《電子技術(shù)應(yīng)用》
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電壓型CRM Boost PFC小信號建模分析與補(bǔ)償設(shè)計
2015年電子技術(shù)應(yīng)用第1期
嚴(yán)利民1,李茂澤1,姜玉稀2,王 成1,關(guān)彥青3
1.上海大學(xué)微電子中心,上海200444; 2.上海交通大學(xué),上海200240; 3.上海三思電子工程有限公司,上海201100
摘要: 介紹了一種工作電壓控制模式下的CRM-Boost 功率因數(shù)校正(PFC)電路的小信號模型推導(dǎo)過程,該方法是在傳統(tǒng)的態(tài)空間平均法已不再適用的情況下,采用電流注入等效電路的方法來推導(dǎo)其數(shù)學(xué)模型,并在小信號數(shù)學(xué)模型的基礎(chǔ)上設(shè)計了控制環(huán)路的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。最后在專業(yè)開關(guān)電源設(shè)計仿真平臺SIMetrix/SIMPLIS中實現(xiàn)了一個10 W的CRM-Boost-PFC實例設(shè)計,仿真驗證了該小信號建模方法和補(bǔ)償設(shè)計的合理性。
中圖分類號: TN702
文獻(xiàn)標(biāo)識碼: A
文章編號: 0258-7998(2015)01-0145-04
Small-signal modeling analysis and compensation design for CRM Boost PFC converters in voltage-control-mode
Yan Liming1,Li Maoze1,Jiang Yuxi2,Wang Cheng1,Guan Yanqing3
1.Shanghai University Microelectronic R&D Center,Shanghai 200444,China; 2.Shanghai Jiao-tong University,Shanghai 200240,China; 3.Shanghai SANSI Electronic Engineering Co.,Ltd.,Shanghai 201100,China
Abstract: In this paper a small-signal model of CRM Boost PFC in voltage controlled model is derived under the circumstance of State-Space Averaging Method is becoming invalid. Firstly, the current injected equivalent circuit approach is adopted to derive its mathematical model. And then, based on the derivation of this model, a compensator is designed to make the system much more stable. Finally, a 10 W CRM-Boost PFC converter is designed on a professional switch supply simulation platform SIMetrix/SIMPLIS, which well verifies the derivation and the compensator design.
Key words : voltage controlled model;CRM Boost PFC;small-signal model;loop stability

  

0 引言


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  目前開關(guān)電源的功率因數(shù)都需要滿足各種國際國內(nèi)標(biāo)準(zhǔn),為了滿足功率因數(shù)的要求,需要設(shè)計功率因數(shù)校正電路。其中帶有APFC電源驅(qū)動的設(shè)計中通常都是在橋式整流與DC-DC中間加上功率因數(shù)(PF)校正電路,正如圖1所示[1]。該部分電路可以工作在CCM、DCM、CRM 3種導(dǎo)通模式下。對于輸出功率小于100 W的系統(tǒng)優(yōu)先選擇CRM導(dǎo)通模式,CRM導(dǎo)通模式可實現(xiàn)ZCT-Boost,可有效地降低開關(guān)損耗和開關(guān)應(yīng)力,也可以降低EMI干擾。

  由于現(xiàn)有的論文里絕大部分是對電流控制模式和電壓控制模式中CCM和DCM的研究[2-6],極少有關(guān)于CRM下小信號建模的研究,尤其是在電壓控制模式下。因此本文著重對電壓模式下CRM-Boost-PFC的小信號建模進(jìn)行詳細(xì)的分析和推導(dǎo),并由此推導(dǎo)做出了對應(yīng)的補(bǔ)償器的設(shè)計。最后用一個10 W Boost-PFC設(shè)計實例驗證了小信號分析及補(bǔ)償設(shè)計的合理性。

1 電壓型控制模式的優(yōu)缺點

  開關(guān)電源IC的系統(tǒng)設(shè)計中控制形式的確定很重要。由于電壓控制模式和電流控制模式有著明顯的結(jié)構(gòu)區(qū)別,它們也有各自的特點。

  電壓控制模式是最早在穩(wěn)壓電源設(shè)計中采用的方法,這種設(shè)計的主要特性是只存在一條電壓反饋通路,而脈寬調(diào)制是通過將放大的誤差電壓信號與斜波信號進(jìn)行比較來完成的,過流檢測必須單獨執(zhí)行。因此電壓控制模式擁有如下優(yōu)點[2]:

  首先它采用單個反饋環(huán)路,因而比較容易設(shè)計和分析。其次它用一個大幅度斜波提供了用于實現(xiàn)穩(wěn)定調(diào)制過程中充分的噪聲裕量。除此之外,低阻抗功率輸出為多輸出電源提供了更加優(yōu)良的交叉調(diào)制性能。與電壓模式相比,電流模式對上述缺點都有所優(yōu)化,但又引入了新的問題,例如增加了反饋環(huán)路數(shù)量后補(bǔ)償變難,當(dāng)占空比大于50%時,需要采用斜波補(bǔ)償?shù)姆椒▉矸€(wěn)定環(huán)路等。如果對電壓控制型的缺點加以改善,例如加入電壓前饋來采樣輸入電壓,正如UCC3570。改進(jìn)后它會擁有巨大的優(yōu)勢。

2 電壓控制模式的CRM-Boost PFC工作原理


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  圖2為電壓控制型升壓轉(zhuǎn)換器的系統(tǒng)框圖,由圖可看出,典型電壓控制模式的IC沒有乘法器,且只有一個電壓控制回路。電壓控制型有輸出電壓采樣和零電感電流采樣,不對輸入電壓采樣。因此電壓控制模式適合于系統(tǒng)對動態(tài)響應(yīng)要求不高且?guī)Ш愣ㄘ?fù)載的開關(guān)電源中。

  圖2的電壓控制系統(tǒng)通過采樣網(wǎng)絡(luò)R1和R2對輸出電壓采樣,采樣后信號送入誤差放大器的反相端,其正相端為參考電壓,誤差放大器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)放大的誤差信號與斜波信號進(jìn)行比較的結(jié)果送入RS觸發(fā)器的R端。RS觸發(fā)器的S端接收電感/電流檢測信號的觸發(fā),RS觸發(fā)器的輸出送給驅(qū)動器使功率開關(guān)管工作。

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  正常工作時如圖3所示,功率開關(guān)管只有在電感電流為零時才開通,且Vramp也只有在電感電流為0時才開始上升。只要Vramp上升至Vctrl,功率開關(guān)管會立即被斷開。

3 小信號模型推導(dǎo)

  電壓控制模式下的功率開關(guān)管工作在恒定導(dǎo)通時間且變頻的工作狀態(tài),傳統(tǒng)的態(tài)空間平均法來已不再適用。只能采用電流注入等效電路的方法來建立其數(shù)學(xué)模型[7-8]。在小信號模型分析之前先假設(shè):

  (1)變換器中的電感和電容都是理想元器件。

  (2)變換器中的功率開關(guān)管和二極管是理想元器件。

  (3)輸出Cout電容產(chǎn)生的電壓紋波足夠小。

  (4)功率級輸入電壓Vin(t)在一個開關(guān)周期里是恒定的,Vm為其峰值。Ts相對于TL足夠小。

  對于Boost-PFC,在單個開關(guān)周期,傳輸?shù)捷敵龆O管的平均電流為:

  1.png

  其中Ddis為放電時間占空比,對于臨界導(dǎo)通模式,Ddis為:

  23.png

  整理可得:

  4.png

  因此,半個AC周期的平均值為:

  5.png

  分別對Ton、Vout、Vm求微分運算再求和:

  6.png

  令6+.png。因此該系統(tǒng)功率級的小信號等效電路可用圖4表示。

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  假設(shè)Vctrl與Ton的關(guān)系為K=ctrl/Ton。因此:

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4 補(bǔ)償設(shè)計實例



  該設(shè)計系統(tǒng)級要求如表1所示,其原理圖如圖5所示。本文的第3節(jié)已經(jīng)對該類型控制電路做了小信號分析,得到了輸入到輸出和控制端到輸出的傳遞函數(shù),為補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計做了理論分析。要使補(bǔ)償后的系統(tǒng)穩(wěn)定,需滿足以下條件[9]:首先要靜態(tài)誤差電壓為足夠??;其次要補(bǔ)償后相位裕量至少為45°;最后系統(tǒng)的穿越頻率為線電壓頻率的1/5~1/10。

006.jpg

  首先對要建立的開環(huán)系統(tǒng)進(jìn)行補(bǔ)償前AC仿真,沒有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時,仿真結(jié)果如圖6。從該波特圖中可以看出,相位裕度滿足要求,但系統(tǒng)的穿越頻率太高,無法對輸入電壓中100 Hz的紋波進(jìn)行抑制,不滿足設(shè)計要求,因此要加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使系統(tǒng)得到優(yōu)化。

  設(shè)定控制IC的系統(tǒng)要求當(dāng)Vctrl變化量在1 V~4 V時,導(dǎo)通時間Ton變化范圍為0.5 μs~12 μs。因此開環(huán)情況下,由系統(tǒng)參數(shù)規(guī)格確定輸入到輸出和控制到輸出的傳遞函數(shù)為如下:

  910.png

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  由于開環(huán)控制環(huán)路只有一個低頻極點,所以選擇Ⅱ型補(bǔ)償,如圖7所示。該結(jié)構(gòu)提供一個抵消低頻極點的零點,再給環(huán)路一個零頻率極點和高頻極點[9]。低頻零頻率極點可以提高低頻增益,改善靜態(tài)誤差;低頻零點提高相位裕量,增大阻尼,降低超頻和調(diào)節(jié)時間;高頻極點可提高降噪性能。

  該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)如下:

  11.png

  由系統(tǒng)控制到輸出的傳遞函數(shù)確定的補(bǔ)償方案如下:

  12.png

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  通過計算,該CRM-Boost-PFC功率級參數(shù)和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的參數(shù)如表2所示。最后通過建立如圖8所示系統(tǒng)的小信號模型,并進(jìn)行AC分析,得到如圖9補(bǔ)償后環(huán)路波特圖和如圖10帶補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的誤差放大器的波特圖。通過仿真可以看到,通過補(bǔ)償后的環(huán)路,其相位裕度為52°,穿越頻率為12 Hz。系統(tǒng)穩(wěn)定且對100 Hz的紋波有很好的抑制作用。確定補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后又對整個系統(tǒng)做了瞬態(tài)仿真,結(jié)果如圖11。整個系統(tǒng)啟動140 ms后完全穩(wěn)定了下來,輸出電壓的紋波控制5 V以內(nèi),達(dá)到了設(shè)計的目的。

5 結(jié)論

  本文針對工作于變頻狀態(tài)的電壓控制型CRM導(dǎo)通模式的Boost PFC轉(zhuǎn)換器進(jìn)行了小信號分析,在狀態(tài)空間平均法不適用的情況下用電流注入等效電路法進(jìn)行了小信號建模,并給出了合理的補(bǔ)償設(shè)計方案;在SiMetrix/SIMPLIS仿真平臺下進(jìn)行了實例設(shè)計,通過該設(shè)計驗證了該小信號分析方法及補(bǔ)償設(shè)計的合理性。該方法不僅對變頻系統(tǒng)板級的分析與設(shè)計有重要的意義,也對變頻系統(tǒng)的控制芯片系統(tǒng)級設(shè)計有重要的指導(dǎo)作用。

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