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[导读]德州仪器公司(TI)生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2.5V)到36V范围内的任何值。

开关电源基准的获得方式

基准电源器件在开关电源中是一个重要的器件,它主要用于作为反馈的比较基准。 开关电源的比较基准一般有如下三种获得方式: 1) 使用芯片内部基准电源。 2) 使用稳压管。 3) 使用基准电源器件。 第一种方式比较方便,但灵活性往往受到限制;第二种则控制精度比较差。要达到比较精密的控制调节效果,建议采用基准电源器件作为误差比较基准。

基准电源器件的类型及其工作原理

这种基准器件分为串联型和并联型两种。

图1:并联基准与串联基准 1.并联基准 如上左图,并联基准与负载是并联的。 UREF=Uin-IFRS=Uin-(IQ+IL)RS 当负载电流发生变化时,通过调节IQ来保持UREF稳定。 这类器件有:LM358、AD589等。 2.串联基准 如上右图,串联基准与负载是串联的。 UREF=Uin-IFRS=Uin-(IQ+IL)RS 当负载电流发生变化时,通过调节RS来保持UREF稳定。 这类器件有:AD581、REF192、TL431等。

TL431基准电源器件

这个器件在电源中使用率最高,这里简单介绍该器件。 (一)TL431简介

图2:TL431结构及原理

德州仪器公司(TI)生产的TL431是一是一个有良好的热稳定性能的三端可调分流基准源。它的输出电压用两个电阻就可以任意地设置到从Vref(2.5V)到36V范围内的任何值(如图2)。该器件的典型动态阻抗为0.2Ω。 图2左图是该器件的符号。3个引脚分别为:阴极(CATHODE)、阳极(ANODE)和参考端(REF)。 由图可以看到,VI是一个内部的2.5V基准源,接在运放的反相输入端。由运放的特性可知,只有当REF端(同相端)的电压非常接近VI(2.5V)时,三极管中才会有一个稳定的非饱和电流通过,而且随着REF端电压的微小变化,通过三极管的电流将从1到100mA变化。当然,该图绝不是TL431的实际内部结构,所以不能简单地用这种组合来代替它。但如果在设计、分析应用TL431的电路时,这个模块图对开启思路,理解电路都是很有帮助的。

(二)TL431的应用

前面提到TL431的内部含有一个2.5V的基准电压,所以当在REF端引入输出反馈时,器件可以通过从阴极到阳极很宽范围的分流,控制输出电压。如图3所示的电路,当R1和R2的阻值确定时,两者对Vo的分压引入反馈,若V o增大,反馈量增大,TL431的分流也就增加,从而又导致Vo下降。显见,这个深度的负反馈电路必然在VI等于基准电压处稳定,此时Vo=(1+R1/R2)Vref。选择不同的R1和R2的值可以得到从2.5V到36V范围内的任意电压输出,特别地,当R1=R2时,Vo=5V。需要注意的是,在选择电阻时必须保证TL431工作的必要条件,就是通过阴极的电流要大于1 mA 。 当然,这个电路并不太实用,但它很清晰地展示了该器件在应用中的方法。将这个电路稍加改动,就可以得到在很多实用的电源电路,如图4。 一般地,在阴极和参考端之间,可以引进R、C串联网络,以做相位补偿。

一、PWM/PFM/PSM 三种控制模式的定义

通常来说﹐开关电源(DC-DC)有三种最常见的调制方式分别为:

1、脉冲宽度调制(PWM)

2、脉冲频率调制(PFM)

3、脉冲跨周期调制(PSM)

在功率集成电路(PIC:Power Inregrated Circuit)中广泛采用了脉冲跨周期调制模式(PSM,Pulse Skip Modulation),可以克服脉冲调宽调制模式(PWM:Pulse Width Modulation)轻负载情况下变换效率较低、脉冲调频调制模式(PFM:Pulse Frequency Modulation)频谱分布随机的缺点。

他们调制行为的示意图可以用如图1所示

一句话解读一下:

PWM(频率不变,不断调整脉冲宽度)

PFM(脉冲宽度不变,调整频率)

PSM(频率和脉宽都不变,脉冲时有时无)

PWM方式

顾名思义,它是一种固定开关周期,变化Ton来改变占空比的调制方式。 PWM方式,可称之为定频调宽,即开关频率保持恒定,而通过改变在每一个周期内的驱动信号的占空比来达到调制的目的,这是最常用的一种调制方式。当输出电压发生变化时,通过环路的控制,便会使驱动信号的占空比发生改变,从而维持输出电压的恒定。

作为最常用的调制方式,PWM方式有以下优点:控制电路简单,易于设计与实现,输出纹波电压小,频率特性好,线性度高,并且在重负载的情况下有比较高的效率。PWM是从处理器到被控系统信号都是数字形式的,再进行数模转换。可将噪声影响降到最低。其缺点是随着负载的变轻,其效率也下降,尤其是轻负载的情况下,其效率很低。PWM 由于误差放大器的影响,回路增益及响应速度会受到限制。

2. PFM方式

PFM模式在正常工作时,驱动信号的脉冲宽度保持恒定,但脉冲出现的频率发生改变,即所谓的定宽调频。当输出电压发生变化时,通过环路的调整,而使脉冲出现的频率发生改变,从而实现对电路的控制与调整。PFM 又可以分为恒定驱动信号的高电位时间以及恒定驱动信号的低电平时间两种方式。

在具有模式切换的DC-DC电路中,PFM也是很常见到的一种调制。这种调制方式的优点是:在轻负载的情况下,效率很高,并且频率特性也十分好。对于外围电路一样的 PFM 和 PWM 而言,其峰值效率 PFM 与 PWM 相当,但在峰值效率以前,PFM 的效率远远高于 PWM 的效率,这是 PFM 的主要优势,但是在重负载的情况下,其效率会明显低于PWM方式,并且由于其纹波的频谱比较分散,没有多少规律,这使得滤波电路的设计变得十分复杂与困难。

3. PSM方式

PSM 方式,可称之为定频定宽。其驱动信号的频率与宽度都保持恒定,只是,当负载为最重的情况时,驱动信号满频工作,当负载变轻时,驱动信号就会跳过一些开关周期,在被跨过的周期内,开关功率管一直保持为关断的状态。当负载发生变化时,通过改变跨周期出现的次数,来实现对系统的调整与控制。

相对于前面的两种控制方式,PSM 方式在工业上的应用要晚一些。相比于PWM方式,在轻负载的情况下,PSM要有更高的效率,并且其开关损耗与系统的输出功率成正比,与负载的变化情况关系不大。但是这种调控方式,会使输出电压有着比较大的纹波电压,不适合用于为对电源电压精度要求很高的一些系统供电。

PSM通过控制开关管在一个周期内是否工作来调节输出功率。

在达到稳定后,开关管的平均工作频率,即有效频率f e 由负载决定。

如果负载足够大,开关管将在每个周期内均工作, 此时有效频率达到最大工作频率fmax = 1/ T。在一般情况下,开关管仅仅在部分周期内导通, 此时有效频率f e 将小于fmax。

调制度越大,被跳过的周期越多

二、PWM和PFM的优缺点

PWM在小负载情况下的效率较低。

PFM可支持的输出电流小,电感的电流是线性上升的,如果Ton是固定的,那么,每个周期电感上的峰值电流也是固定的。

PWM纹波电压小,且开关频率固定,所以噪声滤波器设计比较容易,消除噪声也较简单。

PWM调制方式占主流。

三、PWM和PFM(或者PSM)配合工作

现在有些新的电源控制器,为了提高轻载到重载全部工况的电源效率,通过同时支持PWM和PFM两种工作模式,来提供全时效率。很多电路中通常都选择PWM与PFM或者PSM相结合的方式,以保证系统在整个负载范围内都有比较高的效率。

l 若需同时具备PFM与PWM的优点的话,可选择PWM/PFM切换控制式DC/DC变换器。

l 此功能是在重负荷时由PWM控制,低负荷时自动切换到PFM控制,即在一款产品中同时具备PWM的优点与PFM的优点。

l 在备有待机模式的系统中,采用PFM/PWM切换控制的产品能得到较高效率。例如:PWM/PFM判断ton时间来切换

为什么轻载的时候,切换成PFM的效率更高。

我们知道开关电源在开关管上的损耗,主要分为:开关损耗、导通损耗。

由于开关管相同的情况下,导通损耗相同,与控制模式无关。

但是在轻载的时候PFM的频率下降了,那么单位时间的开关次数变少了。而PWM的单位时间的开关次数没有变化。那么PFM的开关损耗就变小了,所以他的效率更高。(PSM轻载效率高本质跟PFM是相同的道理,原来凌特还有定义Burst模式,与PSM界限比较模糊,基本都差不多。)

有些电源在进入轻载之后,进入了PFM模式,会导致开关频率变得非常低,大约是接近20kHz以下,或者产生一些低频的分量,频率进入了人耳能够听到的频率范围,所以会导致不可避免的电源周边的电感、陶瓷电容的啸叫。有些桌面设备为了客户体验是不能忍受的,开发者不得不增加一些负载,规避进入轻载的PFM模式。

开关电源是利用现代电力电子技术,控制开关管开通和关断的时间比率,维持稳定输出电压的一种电源,随着电力电子技术的发展和创新,使得开关电源技术也在不断地创新。开关电源有两种控制类型,一种是电压控制型 (Voltage Mode Comml);另一种是电流控制型(Currem Mode Control)。二者有各自的优缺点,很难讲某种控制类型对所有应用都是最优化的,应根据实际情况加以选择。下面我们就来看看开关电源控制类型有哪些。

电压控制型

电压控制是开关电源最常用的一种控制类型。以降压式开关稳压器(即Buck变换器)为例,电压控制型的基本原理及工作波形分别如图1 (a)、(b)所示。其特点是首先通过对输出电压进行取样(必要时还可增加取样电阻分压器),所得到的取样中压UQ就作为控制环路的输入信号。然后对取样电压和基准电压UREF进行比较,并将比较结果放大成误差电压Ur,再将Ur送至PWM比较器与锯齿波电压Uj进行比较,获得脉冲宽度与误差电压成正比的调制信号。图1 (a)中的振荡器有两路输出,一路输出为时钟信号(方波或矩形波),另一路为锯齿波信号, CT为振荡电容。T为高频变压器,VT为功率开关管。降压式输出电路由整流二极管VD1、续流二极管VD2、储能电感L和滤波电容Co组成。PWM锁存器的R为复位端,S为置位端。

电压控制型具有以下优点:

(1)它属于闭环控制系统,且只有一个电压反馈回路(即电压控制环),电路设计比较简单。

(2)在调制过程中工作稳定。

(3)输出阻抗低,可采用多路电源给同一个负载供电。

电压控制型的主要缺点如下:

(1)响应速度较慢。虽然在电压控制型电路中使用了电流检测电阻Rs,但Rs并未接入控制环路。因此,当输入电压发生变化时,必须等输出电压发生变化之后,才能对脉冲宽度进行调节。由于滤波电路存在滞后时间,输出电压的变化要经过多个周期后才能表现出来。所以电压控制型的响应时间较长,使输出电压稳定性也受到影响。

(2)需另外设计过电流保护电路。

(3)控制回路的频率补偿较复杂,闭环增益随输入电压而变化。

电流控制型

电流控制型是在电压控制环的基础上又增加了电流控制环,其基本原理及工作波形分别如图2 (a)、(b)所示。Us为电流检测电阻的压降,此时PWM比较器变为电流检测比较器。电流控制型需通过检测电阻来检测电流,并且可逐个周期的限制电流,便于实现过电流保护。固定频率的时钟脉冲将RS锁存器置位,从Q端输出的驱动信号为髙电平,使功率开关管VT导通,髙频变压器一次侧的电流线性地增大。当电流检测电阻Rs上的压降达到并超过Ur时,电流检测比较器翻转,输出的高电平将锁存器复位,从Q端输出的驱动信号变为低电平,令幵关管关断,直到下一个时钟脉冲使RS锁存器置位。

电流控制型具有以下优点:

(1)它属于双闭环控制系统,外环由电压反馈电路构成,内环由电流反馈电路组成,并且电流反馈电路受电压反馈电路的控制。与电压反馈电路相比,电流反馈电路的增益带宽(Gain Bandwidth)更大。

(2)对输入电压瞬态变化的响应速度快,当输入电压发生变化时能迅速调整输出 电压达到稳定值。这是因为输入电压的变化会导致一次侧电感电流发生变化,进而使Us改变,无须经过误差放大器,直接通过电流检测比较器就能改变输出脉冲的占空比。

(3)在电压控制环和电流控制环的共同控制下,可提高电压调整率指标。

(4)能简化误差放大器补偿网络的设计。

(5)只要电流脉冲达到设定的阈值, PWM比较器就动作,使功率开关管关断,维持输出电压稳定。

(6)本身带限电流保护电路,只需改变Rs值,即可精确设定极限电流值。

电流控制型的主要缺点如下:

(1)由于存在两个控制环路,给电路设计及分析带来困难。

(2)当占空比超过50%时可能造成控制环路工作不稳定,需增加斜率补偿电路。

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