補(bǔ)償電源的工作原理及其應(yīng)用場(chǎng)景和效果

補(bǔ)償電源是指通過(guò)在電力系統(tǒng)中增加電容來(lái)補(bǔ)償無(wú)功功率，從而提高功率因數(shù)，改善供電品質(zhì)，減少電力損失，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，并滿足電力系統(tǒng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)谋O(jiān)測(cè)要求。??

補(bǔ)償電源的工作原理主要是通過(guò)在電力系統(tǒng)中增加電容來(lái)補(bǔ)償負(fù)載所需的無(wú)功功率。電力系統(tǒng)的負(fù)載多數(shù)是電感性的，這會(huì)導(dǎo)致電力系統(tǒng)消耗無(wú)功電力，使負(fù)載電流相位滯后于電壓。通過(guò)在系統(tǒng)中增加電容，可以改善功率因數(shù)，減少線路損耗，并滿足電力系統(tǒng)對(duì)無(wú)功補(bǔ)償?shù)谋O(jiān)測(cè)要求。

補(bǔ)償電源的應(yīng)用場(chǎng)景和效果

?改善供電品質(zhì)?：通過(guò)補(bǔ)償無(wú)功功率，可以提高供電系統(tǒng)的電壓穩(wěn)定性和電流質(zhì)量。

?減少電力損失?：提高功率因數(shù)后，線路總電流降低，從而減少供電端與用電端的電力損失。

?延長(zhǎng)設(shè)備壽命?：減少設(shè)備和線路的負(fù)荷，降低溫度，延長(zhǎng)使用壽命。

?滿足監(jiān)測(cè)要求?：消除因功率因數(shù)過(guò)低而產(chǎn)生的罰款。

靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)

靜止無(wú)功補(bǔ)償裝置(SVC)是一種重要的無(wú)功補(bǔ)償設(shè)備，它可以通過(guò)調(diào)節(jié)電抗器和電容器的容量來(lái)濾除電網(wǎng)諧波，并保持在較高的功率因數(shù)。SVC通常由固定電容器、固定電抗器和可控硅電子開(kāi)關(guān)組成，能夠?qū)崿F(xiàn)連續(xù)調(diào)節(jié)無(wú)功功率。

隨著電子技術(shù)的飛速發(fā)展，現(xiàn)代電子測(cè)量裝置往往需要負(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(yùn)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(cè)量裝置運(yùn)行的性能，嚴(yán)重的話會(huì)使測(cè)量的數(shù)據(jù)大大偏離預(yù)期。目前，電子測(cè)量裝置的負(fù)電源通常采用抗干擾能力強(qiáng)，效率高的開(kāi)關(guān)電源供電方式。以往的隔離開(kāi)關(guān)電源技術(shù)通過(guò)變壓器實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓的輸出，但這會(huì)增大負(fù)電源的體積以及電路的復(fù)雜性。而隨著越來(lái)越多專用集成DC/DC控制芯片的出現(xiàn)，使得電路簡(jiǎn)單、體積小的非隔離負(fù)電壓開(kāi)關(guān)電源在電子測(cè)量裝置中得到了越來(lái)越廣泛的應(yīng)用。因此，對(duì)非隔離負(fù)電壓開(kāi)關(guān)電源的研究具有很高的實(shí)用價(jià)值。

本文旨在幫助設(shè)計(jì)人員了解DC-DC補(bǔ)償?shù)墓ぷ髟?、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的必要性以及如何使用正確的工具輕松獲得有效的結(jié)果。該方法使用LTspice中的一個(gè)簡(jiǎn)單電路，此電路基于電流模式降壓轉(zhuǎn)換器的一階(線性)模型。使用此電路，無(wú)需執(zhí)行復(fù)雜的數(shù)學(xué)計(jì)算即可驗(yàn)證補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)值。

設(shè)計(jì)DC-DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，應(yīng)仔細(xì)選擇FET、電感、電流檢測(cè)電阻和輸出電容等元件，以匹配所需的輸出電壓紋波和瞬態(tài)性能。在設(shè)計(jì)功率級(jí)之后，閉合環(huán)路也很重要。DC-DC電源包含一個(gè)使用誤差放大器(EA)的負(fù)反饋環(huán)路。在負(fù)反饋系統(tǒng)中傳播的信號(hào)可能會(huì)在其路徑中遇到極點(diǎn)和零點(diǎn)。單個(gè)極點(diǎn)會(huì)使信號(hào)相位減小約90°，并使增益斜率減小-20 dB/Dec，而單個(gè)零點(diǎn)會(huì)使相位增加約90°，并使增益提高+20 dB/Dec。如果信號(hào)的相位減小-180°，則負(fù)反饋環(huán)路可能變成正反饋環(huán)路并發(fā)生振蕩。保持環(huán)路穩(wěn)定并避免振蕩是電源的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則。

測(cè)試DC-DC穩(wěn)定性的方法有兩種。第一種是頻率響應(yīng)分析(FRA)，此方法將會(huì)創(chuàng)建波特圖。第二種方法是時(shí)域分析，此方法將會(huì)使負(fù)載電流發(fā)生瞬變，并可觀察到輸出電壓的欠沖和過(guò)沖響應(yīng)。為了實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的設(shè)計(jì)，應(yīng)確保避免相位降低-180°的情況，并保持相位裕量(PM)大于45°。相位裕量為60°是較為理想的情況。當(dāng)電源設(shè)計(jì)的帶寬(BW)較寬時(shí)，器件對(duì)電流負(fù)載變化的響應(yīng)會(huì)更快。電源的帶寬是0 dB增益與頻率軸交點(diǎn)的頻率。該頻率也稱為交越頻率Fc，可觀察到其相位高于45°。DC-DC轉(zhuǎn)換器的帶寬是其開(kāi)關(guān)頻率Fsw的導(dǎo)數(shù)，通常在Fsw/10 < Fc < Fsw/5的范圍內(nèi)。越趨近于Fsw/5則意味著帶寬越寬，實(shí)現(xiàn)起來(lái)也會(huì)更難。帶寬越寬，相位越低，因此需進(jìn)行設(shè)計(jì)權(quán)衡。增益裕量(GM)是指Fsw/2和–180°處的負(fù)增益，-8 dB或更高的值將能很好地衰減可能的開(kāi)關(guān)噪聲，或減小相移-180°時(shí)的增益可能性。我們希望以-20 dB/Dec的斜率穿過(guò)0 dB點(diǎn)。

圖1.波特圖，顯示了帶寬、相位、增益裕量和0 dB時(shí)的交越頻率Fc

圖2.電源帶寬越寬，器件對(duì)電流負(fù)載變化的響應(yīng)越快

功率級(jí)LC濾波器

功率級(jí)LC濾波器是指給定拓?fù)?降壓、升壓等)的電感和等效輸出電容。各種拓?fù)涑Ｓ玫募軜?gòu)有兩種：電壓模式(VM)和電流模式(CM)。VM架構(gòu)和CM架構(gòu)中的同一LC濾波器會(huì)產(chǎn)生不同行為。簡(jiǎn)單說(shuō)來(lái)，用于VM架構(gòu)的LC濾波器會(huì)增加兩個(gè)極點(diǎn)。CM架構(gòu)額外包含一個(gè)電流檢測(cè)反饋路徑，有助于消除LC濾波器的雙極點(diǎn)。VM架構(gòu)則難以做出補(bǔ)償，因?yàn)長(zhǎng)C雙極點(diǎn)需要更多的零點(diǎn)來(lái)抵消雙極點(diǎn)效應(yīng)，因此需要更多元件。

降壓VM架構(gòu)和LC頻率行為 由于等效輸出電容CEQ及其等效ESR (ESREQ)，LC濾波器將導(dǎo)致增加兩個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)：

LC濾波器雙極點(diǎn)位置與LC寄生電阻無(wú)關(guān)。電感和等效電容值越大，雙極點(diǎn)位置就會(huì)越靠近頻率軸的原點(diǎn)0 Hz。如果CEQ及其ESREQ值較高，則LC濾波器零點(diǎn)頻率位置將向左移動(dòng)或更接近0 Hz。VM中的LC濾波器行為如圖3所示，其仿真結(jié)果如圖4所示。紅線和藍(lán)線之間的差異是電容ESR值造成的，分別為1 mΩ和100 mΩ。Fr位置相同，因?yàn)長(zhǎng)C值沒(méi)有改變，但零點(diǎn)位置因ESR值的改變而變化。

圖3.VM降壓LC濾波器行為的簡(jiǎn)化模型電路

圖4.簡(jiǎn)化VM降壓LC濾波器行為的仿真結(jié)果

對(duì)于VM架構(gòu)，LC濾波器會(huì)增加兩個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)。頻率響應(yīng)形狀始終相同：斜率變化為0 dB/Dec至-40 dB/Dec至-20 dB/Dec。極點(diǎn)和零點(diǎn)的位置取決于電感、總電容和等效電容ESR值。

CM架構(gòu)和LC頻率行為 可以通過(guò)電壓控制電流源來(lái)仿真CM中LC濾波器的頻率行為，如圖5所示。ESR在兩個(gè)數(shù)值間步進(jìn)，以凸顯零點(diǎn)位置的差異。由下式計(jì)算得出CM降壓架構(gòu)中LC濾波器的極點(diǎn)位置：

RLOAD為負(fù)載電阻，即輸出電壓與電流的比值。例如，若輸出電壓為5 V，負(fù)載電流為2 A，則RLOAD將等于5 V/2 A = 2.5 Ω。零點(diǎn)位置由等效輸出電容及其等效ESR決定。同VM架構(gòu)類(lèi)似，1 mΩ和100 mΩ ESR對(duì)應(yīng)的兩個(gè)零點(diǎn)值為：

圖5.電壓控制電流源用作CM降壓的模型;ESR為步進(jìn)式

對(duì)于CM架構(gòu)，LC濾波器會(huì)增加一個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)。頻率響應(yīng)形狀始終相同：斜率變化為0 dB/Dec至-20 dB/Dec至0 dB/Dec。極點(diǎn)/零點(diǎn)的頻率位置取決于輸出電容、等效ESR和負(fù)載值。

補(bǔ)償器

LC濾波器會(huì)導(dǎo)致相位損失。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)用于補(bǔ)償相位，通過(guò)向環(huán)路添加極點(diǎn)和零點(diǎn)，可抵消LC濾波器引起的相位滯后/超前和增益變化。

圖6.CM降壓LC濾波器頻率響應(yīng)形狀的仿真

電流模式架構(gòu)補(bǔ)償器

CM架構(gòu)補(bǔ)償器稱為2型補(bǔ)償器。圖7所示為2型補(bǔ)償器。 AD8038 為EA，R2、R3為反饋電阻，R4為電阻，V1通過(guò)R4將頻率注入環(huán)路以執(zhí)行FRA。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由R1、C1和C2組成。

圖7.LTspice中的2型補(bǔ)償器模型

零點(diǎn)/極點(diǎn)和增益的預(yù)期結(jié)果：

Gain(bzp)為零點(diǎn)和極點(diǎn)之間的增益，由R1與R3的比值決定。Gain(rz)為直流增益。在上述計(jì)算過(guò)程中，原點(diǎn)處的極點(diǎn)使用1 Hz的頻率;因此，補(bǔ)償器的初始斜率為-20 dB/Dec。圖8顯示仿真結(jié)果與計(jì)算值密切相關(guān)。

圖8.2型補(bǔ)償器仿真結(jié)果、極點(diǎn)/零點(diǎn)位置和斜率變化

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