當(dāng)前位置:首頁(yè) > 電源 > 電源
[導(dǎo)讀]引言  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?! ∝?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

引言

  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。

  傳統(tǒng)的非隔離負(fù)電壓開(kāi)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(jiàn),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(qiáng)。由于圖2的開(kāi)關(guān)器件要接在電源的負(fù)極,這會(huì)使得其控制電路會(huì)比圖1來(lái)得復(fù)雜,因此在市場(chǎng)也沒(méi)有實(shí)現(xiàn)圖2電路結(jié)構(gòu)(類(lèi)似于線性穩(wěn)壓電源調(diào)節(jié)芯片7915功能)的負(fù)電壓開(kāi)關(guān)電源控制芯片。

  為了彌補(bǔ)現(xiàn)有非隔離負(fù)電壓開(kāi)關(guān)電源技術(shù)的不足,以獲得一種帶負(fù)載能力強(qiáng)、輸出紋波小的非隔離負(fù)電壓開(kāi)關(guān)電源,本文提出一種采用Boost開(kāi)關(guān)電源控制芯片LT1935及分立元件實(shí)現(xiàn)了圖2所示原理的基于峰值電流控制的新型非隔離負(fù)電壓DC/DC開(kāi)關(guān)電源。

 

圖1 傳統(tǒng)的非隔離負(fù)電壓開(kāi)關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)1

 

圖2 傳統(tǒng)的非隔離負(fù)電壓開(kāi)關(guān)電源電路結(jié)構(gòu)2

 

圖3 兩種開(kāi)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(jì)的非隔離負(fù)電壓DC/DC開(kāi)關(guān)電源如圖4所示,負(fù)電源工作在連續(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(shí),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(shí),輸出電感L1中的電流改由通過(guò)肖特基二極管VD1提供的低阻抗回路繼續(xù)給輸出電容C1充電直至下一個(gè)周期電源控制器LT1935內(nèi)部的功率三極管再次導(dǎo)通??梢?jiàn)電容C1在輸出電感L1儲(chǔ)存能量和釋放能量的過(guò)程中均獲得充電,從而減小了輸出紋波電壓。同時(shí),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(guò)輸出電感L1,這很大程度上抑制了輸出電流的波動(dòng),降低了輸出紋波電流的影響,進(jìn)而大大增加系統(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(dòng)態(tài)響應(yīng),另一方面還能實(shí)現(xiàn)快速的過(guò)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(bǔ)償電路,非隔離負(fù)電壓DC/DC開(kāi)關(guān)電源反饋回路設(shè)計(jì)即轉(zhuǎn)換為補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì),進(jìn)而大大簡(jiǎn)化了反饋回路的設(shè)計(jì)。

  為防止過(guò)高的直流電源對(duì)電源控制器的危害,這里使用穩(wěn)壓管VD2和VD3實(shí)現(xiàn)過(guò)電壓保護(hù)。

 

圖4 非隔離負(fù)電壓DC/DC開(kāi)關(guān)電源硬件電路圖[!--empirenews.page--]2 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

  2.1 非隔離負(fù)電壓開(kāi)關(guān)電源小信號(hào)建模

  從本質(zhì)上來(lái)講,本文介紹的非隔離負(fù)電壓DC/DC開(kāi)關(guān)電源為非隔離負(fù)電壓Buck開(kāi)關(guān)電源,其等效功率級(jí)電路原理圖如圖5所示,這里考慮了輸出濾波電容的等效串聯(lián)電阻Resr對(duì)系統(tǒng)的影響。

 

圖5 非隔離負(fù)電壓Buck開(kāi)關(guān)電源等效功率級(jí)電路原理圖

圖6給出圖5利用平均電路法建立的非隔離負(fù)電壓Buck開(kāi)關(guān)電源CCM大信號(hào)模型。設(shè)Vi為輸入電壓的穩(wěn)態(tài)值,Vo為輸出電壓的穩(wěn)態(tài)值,Vpc為受控電壓源兩端電壓的穩(wěn)態(tài)值,Ii為輸入電流的穩(wěn)態(tài)值,IL為輸出電感電流的穩(wěn)態(tài)值,D為占空比的穩(wěn)態(tài)值。

 

圖6 非隔離負(fù)電壓Buck開(kāi)關(guān)電源CCM大信號(hào)模型

  引入上述穩(wěn)態(tài)值對(duì)應(yīng)的小信號(hào)擾動(dòng)。

  令:

 

  可以推導(dǎo)出:

 

  若小信號(hào)干擾滿足D,忽略二次項(xiàng)并化簡(jiǎn)等式(3)和等式(4)得,的線性化表達(dá)式為:

 

  根據(jù)等式(5)和等式(6),即可得到圖7所示的用理想變壓器表示非隔離負(fù)電壓Buck開(kāi)關(guān)電源的CCM小信號(hào)模型。

 

圖7 非隔離負(fù)電壓Buck開(kāi)關(guān)電源CCM小信號(hào)模型

2.2 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)

  圖8為電流連續(xù)模式下峰值電流控制(CCMCPM)型非隔離負(fù)電壓Buck開(kāi)關(guān)電源的系統(tǒng)框圖。控制環(huán)路包括了電流內(nèi)環(huán)和電壓外環(huán)兩個(gè)部分。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)屬于電壓外環(huán),因此設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)需要先建立包含電流控制內(nèi)環(huán)的小信號(hào)模型。

 

圖8 CCM-CPM型非隔離負(fù)電壓Buck開(kāi)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(bǔ)償?shù)挠绊?,則輸出電感電流等于控制電流,即:

 

  根據(jù)圖7所示的非隔離負(fù)電壓Buck開(kāi)關(guān)電源CCM小信號(hào)模型,同時(shí)將等式(7)帶入化簡(jiǎn)得,CCM-CPM型非隔離負(fù)電壓Buck開(kāi)關(guān)電源的動(dòng)態(tài)方程為:

 

  利用等式(8)和等式(9)可以很容易的建立圖9所示的CCM-CPM型非隔離負(fù)電壓Buck開(kāi)關(guān)電源小信號(hào)模型。

 

圖9 CCM-PWM型非隔離負(fù)電壓Buck開(kāi)關(guān)電源小信號(hào)模型

考慮到控制電流與控制電壓滿足:

 

  式中Rs為電流采樣電阻;k為采樣電流放大系數(shù)。將式(10)帶入式(9),得控制電壓與輸出電壓的傳遞函數(shù)Ap ( s)為:

 

  分析可知,控制對(duì)象Ap (s)為單極點(diǎn)型控制對(duì)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。

  因此根據(jù)圖10所示的CCM-CPM型電壓外環(huán)系統(tǒng)框圖,所設(shè)計(jì)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)不僅要提高系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)特性和響應(yīng)速度,而且要增強(qiáng)系統(tǒng)的抗干擾能力。

 

圖10 CCM-CPM型電壓外環(huán)系統(tǒng)框圖

  圖11為實(shí)際非隔離負(fù)電壓DC/DC變換電路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的硬件電路圖。

 

圖11 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)硬件電路圖

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的靜態(tài)放大倍數(shù)與電源控制器反饋引腳相對(duì)于其參考地的靜態(tài)工作電壓Vf成正比,這里的靜態(tài)工作電壓Vf滿足如下關(guān)系式:

 

  注意Vf的值應(yīng)在適中的范圍,當(dāng)取值太大,會(huì)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(huì)下降。

  補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的動(dòng)態(tài)特性通過(guò)電容C2、C3、C4來(lái)補(bǔ)償。其中電容C2引入超前校正,有效的提高了系統(tǒng)的動(dòng)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作用。因此通過(guò)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(dòng)態(tài)補(bǔ)償效果。[!--empirenews.page--]3 實(shí)驗(yàn)研究

  對(duì)圖4所示的電路進(jìn)行實(shí)驗(yàn)研究,實(shí)驗(yàn)電路的主要參數(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。

  由圖12所示的輸出電壓波形可得,利用圖4所示的非隔離負(fù)電壓DC/DC開(kāi)關(guān)電源可以很容易實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓的穩(wěn)定輸出。并且反饋回路的靜態(tài)放大倍數(shù)很大,使輸出的負(fù)電壓有很好的穩(wěn)態(tài)特性。

 

圖12 滿載時(shí)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??梢?jiàn)在滿載時(shí)系統(tǒng)不會(huì)產(chǎn)生過(guò)高的峰值電流,電感電流的波動(dòng)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(kāi)關(guān)電源的高效率工作和帶負(fù)載能力。同時(shí)系統(tǒng)的開(kāi)關(guān)頻率很高,反饋回路的帶寬得到了保證。

  圖13給出了滿載情況下輸出紋波電壓的波形,顯然,輸出紋波電壓的波動(dòng)小,且無(wú)脈動(dòng),輸出紋波電壓得到了很有效的抑制。

 

圖13 滿載時(shí)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(kāi)關(guān)電源設(shè)計(jì)方案。在連續(xù)電流模式下,保證輸出電容能通過(guò)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(shí)結(jié)合平均電路法構(gòu)建該開(kāi)關(guān)電源在CCM條件下的小信號(hào)模型,設(shè)計(jì)了電壓外環(huán)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),增強(qiáng)了系統(tǒng)的整體性能。實(shí)驗(yàn)測(cè)試表明,本方案簡(jiǎn)單、合理、可行,具有一定的工程實(shí)際意義。

本站聲明: 本文章由作者或相關(guān)機(jī)構(gòu)授權(quán)發(fā)布,目的在于傳遞更多信息,并不代表本站贊同其觀點(diǎn),本站亦不保證或承諾內(nèi)容真實(shí)性等。需要轉(zhuǎn)載請(qǐng)聯(lián)系該專欄作者,如若文章內(nèi)容侵犯您的權(quán)益,請(qǐng)及時(shí)聯(lián)系本站刪除。
換一批
延伸閱讀

9月2日消息,不造車(chē)的華為或?qū)⒋呱龈蟮莫?dú)角獸公司,隨著阿維塔和賽力斯的入局,華為引望愈發(fā)顯得引人矚目。

關(guān)鍵字: 阿維塔 塞力斯 華為

倫敦2024年8月29日 /美通社/ -- 英國(guó)汽車(chē)技術(shù)公司SODA.Auto推出其旗艦產(chǎn)品SODA V,這是全球首款涵蓋汽車(chē)工程師從創(chuàng)意到認(rèn)證的所有需求的工具,可用于創(chuàng)建軟件定義汽車(chē)。 SODA V工具的開(kāi)發(fā)耗時(shí)1.5...

關(guān)鍵字: 汽車(chē) 人工智能 智能驅(qū)動(dòng) BSP

北京2024年8月28日 /美通社/ -- 越來(lái)越多用戶希望企業(yè)業(yè)務(wù)能7×24不間斷運(yùn)行,同時(shí)企業(yè)卻面臨越來(lái)越多業(yè)務(wù)中斷的風(fēng)險(xiǎn),如企業(yè)系統(tǒng)復(fù)雜性的增加,頻繁的功能更新和發(fā)布等。如何確保業(yè)務(wù)連續(xù)性,提升韌性,成...

關(guān)鍵字: 亞馬遜 解密 控制平面 BSP

8月30日消息,據(jù)媒體報(bào)道,騰訊和網(wǎng)易近期正在縮減他們對(duì)日本游戲市場(chǎng)的投資。

關(guān)鍵字: 騰訊 編碼器 CPU

8月28日消息,今天上午,2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)開(kāi)幕式在貴陽(yáng)舉行,華為董事、質(zhì)量流程IT總裁陶景文發(fā)表了演講。

關(guān)鍵字: 華為 12nm EDA 半導(dǎo)體

8月28日消息,在2024中國(guó)國(guó)際大數(shù)據(jù)產(chǎn)業(yè)博覽會(huì)上,華為常務(wù)董事、華為云CEO張平安發(fā)表演講稱,數(shù)字世界的話語(yǔ)權(quán)最終是由生態(tài)的繁榮決定的。

關(guān)鍵字: 華為 12nm 手機(jī) 衛(wèi)星通信

要點(diǎn): 有效應(yīng)對(duì)環(huán)境變化,經(jīng)營(yíng)業(yè)績(jī)穩(wěn)中有升 落實(shí)提質(zhì)增效舉措,毛利潤(rùn)率延續(xù)升勢(shì) 戰(zhàn)略布局成效顯著,戰(zhàn)新業(yè)務(wù)引領(lǐng)增長(zhǎng) 以科技創(chuàng)新為引領(lǐng),提升企業(yè)核心競(jìng)爭(zhēng)力 堅(jiān)持高質(zhì)量發(fā)展策略,塑強(qiáng)核心競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)...

關(guān)鍵字: 通信 BSP 電信運(yùn)營(yíng)商 數(shù)字經(jīng)濟(jì)

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 8月21日,由中央廣播電視總臺(tái)與中國(guó)電影電視技術(shù)學(xué)會(huì)聯(lián)合牽頭組建的NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)盟在BIRTV2024超高清全產(chǎn)業(yè)鏈發(fā)展研討會(huì)上宣布正式成立。 活動(dòng)現(xiàn)場(chǎng) NVI技術(shù)創(chuàng)新聯(lián)...

關(guān)鍵字: VI 傳輸協(xié)議 音頻 BSP

北京2024年8月27日 /美通社/ -- 在8月23日舉辦的2024年長(zhǎng)三角生態(tài)綠色一體化發(fā)展示范區(qū)聯(lián)合招商會(huì)上,軟通動(dòng)力信息技術(shù)(集團(tuán))股份有限公司(以下簡(jiǎn)稱"軟通動(dòng)力")與長(zhǎng)三角投資(上海)有限...

關(guān)鍵字: BSP 信息技術(shù)
關(guān)閉
關(guān)閉