电压反馈电路的设计

出处:维库电子市场网 发布于:2024-04-01 16:42:23 | 299 次阅读

  电压反馈环的唯一功能就是使输出电压保持在一个固定值。但考虑负载瞬态 响应、输出精度、多路输出、隔离输出等方面,电压反馈的设计就变得很复杂 了。上述每一个方面对设计者来说都很棘手,但是如果掌握了设计步骤,这些方 面都可以很容易地得到解决。
  电压反馈环的核心部分是一个称为误差放大器的高增益运算放大器,这部分 仅仅是个高增益的放大器而已,它把两个电压的误差放大,并产生电压误差信 号。在电源系统中,这两个电压一个是参考电压,而另一个则是输出电压。输出 电压在输入到误差放大器之前先进行分压,分压的比例为电压参考值与额定输出 电压的比值。这样,在额定输出电压时,误差放大器产生一个“零误差”点。如 果输出偏离额定值,放大器的输出误差电压就会明显地改变,电源系统用该误差 电压来校正脉宽,从而使输出电压回到额定值。
  针对误差放大器,有两个主要的设计问题:一方面是要有很高的直流增益, 以改善输出负载调节性能;另一方面是要有很好的高频响应特性,以提高负载的 瞬态响应。输出负载调节性能是指被检测的输出端上的负载改变时,输出电压的 偏离程度。瞬时响应是指输出负载发生跳变时,输出电压恢复到原值的快慢。设 计反馈环的补偿器时,都会遇到这些问题,在附录B中对这些问题进行了详细 的说明。
  下面是一个基本的无隔离、单输出开 关电源电压反馈环的应用例子。如果忽略 误差放大器的补偿,设计就很简单了。设 计的输出电压为5V,控制1C内部提供的 参考电压是2.5V,见图3-43。
  在开始设计的时候,要先确定通过输 出电压分压电阻的检测电流的大小。为了 使设计补偿器参数时有一个比较合理的 值,电阻分压器的上臂电阻值选在1.5~图3_43无隔离电压反馈电路
  15k()的范围之内。如果电阻分压器的检测电流取1mA,则分压器的下臂电阻& 就可以按下式算出:
  R{ =2.5V/0.001A = 2.5kn
  输出电压的精确度直接受到分压电阻和参考电压的精度影响。所有误差累加 起来决定了最后的精确度,也就是说,如果分压器所用的是两个精度为1%的电 阻,所用的参考电压的精度为2%,则最后输出电压的精度就为4%。另外,放 大器的输入失调电压也会引起误差,这个误差等于放大器的输入失调电压除以电 阻分压器的分压。所以,如果在这个设计例子中,放大器的最大失调电压是 10mV,那么输出电压误差就是20mV,且这个值会随着温度而漂移。
下面继续对这个例子进行设计,假设选用1%精度的电阻,其阻值为 2.49kO,贝IJ实际的检测电流为
  Is =2.5 V/2.49kO = 1.004mA 电阻分压器的上臂电阻足为
  R2= (5.0V-2.5Y) /1.004mA = 2.49kn
  这样就完成了电阻分压器的设计。接下来要设计放大器的补偿网络,以得到直流 增益和带宽性能。
  如果电源是多路输出的,那么输出端的交叉调整性能是要考虑的一个方面。 通常电压放大器只能检测一个或几个输出端,而没有被检测的输出端只能通过变 压器或输出滤波器本身固有的交叉调整功能进行调节。这样的调整性能比较差, 也就是说,被检测的输出端上的负载变化时,会使没有被检测的输出端的输出明 显改变。相反,如果没有被检测的输出端上的负载改变时,并不能完全通过变压 器耦合到被检测的输出端而被检测到,因而不能对它进行很好的调节。
  为了很好地改善输出端的交叉调整性能,可以通过检测多个输出电压来实 现,这叫做多输出检测。通常并不是真的去检测所有的输出端,这样做实际上也 是没有必要的。下面的例子用来说明怎样改善输出端的交叉调整性能,该例子是 有+ 5V、+ 12V和-12V输出的典型的反激式变换器。这个变换器的+5V输出端 从半载到满载变化时,+ 12V端变到+ 13.5V,- 12V端变到-14.5V。
  这表明,变压器具有的交叉调整性能很差,这可以通过3.5.9节介绍的多线 绕组技术稍微进行改善。如果对+ 5V和+ 12V端都进行检测,则+ 5V端的负载 如前面所述变化时,+ 12V端变到+ 12.25V,- 12V端变到-12.75V。

  多输出端检测是通过把电压检测电阻 分压器的上臂用两个并联电阻来实现,这 两个电阻的上端分别接到不同的输出端 上,见图3-44。

  电阻分压器的中点就成了电流的交汇 点,在这里总电流是每个被检测的输出端 流出的电流总和。输出功率比较大的输出 端,通常对输出调节的要求比较高,因而 应占检测电流的主要部分。输出功率比较 小的输出端占剩下的检测电流部分。每个 输出端占检测电流的百分比就表明了该输出端被调节的程度。
  再看一下有+ 5V、+12V和-12V输出的电源,由于±12V通常是给运算放 大器供电的,这些运算放大器相对来说不大会受到和变化的影响,所以 对这两个输出端的调节要求可以宽松一点。用这节第一个例子的参数,&取 2.49ka检测电流为1.004mA。
  第一步要分配电流比例,输出端提供的检测电流越少,对它的调节程度就越 低。让+ 5V输出端的电流占70%,+12V端的电流占30%,则/?2为
R2= (5.0V-2.5V) / (0.7xl.004mA) =35570 (取最接近值 3.57kn)
  + 12V端上的电阻尺3为
  R3= (12V-2.5V) / (0.3 x 1.004mA) =31.5kn 最接近的值是31.6k()。
  用多输出检测电路时,所有输出负载变化时,应该都可以改善交叉调整性 能。

  电压反馈最后一步是反馈隔离的问题,当考虑到输入电压会造成控制器损坏 时,就要用反馈隔离(输入直流电压大于42.5V)。电气隔离有两种可用的方法: 光隔离(光隔离器)和电磁隔离(变压器)。这部分主要是介绍使用比较普遍的 隔离方法,也就是用光隔离器把反馈环与主电路隔离。光隔离器的CtlT〔电流传 送比(或/wt//in))会随温度而漂移,也会随着使用时间增加而逐渐变差,而且 各个光耦隔离器的误差范围也相差比较大。CtlT是用百分比来衡量的电流增益。 为了补偿光隔离器的这些差异而不使用电位器,要把误差放大器放在光隔离器的 二次侧(或输入侧)。误差放大器可以检测到光隔离器漂移引起的其输出端的偏 移,然后相应地去调整电流。典型的反馈隔离电路见图3-45。

  图3-45光隔离的电压反馈环电路例子
  K 原图误为/2。译者注
  L 原图误为译者注
  二次侧的误差放大器通常采用TL431。TL431是一个三端封装的器件,内部 有一个具有温度补偿的电压参考源和一个放大器。正常工作时,它需要有一个最 小为1.0mA的连续电流流入输出引脚,输出信号就加到这个偏置电流上。
  在这个例子中,控制IC (UC3843AP)上的误差放大器通过输入端的连接使 它不能工作,这样就保证输出端是高电平。电阻的阻值并不是很重要(每个 取lOkQ)。补偿引脚内部有一个1.0mA的电流源,在全额输出情况下,就可以得 到一个+ 4.5V的“高”电压。
  用来改变补偿器的输出值从而调节输出脉宽的网络,是个电流求和网络。
  保证从TL431来的工作电流通过光隔离器耦合,不会影响控制1C内部1mA的 上拉电流源,当要全额输出脉宽时,这引脚上仍可以得到+4.5V的电压。在全 额输出时,最坏情况下的最小电流是
  二 1 2mA x 130% 二 1  56mA
  这时圮为
  R, = (0.5V) / (1.56mA-1.0mA)
  二892n〔取82〇n (S安伞裕量))
  为了得到0.3V的最小输出,光隔离器要给补偿引脚提供史多的电流。要达到这 个B的,光隔离器传送的电流大小为
  4(max)二(4.5V-0.3V) /82〇a = 5.12inA 用光隔离器LED上的最大压降和TM31上端电压,就可以确记/?2的大小了。
  R2 = (5V- (1.4V + 2.5V)) /5.12mA
  二2i4n〔取2〇on (留安全裕最)〕
  用来检测输出电压的电阻与前面例子中用来交叉检测的电阻的设计一样。这 样电压反馈这部分就只剩下误差放大器的补偿器设计了(见附录B)。在设计中, 要提醒设计者的是:误差和温度漂移在隔离反馈设计屮占很人的部分,需要对这 些部分的计算值进行调整。比如光隔离器的ChT可能在300%的范围内变化,这 就要在电路屮加电位器。有些光隔离器制造r商根据(^进行分类,这样它的 ctn.变化范围就很小,仍这种光隔离器很少,制造厂商也不愿这么做。另外参考 电乐也要像TL431 样进行温度补偿。
  输丨I1,的精度通常要求参考量的变化在2%内,W于电压取样的电阻分压器卜. 的电阻精度要在1%以内。输出的精度就是这呰误差的总和加上变乐器匝数的误
  差。
  电压反馈的设计有很多变化,但上L&J介绍的是最简单的,也是用得最普遍的
  方法。
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