开关电源环路的零极点可以在反馈端补偿吗_【鼎阳硬件智库原创|电源】相位补偿技术在线性电源中的应用...

何庆松 鼎阳硬件设计与测试智库专家组成员

1、引言

在实际工作中&＃xff0c;经常会遇到电路的自激问题&＃xff0c;本文结合线性电源的自激问题&＃xff0c;介绍一种使用相位补偿技术的实用方法&＃xff0c;达到消除自激的目的。

2、稳压电路本质上是放大器

以常见的串联稳压电路为例&＃xff0c;图1所示的典型电路在模拟电路的教科书中屡见不鲜&＃xff0c;原理不再累述。

如果用放大器的视角看待此电路&＃xff0c;那么误差信号经过R3、R4的分压送入Q2的基极&＃xff0c;然后从其集电极输出&＃xff0c;这是一个共发射极放大器&＃xff08;反相的&＃xff09;&＃xff0c;后面的Q1只是跟随器&＃xff0c;所以对误差信号来说&＃xff0c;Q2、Q1组成了反相放大器&＃xff1b;D1是基准电压&＃xff0c;接在Q2的发射极&＃xff0c;放大后从集电极输出&＃xff0c;这是一个共基极放大器&＃xff08;同相的&＃xff09;&＃xff0c;于是对于基准电压来说&＃xff0c;Q1、Q2组成了一个同相放大器。

因此&＃xff0c;对图1的电路&＃xff0c;我们可以理解成图2的形式&＃xff0c;即一个使用运算放大器的稳压电源电路。

如果把射极跟随器Q1合并到运放中去&＃xff0c;再把电路的画法稍微改变一下&＃xff0c;如图3所示&＃xff0c;这是不是我们非常熟悉的负反馈放大器的基本形式呢&＃xff1f;

显然&＃xff0c;稳压电路最终可以理解成基准电压的放大器&＃xff0c;并且采用了环路负反馈技术&＃xff0c;即一个直流耦合的多级负反馈放大器。

既然是多级环路负反馈&＃xff0c;就完全有可能因为极点分布不合理而产生自激问题&＃xff0c;因此也可以使用负反馈放大器中的相位补偿技术去解决。

3、补偿的基本思路

在负反馈放大器自激的频率点&＃xff0c;一定是相移达到了-180°&＃xff0c;且该点的增益≥1。如果使得该点的相移小于-180°&＃xff0c;自然就可以破坏自激的条件&＃xff0c;消去自激。

与极点相反&＃xff0c;零点能产生相位超前的作用。基于这一点&＃xff0c;我们不妨在电路中引入新的零点&＃xff0c;使得放大器滞后的相位得到恢复&＃xff0c;从而消去自激。当然&＃xff0c;引入零点的同时&＃xff0c;也必然产生新的极点&＃xff0c;必须让新的极点远离所引入的零点频率。

下面将用两个案例来分别说明如何使用RC滞后及超前补偿的办法来达到消除自激的目的。

4、RC滞后补偿案例

RC滞后补偿的基本电路如图4虚线框内所示。其中U1、U2表示前后级电路&＃xff0c;R1视为U1的内阻&＃xff0c;R2和C1为滞后补偿电路元件。

忽略前级U1的输出电容及U2的输入电阻与电容&＃xff0c;R1与R2、C1产生了新的零点与极点&＃xff0c;零点的频率是&＃xff1a;

&＃xff08;4-1&＃xff09;

极点的频率是&＃xff1a;

&＃xff08;4-2&＃xff09;

该电路的运用条件是&＃xff1a;C1&＃xff1e;&＃xff1e;Ci(后级输入电容及原前级输出电容之和)&＃xff1b;R2&＃xff1c;&＃xff1c;(R1||Ri)&＃xff08;Ri为后级输入电阻&＃xff09;。这样新的极点比原第一个极点的频率低&＃xff0c;增加的零点频率比极点频率高&＃xff0c;增加RC补偿电路后的电路典型的波特图如图5所示意&＃xff0c;可以看出校正后&＃xff0c;零点Z1附近的相位得到了恢复&＃xff0c;在增益将为0dB时&＃xff0c;其相位仍然有余量&＃xff08;参看图5中的虚线L2&＃xff09;。当然不同的零极点分布&＃xff0c;其波特图也会有所不同。

注意图5中零点的频率略低于自激频率&＃xff08;参看图5中的虚线L1&＃xff09;&＃xff0c;这是我们在解决实际问题中常采取的方法。

图6是一实验用简易24V 3A的直流稳压电源&＃xff0c;当电路搭完进行测试时&＃xff0c;发现输出端有大约800kHz的自激振荡波形。

图6中&＃xff0c;误差放大器后面是射级跟随器&＃xff0c;输入阻抗比较大&＃xff0c;适合采用RC补偿方式&＃xff1a;在Q5的集电极对地接一RC回路&＃xff0c;如图7所示。

让零点频率略低于800kHz&＃xff0c;取R&＃61;220Ω&＃xff0c;C&＃61;1000pF&＃xff0c;Q5的输出电阻取12kΩ。根据式1和式2分别计算得到极点的频率约60kHz&＃xff0c;零点的频率是723kHz&＃xff0c;两者相距较远。焊上RC后&＃xff0c;自激波形消失&＃xff0c;各种负载下均稳定工作。

5、超前补偿案例

RC滞后补偿会造成补偿后的频带总比补偿前窄&＃xff0c;超前补偿却正相反。图8虚线框内的部分是超前补偿的基本电路。

超前补偿网络可以在放大器内部&＃xff0c;也可以在负反馈的回路中。图9中并接在反馈电阻R2上的C就是补偿电容。

反馈网络不再是实数&＃xff0c;产生了一个新的零点&＃xff1a;

&＃xff08;5-1&＃xff09;

以及一个新的极点&＃xff1a;

&＃xff08;5-2&＃xff09;

超前补偿电路的波特图如图10示意图所示&＃xff0c;图中Z1为反馈网络产生的零点&＃xff0c;提供了超前相位的贡献&＃xff0c;相移180°时由L1位置改善到L2位置&＃xff0c;幅度已在0dB以下&＃xff0c;电路不会自激了。

电路运用的主要条件是R2&＃xff1e;&＃xff1e;R1&＃xff0c;否则补偿之后的零点与极点距离太近&＃xff0c;相位超前作用不大&＃xff0c;补偿效果也不明显&＃xff1b;另外&＃xff0c;新的零点频率要略低于振荡频率&＃xff0c;这样反馈网络提供的相位超前作用才能校正放大器回路的相频特性&＃xff0c;破坏了自激条件。

图11是一程控的0&＃xff5e;500V直流电源的基本电路图&＃xff0c;调试过程中发现输出端在某些时候有3.5kHz弱自激振荡波形。考虑到OP07本身的带宽不宽&＃xff0c;该电源的放大倍数也大&＃xff08;R4/R5约176&＃xff09;&＃xff0c;于是决定采用超前补偿措施。

R4相当于图9中的R2&＃xff0c;在R4上并联一个1000pF的电容C5&＃xff0c;根据式3计算其零点频率为1.3kHz&＃xff0c;在3.5kHz频率处大约产生&＃43;62°的相移贡献&＃xff0c;自激得到消除。根据式4计算其极点频率为498kHz&＃xff0c;两者距离足够远&＃xff0c;因此可以忽略此极点的影响。

6、结束语

相位补偿的要点是&＃xff1a;零点的频率略低于&＃xff08;大约在0.3到0.9倍之间&＃xff09;自激频率&＃xff0c;同时让零点与极点的距离足够大&＃xff08;十倍左右或以上&＃xff09;&＃xff0c;使得被滞后的相位得到有效的恢复。掌握这个原则&＃xff0c;一般都能很快解决自激问题。

参考文献

1. 童诗白主编&＃xff0c;模拟电子技术基础&＃xff08;下册&＃xff09;&＃xff0c;人民教育出版社&＃xff0c;1980年。
2. 秦世才、王朝英编著&＃xff0c;集成运算放大器应用原理&＃xff0c;天津人民出版社&＃xff0c;1979年。
3. 赵永健、张雨文编著&＃xff0c;运算放大器的误差分析与补偿方法&＃xff0c;高等教育出版社&＃xff0c;1987年。
4. 【美】I.M.戈特利布著&＃xff0c;叶靖国&＃xff0c;马积勋译&＃xff0c;王宏麟校&＃xff0c;稳压电源&＃xff0c;科学出版社&＃xff0c;1993年。

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