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负反馈环是所有线性电源和开关电源的核心部分,它使电源的输出电压保持恒定。为了实现这一功能,采用误差放大器来减小输出电压与理想参考电压的误差。从理论上讲,采用极高增益的反相放大器就行了。但实际上应用存在负载变化、输入电压突然升高或降低等情况,要求误差放大器对这些变化有相当快的响应,并且不会因此而产生振荡。这样就使问题变得复杂
了,因为电源功率部分的响应相对而言比较缓慢,如果误差放大器对变化的响应很慢,会使电源响应变得很迟缓;相反,如果加快响应速度,会使电源系统出现振荡。所以反馈设计就成了确定电源系统中误差放大器的响应速度和反馈深度的问题。
不要为自己在反馈补偿器设计方面知识的欠缺而感到担心,实际上,只有少数工程师理解反馈补偿环的原理。这是因为很多原理性的数学式子很难用到实际的电路设计中去。下面由浅八深地向读者介绍如何设计反馈补偿器,读者可以在20min内把反馈补偿器设计好。
开关电源中常见电路的博德响应
博德图很适合于反馈系统的分析。由于博德图要用到对数,所以设计时需要使用一个计算器。本节的目的不是要告诉读者所有关于博德图的知识,而是让读者理解实际电路的工作过程和它对电源响应方面的影响。
博德图实际上包括两部分:增益一频率图和相位一频率图。它表示经过双端口电路后输出电压信号相对于输入电压信号的增益和相位移。如果有多个这样的电路串联,将它们的博德图相加就是总的博德图响应。
将元器件简单组合在一起就可以产生极点和零点。单极点电路(见图1)从直流到转折频率范围内的增益是一条水平线,经过转折频率后以-20dB/dec下降。电路中两个元件阻抗相等处的频率就是转折频率,这两个元件中至少有一个元件是电抗性的,也就是说它的阻抗是随频率改变而改变的。电感的阻抗值(ZL=j2 fL)随频率增加而增加,电流滞后电压90°。电容的阻
抗值(ZL=1/j2 fC)在直流时是无穷大的,随频率增加而减小,电流超前电压90°。图1是一个简单的低通滤波器,电容的阻抗值在直流时是无穷大,当电容阻抗等于电阻阻值时,这个频率的输出交流电压幅值只有输入电压的一半,也叫做6dB点。输出信号的相位相对输入是-45°。这就是说,输入信号被延时了。电容阻抗远大于电阻阻值时,这个相位差会达到90°。
从经验上说,相位在转折频率左右±10倍频程内受到相应极点和零点的影响。零点(图2)与极点的作用正好相反,它从直流到转折频率范围内的增益响应是一条水平直线,过了转折频率后以+20dB/dec上升,超前的最大相位可达+90°。
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