鉅大鋰電 | 點擊量：0次 | 2020年05月19日
新型非隔離負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源的設(shè)計
引言
隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電子測量裝置往往要負(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量裝置運行的性能，嚴(yán)重的話會使測量的數(shù)據(jù)大大偏離預(yù)期。目前，電子測量裝置的負(fù)電源通常采用抗干擾能力強，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)通過變壓器實現(xiàn)負(fù)電壓的輸出，但這會增大負(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)，使得電路簡單、體積小的非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源在電子測量裝置中得到了越來越廣泛的應(yīng)用。因此，對非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源的研究具有很高的實用價值。
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。由于圖2的開關(guān)器件要接在電源的負(fù)極，這會使得其控制電路會比圖1來得復(fù)雜，因此在市場也沒有實現(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。
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)電源工作在持續(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，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，輸出電感L1中的電流改由通過肖特基二極管VD1供應(yīng)的低阻抗回路繼續(xù)給輸出電容C1充電直至下一個周期電源控制器LT1935內(nèi)部的功率三極管再次導(dǎo)通。可見電容C1在輸出電感L1儲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，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，降低了輸出紋波電流的影響，進(jìn)而大大新增系統(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態(tài)響應(yīng)，另一方面還能實現(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償電路，非隔離負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源反饋回路設(shè)計即轉(zhuǎn)換為補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計，進(jìn)而大大簡化了反饋回路的設(shè)計。
圖4非隔離負(fù)電壓DC/DC開關(guān)電源硬件電路圖
2補償網(wǎng)絡(luò)
2.1非隔離負(fù)電壓開關(guān)電源小信號建模
圖5非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源等效功率級電路原理圖
圖6非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源CCM大信號模型
圖7非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源CCM小信號模型
2.2補償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計
圖8CCM-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償?shù)挠绊懀瑒t輸出電感電流等于控制電流，即：
圖9CCM-pWM型非隔離負(fù)電壓Buck開關(guān)電源小信號模型
分析可知，控制對象Ap（s）為單極點型控制對象，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。
圖10CCM-CpM型電壓外環(huán)系統(tǒng)框圖
圖11補償網(wǎng)絡(luò)硬件電路圖
注意Vf的值應(yīng)在適中的范圍，當(dāng)取值太大，會降低系統(tǒng)的信噪比。當(dāng)取值太小，系統(tǒng)的靈敏度和穩(wěn)態(tài)特性都會下降。
補償網(wǎng)絡(luò)的動態(tài)特性通過電容C2、C3、C4來補償。其中電容C2引入超前校正，有效的提高了系統(tǒng)的動態(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用途。因此通過合理的選擇C2、C4、C4的電容值，可以使系統(tǒng)獲得較滿意的動態(tài)補償效果。
3實驗研究
對圖4所示的電路進(jìn)行實驗研究，實驗電路的重要參數(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。
圖12滿載時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。可見在滿載時系統(tǒng)不會出現(xiàn)過高的峰值電流，電感電流的波動小，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滿載時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)計方法。在持續(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條件下的小信號模型，設(shè)計了電壓外環(huán)的補償網(wǎng)絡(luò)，增強了系統(tǒng)的整體性能。實驗測試表明，本方法簡單、合理、可行，具有一定的工程實際意義。
