CN109327146A - 一种电压控制隔离型dc/dc变换器的环路补偿电路及补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种电压控制隔离型DC/DC变换器的环路补偿电路及补偿方法，包括隔离补偿单元电路及环路补偿单元电路；所述环路补偿单元电路，用于补偿电压控制隔离型主功率电路环节产生的双重极点和高频零点，并提升静态增益；所述隔离补偿单元电路，用于隔离初级与次级电路，同时补偿光耦隔离器寄生参数带来的极点，减小其对电源控制环路的不利影响。本发明既可以使控制电路实现初次级电性能隔离，又可以补偿诸如电压控制型PWM模式的DC/DC变换器主功率电路，还可以补偿由隔离光耦带来的高频极点对环路增益的影响。

Description

一种电压控制隔离型DC/DC变换器的环路补偿电路及补偿 方法

技术领域

本发明涉及一种补偿电路，具体涉及一种电压控制隔离型DC/DC变换器的环路补偿电路及补偿方法。

背景技术

常规的环路补偿单路和隔离补偿电路是将电压控制信号输入控制器，在控制器外部的寄生电容将导致较低的寄生极点，约10kHz左右，这将严重影响电源***的带宽和相位裕度，从而限制电源的动态响应和稳定性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种电压控制隔离型DC/DC变换器的环路补偿电路及补偿方法，既可以使控制电路实现初次级电性能隔离，又可以补偿诸如电压控制型PWM模式的DC/DC变换器主功率电路，还可以补偿由隔离光耦带来的高频极点对环路增益的影响。

为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：

一种电压控制隔离型DC/DC变换器的环路补偿电路，包括隔离补偿单元电路及环路补偿单元电路；

所述环路补偿单元电路，用于补偿电压控制隔离型主功率电路环节产生的双重极点和高频零点，并提升静态增益；

所述隔离补偿单元电路，用于隔离初级与次级电路，同时补偿光耦隔离器寄生参数带来的极点，减小其对电源控制环路的不利影响。

作为上述技术方案的进一步改进：

包括运算放大器N1，电阻R1、R2、R3、R4及电容C1、C2、C3，所述电阻R1的一端经电容C1与运算放大器N1的反相输入端连接，电阻R1的另一端与电源输出端连接，所述电阻R2并联在电阻R1与电容C1的两端，电阻R3的一端与运算放大器N1的反相输入端连接，电阻R3的另一端接地，电阻R4的一端与运算放大器N1的输出端连接，电阻R4的另一端经电容C3与运算放大器N1反相输入端连接，上述电容C2并联在电阻R4与电容C3的两端。

所述隔离补偿单元电路包括光电耦合器N2、电阻R5、限流电阻R6、电容C4及滤波电容C5，所述电阻R5的一端与光电耦合器N2的二极管输出端连接，其另一端与环路补偿电路的输出端连接，所述电容C4并联在电阻R5的两端，所述电阻R6的一端与直流电源VCC2连接，其另一端与光电耦合器N2的二极管输入端连接，所述光电耦合器N2的三极管输入端与PWM控制芯片的REF端连接，光电耦合器N2的三极管输出端与PWM控制芯片的COMP端连接，所述滤波电容C5一端与PWM控制芯片的REF端连接，滤波电容C5的另一端接地。

一种电压控制隔离型DC/DC变换器的环路补偿方法，包括如下步骤：

通过分压采样电路将输出电压反馈采样至运算放大器的反相输入端，与同相输入端的基准电压信号作比较，并输出误差信号；

通过构建补偿网络使其产生一个主极点、两个零点和两个普通极点，将两个零点配置在主功率LC滤波电路谐振频率ωo处，用来抵消双重极点的作用，将两个普通极点配置在主功率输出电容的等效串联电阻带来的零点处，抑制高频信号的干扰；

经过补偿后的误差信号通过光耦隔离从电路次级侧传输至电路初级侧的控制芯片，通过设定电阻的调节使流入光耦二极管侧的电流限定在合适的工作范围内；

通过构建补偿网络，使之产生一个零点，以补偿光耦寄生电容产生的极点；

将补偿后的误差信号通过光耦三极管侧以电流信号输入控制芯片的COMP端，并经过控制芯片内部的电流镜电路转化为电压信号输入至PWM比较器的负端，与PWM比较器的正端的振荡信号比较产生PWM驱动信号，从而控制主功率电路保持输出电压恒定。

由上述技术方案可知，本发明所述的电压控制隔离型DC/DC变换器的环路补偿电路及补偿方法，基于环路补偿单元电路和隔离补偿单元电路的两级补偿电路，既可以使控制电路实现初次级电性能隔离，又可以补偿诸如电压控制型PWM模式的DC/DC变换器主功率电路，还可以补偿由隔离光耦带来的高频极点对环路增益的影响。

附图说明

图1是本发明的电路图；

图2是本发明实施方式中电压控制隔离型DC/DC变换器的电路示意图；

图3是本发明实施方式中半桥式隔离型DC/DC变换器电路框图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明：

如图1所示，本实施例的电压控制隔离型DC/DC变换器的环路补偿电路，包括隔离补偿单元电路12及环路补偿单元电路11；环路补偿单元电路11，用于补偿电压控制隔离型主功率电路环节产生的双重极点和高频零点，并提升静态增益；隔离补偿单元电路12，用于隔离初级与次级电路，同时补偿光耦隔离器寄生参数带来的极点，减小其对电源控制环路的不利影响。

环路补偿单元电路11由运算放大器N1，电阻R1、R2、R3及电容C1、C2、C3构成补偿网络，电阻R1的一端经电容C1与运算放大器N1的反相输入端连接，电阻R1的另一端与电源输出端连接，电阻R2并联在电阻R1与电容C1的两端，电阻R3的一端与运算放大器N1的反相输入端连接，电阻R3的另一端接地，电阻R4的一端与运算放大器N1的输出端连接，电阻R4的另一端经电容C3与运算放大器N1反相输入端连接，上述电容C2并联在电阻R4与电容C3的两端。该补偿网络产生一个主极点、两个普通极点、两个零点用于补偿电压控制隔离型主功率电路环节产生的双重极点和高频零点。主极点可以提升直流增益，两个零点用于抵消主功率电路产生的双重极点，提高相位裕度，两个普通极点用于抵消主功率电路产生的高频零点，提高增益裕度，从而提高DC/DC变换器***的稳定性和准确性。

隔离补偿单元电路12包括光电耦合器N2、电阻R5、限流电阻R6、电容C4及滤波电容C5，电阻R5的一端与光电耦合器N2的二极管输出端连接，其另一端与环路补偿电路的输出端连接，电容C4并联在电阻R5的两端，电阻R6的一端与直流电源VCC2连接，其另一端与光电耦合器N2的二极管输入端连接，光电耦合器N2的三极管输入端与PWM控制芯片的REF端连接，光电耦合器N2的三极管输出端与PWM控制芯片的COMP端连接，滤波电容C5一端与PWM控制芯片的REF端连接，滤波电容C5的另一端接地。该补偿单元电路既实现了补偿电路初次级之间的隔离，又产生1个零点补偿了光耦器件自身极点对补偿电路的影响。本实施例的PWM控制芯片型号为LM5035，该图中的标号13表示PWM控制芯片内部部分电路。

工作原理：通过分压采样电路R2、R3将输出电压Vo反馈采样至运算放大器N1的负相输入端，与进入正相输入端的基准电压信号Vref作比较，并输出误差信号至R5、C4端。补偿网络R1、R4、C1、C2、C3可产生2个零点和2个普通极点。其中R1、C1决定一个零点频率，R4、C2决定另一个零点频率，R4、C3决定一个极点频率，R1、R2、C1决定另一个极点频率。将2个零点配置在主功率LC滤波电路谐振频率ωo处，用来抵消双重极点的作用，将2个普通极点配置在主功率输出电容C的等效串联电阻Resr带来的零点处，抑制高频信号的干扰。经过补偿后的误差信号通过光耦隔离从电路次级侧传输至电路初级侧的控制芯片LM5035。电阻R6、R5将流入光耦二极管侧的电流限定在合适的工作范围内，补偿网络R5、C4产生一个零点，用来补偿光耦寄生电容产生的极点。误差信号在光耦三极管侧以电流信号输入控制芯片LM5035的COMP端，并经过芯片内部1:1的电流镜电路转化为电压信号输入至PWM比较器的负端，与PWM比较器的正端的振荡信号RAMP比较产生PWM驱动信号，从而控制主功率电路保持输出电压恒定。当输出电压Vo大于控制目标值时，经过R2、R3分压采样的电压大于基准电压Vref，运算放大器输出低电平，光耦隔离器二极管侧导通电流变大，光耦三级管测感应到的电流也变大，从而流入控制器LM5035的电流变大，输入PWM比较负端的电压信号减小，PWM比较器产生的控制信号占空比变小，输出电压会被调回控制目标值，反之亦然。

例如：将两个零点配置在谐振频率ωo处，用来抵消双重极点的作用，将2个普通极点配置在主功率电路中输出电容C的等效串联电阻Resr带来的零点处，抑制高频信号的干扰。则环路补偿器单元电路传递函数为：

其中，Gc1(s)表示环路补偿器单元电路传递函数，s表示复数域。

环路补偿器单元电路产生的2个零点和2个普通极点为：

隔离补偿单元电路传递函数为：

由电阻R5、电容C4产生的零点w_Z3为：

其中，ωp表示光耦寄生电容产生的极点频率，CTR表示光耦隔离器的电流传输比。

综合考虑两部分补偿电路，本实施例的环路补偿电路的传递函数为：

通过上述公式可知，环路补偿电路中R2、C3、CTR可用来调节环路的增益，R4、C3可调节1个零点，R1、R2、C1可调节1个零点，R5、C4可调节1个零点，R1、C1可调节1个极点，R4、C2可调节1个极点。通过调节相应的电阻电容值就可以把环路补偿特性调节到理想状态。

DC/DC变换器常基于PWM调制模式，通过对输出电压Vo进行负反馈控制来保持稳定。该隔离型DC/DC变换器主功率电路常使用变压器隔离初次级电路，反馈控制电路常使用光耦隔离初次级电路。

如图2所示，图2为本实施例具体应用于隔离型DC/DC变换器的示意图，具体包括PWM控制器3、隔离变压器4、输出LC滤波器2及本实施例的环路补偿电路1(分压采样网络、误差补偿网络、隔离器)。

如图3所示，以半桥式隔离型DC/DC变换器为例，主功率电路由初级功率开关管Q1、Q2、变压器T、次级功率开关管Q3、Q4、输出滤波电感L电容C组成。基于小信号分析，变压器T的变比N引入一个比例环节，输出滤波电感L电容C构成双极点网络，在谐振频率处产生180°的相位延迟。由于负反馈本身又会带来180°的相位延迟，开环增益可能在谐振频率处达到360°相位延迟，产生自激振荡，导致输出电压不稳定。输出滤波电容C的等效串联电阻ESR会产生一个高频零点。因此，需要针对半桥式隔离型DC/DC变换器主功率电路幅频特性，设计相应的环路补偿电路，使得经过补偿后的DC/DC变换器有较好的幅频特性，从而使半桥式隔离型DC/DC变换器输出电压稳定。本实用新型提出的环形补偿单元电路和隔离补偿单元电路的两级补偿电路既可以使控制电路实现初次级电性能隔离，又可以补偿诸如电压控制型PWM模式的DC/DC变换器主功率电路，还可以补偿由隔离光耦带来的高频极点对环路增益的影响。

当诸如输入电压Vin、负载电流Io、环境温度Tc变化而导致输出电压Vo变化时，分压采样电路对输出电压Vo进行分压采样并与基准电压Vref比较，进而改变PWM控制器的占空比D，通过控制主功率电路的开关管，使输出电压稳定。

主功率电路和PWM控制器环节的传递函数为：

其中，G(s)表示主功率电路和PWM控制器环节的传递函数，Vramp表示PWM比较器斜坡信号的幅值，Vin表示输入电压，N表示隔离变压器初次级绕组匝数比，L表示输出电感，C表示输出电容，s表示复数域，R_esr表示输出电容C的等效串联电阻，R表示负载电阻。

主功率电路产生的双重极点频率为：

主功率电路输出电容C的等效串联电阻Resr产生的高频零点为：

主功率电路直流增益为：

通过上述公式可知，没有经过补偿的主功率电路的增益由Vramp、Vin、N决定，L、C、R决定双重极点的频率及谐振峰，Resr、C决定输出电容高频零点的频率。通过以上参数，可以确定没有经过补偿的主功率电路的增益相位特定，从而为环路补偿设计确定目标。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (4)

1.一种电压控制隔离型DC/DC变换器的环路补偿电路，其特征在于：包括隔离补偿单元电路及环路补偿单元电路；

所述环路补偿单元电路，用于补偿电压控制隔离型主功率电路环节产生的双重极点和高频零点，并提升静态增益；

所述隔离补偿单元电路，用于隔离初级与次级电路，同时补偿光耦隔离器寄生参数带来的极点，减小其对电源控制环路的不利影响。

2.根据权利要求1所述的电压控制隔离型DC/DC变换器的环路补偿电路，其特征在于：包括运算放大器N1，电阻R1、R2、R3、R4及电容C1、C2、C3，所述电阻R1的一端经电容C1与运算放大器N1的反相输入端连接，电阻R1的另一端与电源输出端连接，所述电阻R2并联在电阻R1与电容C1的两端，电阻R3的一端与运算放大器N1的反相输入端连接，电阻R3的另一端接地，电阻R4的一端与运算放大器N1的输出端连接，电阻R4的另一端经电容C3与运算放大器N1反相输入端连接，上述电容C2并联在电阻R4与电容C3的两端。

3.根据权利要求1所述的电压控制隔离型DC/DC变换器的环路补偿电路，其特征在于：所述隔离补偿单元电路包括光电耦合器N2、电阻R5、限流电阻R6、电容C4及滤波电容C5，所述电阻R5的一端与光电耦合器N2的二极管输出端连接，其另一端与环路补偿电路的输出端连接，所述电容C4并联在电阻R5的两端，所述电阻R6的一端与直流电源VCC2连接，其另一端与光电耦合器N2的二极管输入端连接，所述光电耦合器N2的三极管输入端与PWM控制芯片的REF端连接，光电耦合器N2的三极管输出端与PWM控制芯片的COMP端连接，所述滤波电容C5一端与PWM控制芯片的REF端连接，滤波电容C5的另一端接地。

4.一种电压控制隔离型DC/DC变换器的环路补偿方法，其特征在于，包括如下步骤：

通过分压采样电路将输出电压反馈采样至运算放大器的反相输入端，与同相输入端的基准电压信号作比较，并输出误差信号；

通过构建补偿网络使其产生一个主极点、两个零点和两个普通极点，将两个零点配置在主功率LC滤波电路谐振频率ωo处，用来抵消双重极点的作用，将两个普通极点配置在主功率输出电容的等效串联电阻带来的零点处，抑制高频信号的干扰；

经过补偿后的误差信号通过光耦隔离从电路次级侧传输至电路初级侧的控制芯片，通过设定电阻的调节使流入光耦二极管侧的电流限定在合适的工作范围内；

通过构建补偿网络，使之产生一个零点，以补偿光耦寄生电容产生的极点；

将补偿后的误差信号通过光耦三极管侧以电流信号输入控制芯片的COMP端，并经过控制芯片内部的电流镜电路转化为电压信号输入至PWM比较器的负端，与PWM比较器的正端的振荡信号比较产生PWM驱动信号，从而控制主功率电路保持输出电压恒定。