前言
目前,，系統(tǒng)中的開關(guān)電源具有兩種不同的工作模式,，當(dāng)電源處于導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)候，可以用不同的模式來描述環(huán)繞在電源扼流圈中的電流,。本文以FLYBACK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為例,，按照其工作原理，可能工作在兩種不同的模式,，但這兩種模式具有相同的功率容量,，則對(duì)應(yīng)這兩種不同的導(dǎo)通模式，在直流和交流情況下會(huì)有非常大的差別,，而且組成電源的元器件會(huì)受不同程度的影響,。根據(jù)眾多實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析，可以看出眾多的離線式電源系統(tǒng),，為了提高系統(tǒng)的可靠性,，降低對(duì)元器件等級(jí)的要求，一般都工作在非連續(xù)區(qū)域,。
本文將首先介紹臨界模式控制原理,，在分析兩種模式工作特點(diǎn)的基礎(chǔ)上，提出臨界模式控制的概念,，并通過不同模式零,、極點(diǎn)的分析，得出針對(duì)FLYBACK結(jié)構(gòu)調(diào)整臨界模式的方案,，提出整體電路系統(tǒng)設(shè)計(jì),，并給出模擬仿真結(jié)果。
臨界模式控制原理
圖1(a)和(b)示出幾個(gè)周期內(nèi)轉(zhuǎn)換器線圈中流過電流的波形示意圖,，從圖中可以看出,，當(dāng)處于導(dǎo)通狀態(tài)的時(shí)候，在電感中建立起來磁場(chǎng),，電流快速上升,；而當(dāng)關(guān)斷后,，電感磁場(chǎng)快速下降，根據(jù)洛侖茲定律,，在電感中建立起反向電動(dòng)勢(shì),，在這種情況下，電流為了保持其電流連續(xù)性,，必須找到其相應(yīng)通路,，并且電流開始減小，例如,，在拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)為FLYBACK的情況下,，可以通過輸出網(wǎng)絡(luò)維持其電流，而在BUCK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)下,，則通過續(xù)流二極管維持其電流,。
如果在電流下降的周期內(nèi)，在電流減至零之前,，電路再次導(dǎo)通的話,，如圖1(a)所示，稱為“連續(xù)導(dǎo)通模式”（CCM）,。而如果當(dāng)關(guān)斷時(shí)期內(nèi),，由于線圈儲(chǔ)能比較有限，導(dǎo)致再次開通之前電流已經(jīng)降為零,，如圖1(b)所示,，出現(xiàn)了一段“死區(qū)時(shí)間”，則對(duì)應(yīng)的工作狀態(tài)稱為“非連續(xù)導(dǎo)通模式”（DCM）,。死區(qū)時(shí)間有長(zhǎng)有短,，而如果將電路設(shè)置成這樣的工作狀態(tài)，就是當(dāng)在關(guān)斷期間,，電流一降到零,，系統(tǒng)立即開啟，則對(duì)應(yīng)的死區(qū)時(shí)間為零,，對(duì)應(yīng)的這種工作狀態(tài)稱為“臨界導(dǎo)通模式”,。
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(a)連續(xù)導(dǎo)通模式（CCM）電流波形示意圖 |
目前總共有三種方法使電路進(jìn)入臨界狀態(tài)：
確定出臨界狀態(tài)對(duì)應(yīng)的電感值LC，但是當(dāng)電感值LC確定后,，在不同負(fù)載情況下，系統(tǒng)卻可能進(jìn)入CCM模式,，也可能進(jìn)入DCM模式,；
已知的某一個(gè)給定電感L情況下，通過確定負(fù)載的大小,，使電路進(jìn)入不同的模式,；
將上述的電感和電阻等關(guān)鍵元器件的值都固定下來,，通過開關(guān)頻率的調(diào)整，使電路進(jìn)入臨界模式,。
臨界模式控制器的設(shè)計(jì)
圖2所示FLYBACK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的轉(zhuǎn)換器,，通過對(duì)它的計(jì)算分析來進(jìn)行進(jìn)一步的解釋。
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(a) FLYBACK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)電路示意圖 |
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(b) 次級(jí)線圈對(duì)應(yīng)電壓波形示意圖 |
為了簡(jiǎn)化分析,，先進(jìn)行如下假設(shè)：
假設(shè)1：每周期內(nèi)電感平均電壓降為0,；
假設(shè)2：根據(jù)圖1(b)所示，當(dāng)L=LC的時(shí)候,，IL(平均)=1/2IP
假設(shè)3：電源功率具有100%的轉(zhuǎn)換效率,，即Pin=Pout
采用上面假設(shè)1，可以確定出在CCM模式下的直流電壓轉(zhuǎn)換率,，根據(jù)圖2(b)可以得到下列關(guān)系式：
根據(jù)圖1(b)可以看出,，對(duì)應(yīng)于臨界模式，意味著在導(dǎo)通狀態(tài)中,，對(duì)線圈中存儲(chǔ)的能量會(huì)在下個(gè)周期開始的時(shí)候正好降為零,，根據(jù)此判斷，可得：
根據(jù)假設(shè)2,，對(duì)上式積分可得：
通過聯(lián)立上述方程,，可確定出對(duì)應(yīng)臨界狀態(tài)的關(guān)鍵元器件的大小：
以上確定了FLYBACK拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換器臨界模式對(duì)應(yīng)的關(guān)鍵參數(shù)值,，也可以確定出,，在保證電源穩(wěn)定和可靠的前提下，DCM模式和CCM模式對(duì)應(yīng)的極點(diǎn)和零點(diǎn)也能夠確定出來,。表1給出了不同操作模式下極點(diǎn)和零點(diǎn)的位置及對(duì)應(yīng)的FLYBACK電壓增益,。
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表1 FLYBACK拓?fù)洳煌Ｊ綄?duì)應(yīng)極點(diǎn)、零點(diǎn)及電壓增益 |
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表1中FSW為開關(guān)頻率,，VSAW對(duì)應(yīng)PWM控制信號(hào)鋸齒波的幅度,，LP為初級(jí)線圈電感。
根據(jù)表1,，采用功率分析軟件Power 4-5-6進(jìn)行模擬,，對(duì)于100kHz頻率、電壓模式PWM控制器進(jìn)行模擬分析,，所得結(jié)果如圖3所示,，其中圖3(a)所示為DCM模式下的高頻極點(diǎn)，圖3(b)所示為CCM模式下的高頻極點(diǎn)模擬結(jié)果,。
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(a) CCM模式下的模擬結(jié)果,； |
從圖3可以看出，DCM模式下,，需要雙極點(diǎn)單零點(diǎn)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),，而CCM模式則需要雙極點(diǎn)雙零點(diǎn)的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),，當(dāng)在DCM模式下的極點(diǎn)和零點(diǎn)固定的情況下，CCM的二級(jí)極點(diǎn)將會(huì)對(duì)應(yīng)于控制信號(hào)的占空比而發(fā)生變化,。