開關(guān)電源IC中誤差放大器的自激振蕩及解決方法
目前隨著開關(guān)電源的廣泛應(yīng)用，控制IC作為開關(guān)電源的心臟在其中扮演著重要角色。開關(guān)電源的控制IC一般都會(huì)包含一個(gè)誤差放大器，用來將輸出電壓的偏移等進(jìn)行放大以控制主開關(guān)電路的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。這個(gè)誤差放大器本身是一個(gè)運(yùn)算放大器，在實(shí)際使用中會(huì)加入負(fù)反饋，而由于外部元件及PCB等因素的影響，誤差放大器有時(shí)會(huì)產(chǎn)生自激振蕩，使開關(guān)電源不能正常工作。筆者分析了誤差放大器加入負(fù)反饋時(shí)產(chǎn)生自激振蕩的原理，并以UC3875控制IC為例設(shè)計(jì)了外部補(bǔ)償電路，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。
1 誤差放大器產(chǎn)生自激振蕩的原理
1．1 自激振蕩產(chǎn)生的原因
加入負(fù)反饋后誤差放大器的閉環(huán)增益G的表達(dá)式為：。其中A為開環(huán)增益，F(xiàn)為反饋系數(shù)，AF為環(huán)路增益。
由可知：當(dāng)1+FA趨近于0時(shí)，|G|=∞。這說明即使無信號(hào)輸入也會(huì)有波形輸出，于是就產(chǎn)生了自激振蕩。
放大器的增益和相位偏移會(huì)隨頻率而變化。當(dāng)頻率變高或變低時(shí)，輸出信號(hào)和反饋信號(hào)會(huì)產(chǎn)生附加相移。如果附加相移達(dá)到±180°，則此時(shí)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同相，負(fù)反饋就變成正反饋。反饋信號(hào)加強(qiáng)，當(dāng)反饋信號(hào)大于凈輸入信號(hào)時(shí)，即使去掉輸入信號(hào)也有信號(hào)輸出，于是就產(chǎn)生了自激振蕩。
一個(gè)實(shí)際的運(yùn)算放大器，內(nèi)部存在著許多天然極點(diǎn)，他們?cè)斐傻母郊酉嘁茣?huì)使輸出的相位偏移超過-180°，當(dāng)使用負(fù)反饋時(shí)會(huì)使放大器產(chǎn)生自激振蕩。因此運(yùn)算放大器大多都有補(bǔ)償端口或?yàn)榱耸褂梅奖阒苯釉趦?nèi)部進(jìn)行了補(bǔ)償，這些經(jīng)過內(nèi)部補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器一般會(huì)補(bǔ)償?shù)皆谠鲆? dB以上只有一個(gè)極點(diǎn)，單獨(dú)使用時(shí)即使將其用作單位增益放大器也不會(huì)自激振蕩。
1．2 負(fù)反饋放大電路穩(wěn)定性的判定
判斷自激振蕩的方法首先是看其是否滿足相位條件，只有滿足相位條件才有可能產(chǎn)生自激振蕩。即如果當(dāng)附加相移φ=±180°時(shí)，環(huán)路增益|FA|≥1，那么電路就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。相反，如果當(dāng)φ=±180°時(shí)，環(huán)路增益|FA|<1，那么電路就不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。
2 UC3875誤差放大電路
2．1 UC3875誤差放大電路結(jié)構(gòu)
UC3875是TI公司生產(chǎn)的一款移相全橋軟開關(guān)控制器，廣泛應(yīng)用于ZVS和ZCS拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的大功率開關(guān)電源當(dāng)中。它內(nèi)部包含一個(gè)誤差放大器，該誤差放大器輸出端的輸出電壓與斜坡發(fā)生器的輸出電壓進(jìn)行比較從而產(chǎn)生移相信號(hào)。它的AB和CD兩組輸出可以分別設(shè)定死區(qū)時(shí)間，非常適合應(yīng)用于全橋諧振開關(guān)電源。本文中所用UC3875的誤差放大器部分電路接法如圖1所示。
誤差放大器的正相輸入端接參考電壓．輸出端通過一個(gè)150 kΩ電阻反饋到反向輸入端，反相輸入端通過一個(gè)470 kΩ電阻與輸出電壓采樣電路相連。
當(dāng)對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行調(diào)試時(shí)測(cè)量其輸出，發(fā)現(xiàn)輸出非常不穩(wěn)定。而后用示波器對(duì)UC3875的控制輸出端OUTA與OUTC進(jìn)行觀察，如圖2，發(fā)現(xiàn)輸出的移相信號(hào)產(chǎn)生了大幅度抖動(dòng)，致使開關(guān)電源輸出變得不穩(wěn)定。隨后在對(duì)誤差放大器的輸出進(jìn)行觀察時(shí)發(fā)現(xiàn)誤差放大器產(chǎn)生了振蕩，在輸出端產(chǎn)生了一個(gè)不太穩(wěn)定的正弦信號(hào)(圖3)。由于誤差放大器的輸出與斜坡發(fā)生器的輸出電壓比較之后產(chǎn)生移相控制信號(hào)，因此UC3875的輸出控制信號(hào)會(huì)產(chǎn)生大幅抖動(dòng)。
2．2 UC3875誤差放大器振蕩現(xiàn)象的分析
根據(jù)UC3875的數(shù)據(jù)表可知其典型帶寬與開環(huán)增益分別為11 MHz、90 dB。大多數(shù)控制IC的誤差放大器已經(jīng)過內(nèi)部相位補(bǔ)償，且補(bǔ)償?shù)郊词归]環(huán)增益為0 dB(此時(shí)反饋量最大)時(shí)也不會(huì)發(fā)生振蕩。但是在實(shí)際使用中，由于外部元件等因素的影響，有可能產(chǎn)生新的極點(diǎn)，使電路附加相移超過-180°，從而發(fā)生振蕩。
根據(jù)之前觀察到的誤差放大器輸出端自激振蕩波形可知其振蕩頻率大概在50 kHz附近，則此頻率時(shí)附加相位φ≥-180°，且其開環(huán)增益要大于0 dB。根據(jù)這些條件可估算出外部電路產(chǎn)生的極點(diǎn)頻率應(yīng)該在5 kHz附近，將其加入到誤差放大器的增益與相位的頻率特性簡(jiǎn)圖中得到圖4。其中P1為內(nèi)部補(bǔ)償時(shí)設(shè)置的極點(diǎn)，P2為外部電路產(chǎn)生的極點(diǎn)(圖中用實(shí)線表示增益，虛線表示相位，圖6同)。
2．3 外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)
由于零點(diǎn)能產(chǎn)生超前相移，可抵消極點(diǎn)產(chǎn)生的滯后相移。因此如果在電路中加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置一個(gè)零點(diǎn)將能夠抵消外部電路產(chǎn)生的極點(diǎn)，從而抑制放大器的自激振蕩。由于誤差放大器沒有設(shè)置補(bǔ)償端口，因此補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)需要設(shè)置在外部。如圖5所示，在反饋電阻Rf兩端并聯(lián)一個(gè)電容Cf，由此可產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)。通過恰當(dāng)設(shè)置此零點(diǎn)的頻率就可抵消新極點(diǎn)產(chǎn)生的附加相移，使總的相移不超過-180°。因?yàn)樗浪愕耐獠繕O點(diǎn)頻率為5 kHz，所以零點(diǎn)頻率就要設(shè)置在5kHz附近。
將數(shù)值帶入上式可得新的極點(diǎn)頻率為1．5 MHz，這相當(dāng)于將外部極點(diǎn)P2移動(dòng)到了如圖7所示的P2’的位置。
由圖6可以看出盡管在增益0 dB以上存在兩個(gè)極點(diǎn)，但是當(dāng)增益降為0 dB時(shí)，相移依然沒有超過-180°，所以自激振蕩條件就被破壞，電路不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。同時(shí)從圖上可以看到，使用這種方法時(shí)放大器的帶寬損失很小。但是根據(jù)式(3)可以看出，新極點(diǎn)的頻率與放大器的增益有關(guān)，如果放大器增益過小，則會(huì)因?yàn)闃O點(diǎn)向高頻率移動(dòng)距離太小而大大影響到補(bǔ)償?shù)男ЧＬ貏e地當(dāng)作為電壓跟隨器使用時(shí)(此時(shí)放大器輸出與反相輸入端直接相連，反饋電阻為零)，新極點(diǎn)的頻率不會(huì)向高頻移動(dòng)，則此電路就會(huì)完全沒有效果。由于各種因素的影響以及估算的誤差，實(shí)際的特性曲線會(huì)與理論有一些差距，因此所設(shè)置的零點(diǎn)還需要通過實(shí)驗(yàn)來進(jìn)行調(diào)整(后面的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn))。
3 外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證
實(shí)驗(yàn)電路的連接依照?qǐng)D5所示，分別將容值為22 pF，100 pF，220 pF的Cf接入電路中，并觀察UC3875的控制輸出波形。如圖7所示為使用22 pF電容時(shí)的波形。此電路中由于所設(shè)置零點(diǎn)在極點(diǎn)之后距離較遠(yuǎn)的地方，波形抖動(dòng)有一些減弱，但是其抖動(dòng)幅度依然很大。
圖8為使用100pF電容時(shí)的波形，可以看到其抖動(dòng)幅度大幅減小。此時(shí)電路中所設(shè)置的零點(diǎn)頻率比較靠近極點(diǎn)位置，已經(jīng)體現(xiàn)出振蕩抑制的效果，但輸出的振蕩幅度仍很明顯。
當(dāng)更換為220 pF電容時(shí)，波形的抖動(dòng)基本消失。電路中零點(diǎn)位置在上文所估算的極點(diǎn)位置附近。通過對(duì)示波器上波形的仔細(xì)觀察，仍然能發(fā)現(xiàn)極其微弱的抖動(dòng)。這說明實(shí)際極點(diǎn)的位置與前面的估算值有些差距，因此在電路實(shí)際情況不是十分清楚的情況下，進(jìn)行估算而得出的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)參數(shù)還需要在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中進(jìn)行驗(yàn)證并調(diào)試。
考慮到實(shí)際應(yīng)用中各種因素的影響以及估算的誤差，需要在設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)保持一定的裕量。因此將Cf選為470pF，將其接入電路中后UC3875的輸出控制的波形如圖9所示，輸出波形抖動(dòng)已經(jīng)完全消失，UC3875已經(jīng)穩(wěn)定工作。對(duì)誤差放大器的輸出端進(jìn)行觀察后發(fā)現(xiàn)，其輸出已經(jīng)變成一條平直的直線。其輸出電壓的振蕩完全消失。
4 結(jié)論
雖然目前很多通用運(yùn)算放大器及開關(guān)電源控制IC內(nèi)部的誤差放大器都進(jìn)行了相位補(bǔ)償，但是有時(shí)外部會(huì)產(chǎn)生新的極點(diǎn)使電路變得不穩(wěn)定。筆者所采用的方法是使用一個(gè)零點(diǎn)對(duì)新極點(diǎn)進(jìn)行抵消，從而使其穩(wěn)定工作，使用這種方法基本不會(huì)損失運(yùn)放的帶寬，同時(shí)能起到良好的效果。采用這種補(bǔ)償方法需要有一個(gè)前提條件，那就是放大器需要有比較大的閉環(huán)增益，這樣才能產(chǎn)生比較好的效果。而在開關(guān)電源應(yīng)用中，為了得到穩(wěn)定的輸出電壓，內(nèi)部誤差放大器的閉環(huán)增益一般都會(huì)比較大，因此非常適合使用這種方法。
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