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离线式反激转换器 (off-line flyback converter) 的反馈控制 1

离线式反激转换器的反馈设计Feedback Control Design of Off-line Flyback Converter 4 v  k6 ^! s$ _4 z) [1 q: t, c 摘要离线式反激转换器 (off-line flyback converter) 的反馈控制经常困扰着电源工程师，因为牵涉到连续导通模式 (continuous conduction mode, CCM) 与非连续导通模式(discontinuous conduction mode, DCM)的小信号模型、TL431与光耦合器(opto-coupler)的特殊反馈补偿模式，使得反馈参数的设计，还流于试误(cut and try)模式。本设计指南提供完整的理论设计，从功率级的转换函数到设计TL431与光耦补偿器，使得系统获得良好的相位裕度(phase margin)，达到瞬时稳定度的要求。本文将利用Mathcad 软件做理论计算，同时以Simplis 模拟做比较验证。 0 M- Z4 k+ T& A- k5 M' J2 D 一、适用范围 : 次级稳压反激转换器绝大部份反激转换器都采用次级稳压的峰值电流控制(peak current mode control)来完成调节输出电压的反馈方式，图一为其简图。次级输出电压经过光耦与TL431电路，在初级侧形成电压VCOMP，这个电压与初级峰值电流比较，决定开关晶体管Q的占空比，完成负反馈稳压的作用。其中，RS 为初级电流检测电阻，CTR 为光耦的电流传递比(current transfer ratio)，GFB为小信号增益 (在RT773x IC内部设计为1/3)，Se为消除次谐波振荡(sub-hARMonic oscillation) 所外加的斜率补偿(slop compensation)。 为方便后续的推导与说明，电路做了基本的假设如下： 1.开关器件Q与次级二极管D为理想组件 2.变压器视为理想器件 2 n1 L0 U1 I4 r/ D3.TL431的开回路增益为无限大 (常规的开路增益约50 ~ 60dB) 4.光耦的电流传递比为一常数 8 J! X* J7 L' R5 A1 `* g其中，光耦的电流传递比是一个极非线性的数值，随着工作点(通过光耦二极管的电流)的变动，电流传递比也会随着变化。但为了方便说明与推导起见，姑且将其视为定值。在常规的应用中，流过光耦二极管的电流很低，可能低于1mA，导致电流传递比可能小于20%。 : x7 ^+ z1 d3 g" \其他名詞與符號定義如下： ) C' V! K4 i; l图一、利用TL431与光耦反馈的反激转换器 二、功率电路的小信号模型在许多不同的参考文献中可以找到不同的反激转换器小信号模型[1-3]，这些模型都是基于状态平均(state averaging)法推导的，可能是因为简化或假设条件不同而有些许差异。本文乃采用 Christophe Basso 的小信号模型作反馈补偿设计[1]。从实用的角度而言，所有小信号模型都将得到近似的结果。 $ \3 S3 w' A4 h5 k; N; |' X' n连续导通模式(CCM)的转移函数(transfer function) : f" m4 H" P' m  D这是一个一个极点(pole)、两个零点(zero)的系统，如图二所示。极点的位置与电路参数以及负载轻重有关，而第一个零点为输出电容与其等效串联电阻(ESR)所构成，为一固定不动的零点。另一个零点在s-平面的右半边，称为右半平面零点(RHP zero)，这个右半平面零点的位置与输入电压、负载电流的高低有关。在一个设计良好的系统里，交越频率 (cross-over frequency) 必须设计得远低于右半平面零点频率，才能有足够的相位裕量(phase margin)。所以在补偿电路设计时，这个高频的零点将忽略不计。 图二、CCM 1P2Z 的转移函数图 + X; T+ z' j/ V0 S非连续导通模式 (DCM)的转移函数 ! |' w; I6 U6 y* p6 _将(2)式的转移函数绘制在波德图(Bode Plot)上，如图三。在DCM 模式下，功率电路小信号模型呈现两极点与两零点，不过其中有一个极点ωp2频率极高(远高于目标的交越频率)，在设计反馈时不需考虑。所以等效上，不论CCM 或是DCM，其功率级的转移函数，均可视为一极点、两零点(1P2Z)的形式，这非常有利于反馈组态电路的选定。从(1)与(2) 转移函数来看，这些极点与零点，有些是固定不变的，如输出电容等效串联电阻ESR造成的零点。大部份的极零点与直流增益都与工作点(operating point)有关，所谓工作点即指某一个输入电压与某个负载电流工作条件。接下来，就用数值来说明这些极零点的变化。 4 W1 C! o1 L8 H ( h0 [7 A6 b( ~6 n5 ^4 p图三、DCM 2P2Z 的转移函数图

5 ^! H0 q, N8 s2 X5 D5 {+ A

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