反激式开关电源的环路补偿设计与应用

反激式开关电源的环路补偿设计与应用

叶振雄 许纹倚 陈友樟 马争先

TCL空调器 (中山 )有限公司 广东中山 528427

摘 要 反激式开关电源工作的稳定性与其反馈环路有很大的关系，若反馈环路系统没有足够的幅值、相位裕度，开关电源工作将会不稳定且出现输出振荡。文章基于TNY278芯片开关电源的环路补偿设计为例，详细分析了其环路补偿电路，根据分析验证，总结出该方法不仅能有效控制整个环路的稳定性而且可以降低输出振荡，满足设计要求。

关键字 反激式开关电源 相位裕度 幅值裕度 环路补偿 穿越频率

Design and application of loop compensation for flyback switching power supply

YE Zhenxiong XU Wenyi CHENYouzhang MAZhengxian

(TCL air conditioner (Zhongshan) Co., Ltd Zhongshan,Guangdong 528427)

Abstract The stability of flyback switching power supply is closely related to its feedback loop. If the feedback loop system does not have enough amplitude and phase margin, the switching power supply will be unstable and output oscillation will occur. Based on the TNY278 chip switching power supply loop compensation design as an example, detailed analysis of the loop compensation circuit, according to the analysis and verification, summed up the method can not only effectively control the stability of the whole loop, but also reduce the output oscillation, meet the design.

Keywords Flyback switching power supply Phase margin Amplitude margin Loop compensation Crossing frequency

引言

随着半导体行业的发展，开关电源的应用场合不断拓宽。其中以反激式开关电源为例，其拓扑结构简单、电路损耗小等优点在小功率以及有多路输出的场合得到了广泛地应用。开关电源的反馈环路设计是整体设计的一个重要环节，在反馈环路设计中，常常采用光耦PC817和稳压管TL431相配合的模式，对输出电压进行采样、隔离和放大后输送至控制芯片，构成负反馈环路。由实验法确定的动态补偿参数往往缺乏通用性，不能运用于其它具有不同要求的开关电源设计中^[1]。文章以PI TNY278芯片为例，基于PC817和TL431配合的环路补偿设计，对环路进行分析计算，设计可靠的补偿环路满足开关电源稳定性，并实验验证该方法的可行性和通用性。

一、反馈环路稳定性标准以及穿越频率的选定

1.稳定性标准

开关电源反馈环路的稳定性往往用相位裕量和增益裕量两个参数来进行衡量。工程实际应用中，要求系统的总增益在穿越频率处的斜率应为-20db/dec，截止频率的相位裕量大于45°。若按照此要求进行设计，不仅可以在预定的工作情况下满足稳定条件，而且当环境温度发生变化或者负载突变的情况下也都能满足输出电压的稳定性。

2.穿越频率选择

穿越频率在环路补偿中是一个很重要的参数，即幅值特性曲线通过0db时所对应的频率。理论上来讲，反馈环路的穿越频率不能超过开关频率的1/2，而工程上的选取往往为开关频率的1/10左右，这样的选取方式主要是依据了奈奎斯特定理^[2]。

二、电流环路常用的补偿方式

常用的环路补偿方法有三种，分别为单极点补偿、零极点补偿、单零点、双极点补偿。

单极点补偿方式，传递函数为G(s)=1/sR1C，此补偿方式主要适用在电流型控制以及工作在DCM并且滤波电容的ESR频率比较低的电源里。主要原理在于把第1个极点与其余的极点距离拉开，使相位达到180°以前使其增益降到0db。补偿后的最大带宽小于补偿前第1个极点的带宽^[3]

零极点补偿方式，传递函数为G(s)=1+sR2C/sR1C，也是开关电源反馈环路中比较常用的补偿方式，这种方式最大的优势在于其极点相当于主极点补偿中的极点，而零点则把补偿前的第一个极点抵消，这时候的带宽最大，可以达到补偿前第二个极点的带宽，这样既达到了主极点补偿的效果，又增加了带宽。

单零点、双极点补偿方式，此补偿方式适用于功率部分只有1个极点的补偿，例如所有电流型控制以及非连续模式下电压型控制，传递函数为G(s)=1+sR2C1/(sR1C1(1+sR2C2))，反馈环路中用不常用。

三、反激式开关电源环路设计

1. 反激式开关电源设计举例

反激式开关电源有着体积小重量轻，可对应宽电源输入，输出电压稳定、效率高，可对应待机要求等优势，是一种应用较广的电压转换电路，功率管工作在开、关状态，因而得名。主要的电路拓扑包括EMI、RCD吸收回路、电源控制IC回路、VCC供电电路、高频变压器、输出二极管电路、反馈回路，如下图1所示。

图1反激式开关电路组成电路

文章中的开关电源设计的电源芯片选取的是PI公司的TNY278，主电路设计如下图2，主电路的设计参数主要有：电源输入电压V1=220VAC、整流后的直流母线电压V2=310V、输出电压VO=12V、高频变压器初级电感量LP=2.6mH、初级匝数Np=60Ts、次级匝数Ns=8Ts、次级滤波电容C=470μF、电源芯片的开关频率f=66KHZ、负载Ro=5Ω、光耦PC817的电流传输比CTR=2.5。

图2 TNY278反激式开关电源电路拓扑

2. 反激式开关电源控制反馈环路图

反激式开关电源控制反馈环路图如下图3，该环路的传递函数为：K=(K_pwr*K_lc*K_fb)*Kea，式中：K_pwr为功率部分；K_lc为变压器次级电感、滤波电容与负载组成的LC滤波部分；K_fb为反馈电压分压部分；Kea为由光耦PC817与TL431所组成的反馈补偿部分。

图3 反激式开关电源电压控制方式反馈环路图

3．功率部分和输出LC滤波部分小信号传递函数

首先要推导出除去补偿部分的输出输入传递函数，反激式开关电源的功率部分与LC滤波部分简图如图4所示^[4] 。

图4 反激式开关电源功率部分和LC滤波部分简图

经过推导得出：

V_O=V_I*N_s/N_p*D/K^1/2

K=2*L_sec/R*T_s

L_sec=(N_s/N_p)²*L_P

K_pwr=V_I*N_s/N_p*(R*T_s/2*L_sec)

LC滤波部分小信号的频率为: ω_P=2/RC

反馈+2.5V由分压电阻直接接到TL431上，所以K_fb=1

整个电路在补偿前的传递函数为：

K1=K_pwr*K_lc*K_fb=V_I*N_s/N_p*(R*T_s/2*L_sec)/(1+s/ω_P)

将上述数据带入传递函数K得：K1=47.7/(1+5.5*10^-4s)

可以看出传递函数只包括一个极点，通过MATLAB可以将传递函数以波特图的形式体现出来，如图5所示，传递函数K的穿越频率为8.5KHZ左右，在此频率下的相位裕度为1°，显然不满足工程中相位裕度的要求，所以接下来补偿网络函数的目的是将相位裕度提高到45°左右即可，这是由于裕度过大会导致系统响应变慢，而对穿越频率的要求不是特别高^[5]。

图5 补偿前的波特图

4.TL431补偿网络电路设计

PC817与TL431组成的补偿网络如图7所示，图1中TL431和C46、R59组成了环路补偿电路，此补偿网络属于极零点补偿网络，可以调节R24和C35的值来调节相位裕度。

图6 TL431补偿网络电路图

由于TL431用输出电压12V供电，其传递函数为：

K_ea=CTR*[1+(R62+R61+R59)*C46]/s*R57*(R62+R61)*C46

其中R59=1KΩ，R57=100Ω，

R62=R61=20KΩ，C46=0.1μF，CTR=2.5将上

述数据带入传递函数K_ea得：K_ea=(2.5+10.25*10^-8s)/4s

其中R57、R62、R61的值决定了增益，由于R62与R61之和由零点的位置而决定，所以整个系统增益的大小可以通过调整R57来确定。CTR是通过实测得出的光耦电流传输比。

通过MATLAB波特图仿真得到的补偿函数Kea的波特图如图7所示：

图7 补偿函数波特图

5.系统开环传递函数以及结论

系统的开环传递函数为：

K=K1*K_ea=V_I*N_s/N_p*(R*T_s/2*L_sec)/(1+s/ω_P)* CTR*[1+(R62+R61+R59)*C46]/s*R57*(R62+R61)*C46

带入数值得：

K=(114.78+0.469s)/(2.2*10^-5s²+0.4s)

通过MATLAB波特图仿真得到的补偿后的波特图如图8所示：

图8补偿后的波特图

通过补偿后的网络得到的开环传递函数K的穿越频率为1KHZ，且在此频率下的相位裕度为45°，满足系统稳定的要求，经过MATLAB软件对补偿网络中的各个参数不断的调试，终于将整个开关电源反馈环路在穿越频率下的相位裕度调到了45°，所以通过选择合适的补偿网络以及其网络中各个参数的选定决定了整个系统的增益以及稳定性。

五、 试验验证

依据以上设计进行电路设计和实验研究，其中图9（a）为+12V输出运行波形，可以看出在启动时电压输出平稳，验证了环路补偿的可行性图9（b）为+12V纹波电压，可见电压纹波小均于200mV，纹波系数小于1%，符合开关电源纹波系数标准。

图9（a） +12V运行波形

图9（b） +12V纹波电压波形

六、结论

本文阐述了电流模式下反激式开关电源的补偿方法，并以光耦PC817和基准电压源TL431为核心设计开关电源，通过选择合适的补偿网络以及其网络中各个参数的选定决定了整个系统的增益以及稳定性。并经过试验验证设计方法是可行的，设计过程具有较好的通用性。

参考文献

[1] 徐德鸿. 开关电源设计指南[M].北京:机械工业出版社, 2004.1.

[2] Dr.Ray Ridly,Loop Gain Crossover Frequency.Switching Power Magazine.2006

[3] 韩林华，史小军，朱为，堵国梁. 反激开关电源中基于PC817A与TL431配合的环路动态补偿设计. 电子工程师，2005,11(31):29-32.

[4] Everett Rogers. Understanding Buck-Boost Power Stages in Switch Mode Power Supplies.TEXAS INSTRUMENTS，1999，SLVA034A:1-16.

[5] Randall Shaffer. Fundamentals of Power Electronics with MATLAB .Boston Massachusetts: Charles River Media，2007.