環(huán)路設(shè)計(jì)

        針對整個環(huán)路,因?yàn)榄h(huán)路存在一個右半平面零點(diǎn)和一個ESR 零點(diǎn),需要補(bǔ)償以獲得足夠的相位裕量和增益裕量,常用的補(bǔ)償方法有以下幾種。

        3.1 單極點(diǎn)補(bǔ)償

        單極點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生一個s=0 的極點(diǎn),可以把控制帶寬拉低,在功率部分或者加有其他補(bǔ)償?shù)牟糠窒辔贿_(dá)到180°前使其增益降到0dB,補(bǔ)償所需元器件少,但閉環(huán)帶寬小,暫態(tài)響應(yīng)慢。

        3.2 極點(diǎn)-零點(diǎn)補(bǔ)償

        這是比較常用的補(bǔ)償方式,s=0 處補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生一個極點(diǎn),通常來說負(fù)載及其濾波電容會產(chǎn)生一個極點(diǎn),此極點(diǎn)位于系統(tǒng)低頻處,為解決這一問題,需要補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生一個位于系統(tǒng)帶寬之內(nèi)的零點(diǎn)以穩(wěn)定系統(tǒng),同時補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的高頻極點(diǎn)抵消輸出濾波電容的ESR 零點(diǎn)。

        3.3 雙極點(diǎn)-雙零點(diǎn)補(bǔ)償

        此補(bǔ)償相對比較復(fù)雜,但適用于輸出帶LC 濾波的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)中,s=0 處補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)會產(chǎn)生一個極點(diǎn),同時帶有兩個零點(diǎn)和兩個極點(diǎn),這樣系統(tǒng)帶寬就會在一定頻率范圍內(nèi)保證穩(wěn)定。

        要使負(fù)反饋環(huán)路穩(wěn)定,則系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)需要滿足以下三個條件:

        (1)穿越頻率點(diǎn)的相位裕量范圍為30°-60°。

        (2)幅頻曲線以-20dB 經(jīng)過穿越頻率點(diǎn)。

        (3)相移為-180°時的增益裕度大于-6dB。

        為了使負(fù)反饋環(huán)路穩(wěn)定,綜合分析不同補(bǔ)償?shù)奶攸c(diǎn),選取二型補(bǔ)償作為反饋回路,反饋回路如圖5所示:

        圖5 二型補(bǔ)償反饋回路

        圖6 補(bǔ)償后的開環(huán)伯德圖

        4 仿真結(jié)果及分析

        利用計(jì)算出的結(jié)果進(jìn)行電路仿真,得到的仿真結(jié)果如圖7 所示。

        圖7 仿真結(jié)果圖

        從輸出電壓中可以看出反激電路在30ms 左右后輸出電壓達(dá)到10V,輸出電壓達(dá)到穩(wěn)定,補(bǔ)償環(huán)路有效。

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