负电压DC/DC开关电源的设计
出处:维库电子市场网 发布于:2023-07-24 15:51:45
传统的非隔离负电压开关电源的电路拓扑有以下两种,如图1、图2所示。图3是其滤波输出电容的充电电流波形。由可见,采用图2结构的可获得输出纹波更小的负电压电源,并且在相同电感峰值电流的情况下其带负载能力更强。由于图2的开关器件要接在电源的负极,这会使得其控制电路会比图1来得复杂,因此在市场也没有实现图2电路结构(类似于线性稳压电源调节芯片7915功能)的负电压开关电源控制芯片。
为了弥补现有非隔离负电压开关电源技术的不足,以获得一种带负载能力强、输出纹波小的非隔离负电压开关电源,本文提出一种采用Boost开关电源控制芯片LT1935及分立元件实现了图2所示原理的基于峰值电流控制的新型非隔离负电压DC/DC开关电源。
1 工作原理分析
本文设计的非隔离负电压DC/DC开关电源如图4所示,负电源工作在连续电流模式。当电源控制器LT1935内部的功率三极管导通时,直流电源给输出电感L1和输出电容C1充电。当电源控制器LT1935内部的功率三极管关断时,输出电感L1中的电流改由通过肖特基二极管VD1提供的低阻抗回路继续给输出电容C1充电直至下一个周期电源控制器LT1935内部的功率三极管再次导通。可见电容C1在输出电感L1储存能量和释放能量的过程中均获得充电,从而减小了输出纹波电压。同时,在CCM条件下,输出电流在LT1935内部功率三极管的导通和关断期间均通过输出电感L1,这很大程度上抑制了输出电流的波动,降低了输出纹波电流的影响,进而大大增加系统的带负载能力和效率。
反馈控制回路采用了峰值电流控制。相比传统的电压控制,峰值电流控制一方面能很好的改善电源的动态响应,另一方面还能实现快速的过电流保护,很大程度上提高了系统的可靠性。由于采用了电源控制器LT1935,其内部集成了峰值电路控制电路和斜坡补偿电路,非隔离负电压DC/DC开关电源反馈回路设计即转换为补偿网络设计,进而大大简化了反馈回路的设计。
为防止过高的直流电源对电源控制器的危害,这里使用稳压管VD2和VD3实现过电压保护。
非隔离负电压DC/DC开关电源硬件电路图
2 补偿网络
2.1 非隔离负电压开关电源小信号建模
从本质上来讲,本文介绍的非隔离负电压DC/DC开关电源为非隔离负电压Buck开关电源,其等效功率级电路原理图如图5所示,这里考虑了输出滤波电容的等效串联电阻Resr对系统的影响。
非隔离负电压Buck开关电源等效功率级电路原理图
给出图5利用平均电路法建立的非隔离负电压Buck开关电源CCM大信号模型。设Vi为输入电压的稳态值,Vo为输出电压的稳态值,Vpc为受控电压源两端电压的稳态值,Ii为输入电流的稳态值,IL为输出电感电流的稳态值,D为占空比的稳态值。
非隔离负电压Buck开关电源CCM大信号模型
根据等式(5)和等式(6),即可得到图7所示的用理想变压器表示非隔离负电压Buck开关电源的CCM小信号模型。
非隔离负电压Buck开关电源CCM小信号模型
2.2 补偿网络设计
图8为电流连续模式下峰值电流控制(CCMCPM)型非隔离负电压Buck开关电源的系统框图。控制环路包括了电流内环和电压外环两个部分。补偿网络属于电压外环,因此设计补偿网络需要先建立包含电流控制内环的小信号模型。
假设系统稳定,且忽略输出电感纹波电压及人工斜坡补偿的影响,则输出电感电流等于控制电流。
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