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基于磁放大器的大電流多輸出開關穩壓電源的研究

作者: 時間:2012-01-16 來源:網絡 收藏
5 磁放大器的閉環穩定性分析與設計

  整個閉環系統是由輸出LC濾波器、控制復位電流模塊、采樣網絡和PI調節器所組成。一個穩定的閉環系統必須同時具有下面兩個條件:一是截止頻率
所處的中頻段的斜率必須是-20dB/dec;二是截止頻率
所處的中頻段要有足夠寬的頻率范圍。一般截止頻率
為工作頻率的1/4或1/5。此設計中工作頻率為100kHz,截止頻率
為20kHz。

5.1 輸出LC濾波器

  輸出LC濾波器的等效電路如圖5所示:


圖5 LC濾波器等效電路

  圖5中的Resr是電容的等效串聯電阻,此處的電容值為1000uF,等效串聯電阻為0.12#8486;。則LC濾波器的增益曲線如圖6所示。


圖6 LC濾波器的增益曲線

  其中:
    

    
式中,

  從上面等效電路可知,LC輸出濾波器的傳遞函數為:
       (7)

  所以LC濾波器在截止頻率
處的增益:


5.2 控制復位電流模塊

  控制復位電流模塊的增益


  由于輸出電壓為5V,式中取
=11V。

5.3 采樣網絡

  對于UC3838A控制模塊,其誤差放大器所能容忍的參考電壓為2.5V,而輸出電壓是5V,使采樣電阻R5=R6 , 所以采樣網絡的增益
=-6dB,因此
=-1.5 dB。
  在截止
處,LC濾波器增益與控制復位電流模塊增益和采樣網絡增益相加為:

  所以整個
的增益曲線如圖7中所示:

圖7、整個系統的開環增益曲線


5.4 PI調節器

  通過前面的計算、分析可知
在截止頻率
處的增益不等于零,因此若不加校正器環節該系統不穩定。為了該系統穩定,我們使用由誤差放大器所構成的PI調節器。由于本文中所用的電解電容不是零等效串聯電阻的電容(即Resr≠0),故所用誤差放大器可采用的二階誤差放大器。其等效電路如圖8所示:

圖8、二階誤差放大器原理圖

  該二階誤差放大器的傳遞函數為:

  通常,C6C4 固有:
  (8)

  其增益曲線如圖7中所示。由于
在截止頻率
處的增益是-27.2dB,欲使整個開環系統在截止頻率
處的增益為零,因此誤差放大器在截止頻率
處的增益必須為27.2dB。
  由:

  可得:K=22.9
  由式(8)可知:

  式中:取R14=100K#8486;
  故:
=0.0437
  PI調節器的增益曲線如圖7所示,本設計中必須注意PI調節器增益曲線中兩個轉折頻率的設計,因為欲使系統穩定,截止頻率所處的中頻段必須有一定的寬度,
設置過低,輸出電壓的紋波將會偏大,而如果
的設置如果過高,則噪音電壓尖峰將會通過LC濾波器到達輸出電壓。為了使系統具有較大的穩定裕量,又能使輸出電壓的紋波和噪音電壓峰值限制在規定的范圍之內,一般情況下使
,S的值一般取4,因此這里
=20/4=5kHz,
=20×4=80kHz。在此取R10=775#8486;。
  根據:

  有  

  同理:

  滿足:


5.5 整個系統開環增益分析

  將曲線
與PI調節器的增益曲線相疊加,得到整個系統的增益曲線如圖7中ABCDE折線所示,從圖中可以看出開環截止頻率
所處的中頻段的斜率為-20dB/dec,而且保證了中頻段有足夠的寬度。因此該閉環系統穩定。

6 計算機仿真

  通過上面的分析與計算,以及給定的各個元件的參數,進行計算機仿真,其仿真波形如圖9所示。從仿真波形中可以看出:輸出電壓能夠滿足設計的需要。并且在實驗室與實際生產中驗證:該開關電源的效率可達85%,穩壓精度高達98.5%。


圖9 :
仿真波形


7 結束語與應用前景

  對于大電流多組輸出的開關穩壓電源,用傳統的電壓負反饋不能解決輔助輸出電壓的穩定,本文中采用了磁放大器后相校正的方式解決了其輸出電壓的穩定,而且磁放大器后相校正方式具有的價格便宜、繞制方式簡單、控制芯片的外圍電路簡單和閉環易于控制的優點,且利于推廣應用。本文所設計的新型大電流多輸出開關穩壓電源已在深圳一家公司得到了應用,使用效果良好。

參考文獻

[1] 呂厚余,自動控制原理,重慶大學出版社,1998
[2] 張惠,馮英.電源大全[M].成都:西南交通大學出版社,1993
[3] Pressman, Switching power supply design, Electrical Engineering series, Second Edition


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關鍵詞: 磁放大器 開關電源 大電流

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