高精度误差放大器的研究毕业论文.docx

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高精度误差放大器的研究毕业论文

摘要

开关电源因其具有稳压输入范围宽、效率高、功耗低、体积小、重量轻等显著特点而得到了越来越广泛的应用，从家用电器设备到通信设施、数据处理设备、交通设施、仪器仪表以及工业设备等都有较多应用，尤其是作为便携式产品的电池提供高性能电源输出，比其他结构具有不可超越的优势。

开关电源的稳定性直接影响着电子产品的工作性能,误差放大器是直流开关电源系统中电压控制环路的核心部分，其性能优劣直接影响着整个直流开关电源系统的稳定性，因而对高性能误差放大器的分析是本论文的主要研究目标。

本文误差放大器的分析基于Buck型DC-DC转换器，从系统稳定性、负载调整率及响应速度要求的角度出发，首先对该款Buck型DC-DC转换器的系统电压控制环路进行小信号分析,并对控制环路进行了零极点分布分析，确定环路补偿策略。

最后基于系统级来分析误差放大器。

关键词：

开关电源；Buck型DC-DC转换器；误差放大器。

Abstract

Duetotheirmeritsofwideinputrange,highefficiency,smallinsizeandlightinweightect,switchingpowersuppliesaregainingmoreandmoreapplicationareasintoday’smodernworld,rangingfromdomesticequipmentstosophisticatedcommunicationanddatahandlingsystems,especiallyinportabledevices,theyhaveunsurpassableadvantages.

Therapiddevelopmentofproductsincorrespondingapplicationareasrequiresthepowersuppliestohavebetterperformances.Therobustnessofswitch—modepowersuppliesdirectlyaffecttheperformanceofelectronicdevices.AsoneofthemostimportantpartsofswitchedmodeDCtoDCconverters,erroramplifierhassignificantinfluencesonthevoltagecontrolloop’sstability.ThusthispaperfocusesonthedesignofhighperformanceerroramplifierforDC-DCconvertersbasedonsystemrequirementsanalysis.AbuckDC-DCconverterwasconcerned,anerroramplifierforthebuckconverterwasdesignedfromthepointsofviewofsystemstability,loadregulationandresponsespeedrequirements.Atthefirstplace,theBuckDC-DCconverter’svoltagecontrolloopstabilityandpole-zeroanalysiswasdonebasedonasmallsignalmodelofthevoltagecontrolloop,thecompensationschemewasproposed.Atlast,accordingtothesystemleveltoanalysistheerroramplifier.

Keywords：

Switchingpower;BuckDC-DCConverter;ErrorAmplifier.

摘要I

AbstractII

1.诸论1

1.1引言1

1.2本文研究的目的与意义1

1.3本论文主要研究内容1

2.开关电源基础及其类型2

2.1开关电源基础理论2

2.1.1开关电源基本工作原理2

2.1.2开关电源的组成2

2.1.3开关电源的各种分类3

2.2开关电源典型结构[6]4

2.3DC-DC变换器7

2.3.1Buck变换器8

3.3.2Boost变换器10

3.Buck型DC-DC转换器及其控制方式分析12

3.1Buck型DC-DC转换器12

3.2Buck型DC-DC转换器及其控制方式13

3.2.1Buck型DC-DC转换器工作原理13

3.2.2Buck型DC-DC转换器的控制方式14

3.2.3Buck型DC-DC转换器工作模式18

3.3环路控制中误差放大器的重要作用18

4.开关电源管理电路系统分析19

4.1Buck型DC-DC转换器19

4.2开关电源控制环路的分析研究20

4.2.1Buck型DC-DC转换器稳定性分析20

4.2.2Buck型转换器电压环路控制模型21

5.误差放大频率特性及其补偿策略27

5.1控制电路的频率响应分析27

5.1.1频率响应27

5.1.2开关电源输出滤波电路分析28

5.2开关电源中负反馈及自激振荡分析30

5.2.1负反馈自激振荡30

5.2.2误差放大电路稳定分析30

5.3补偿误差放大器及频率校正策略32

5.3.1I类补偿误差放大器32

5.3.2Ⅱ类补偿误差放大器32

5.3.3Ⅲ型补偿误差放大器34

6.闭环设计中误差放大器的分析与研究36

6.1闭环控制系统中的误差放大分析36

6.2环路增益38

6.2.1带有LC滤波电路的环路增益38

6.2.2PWM增益39

6.2.3取样增益－反馈系数40

6.2.4输出LC滤波器的总增益40

6.3误差放大器的特性分析40

6.3.1误差放大器的幅频特性整形40

6.3.2误差放大器的传递函数、极点和零点42

6.3.3零点、极点和频率增益斜率变化43

6.4误差放大器零点、极点的分析与计算43

6.4.1Ⅱ型误差放大器零点和极点分析43

6.4.2采用Ⅲ型误差放大器及其传递函数45

6.4.3Ⅲ型误差放大器的相位滞后分析45

6.4.4Ⅲ型误差放大器零点和极点计算46

6.5反馈环路条件稳定探讨47

结论49

致谢50

参考文献51

1.诸论

1.1引言

随着电力电子及电子技术的迅猛发展，开关电源在计算机、通信、工业自动化、电子和电工仪器等领域的应用更加广泛。

不同的电子设备对电源参数诸如效率、电压、电流能力、噪声、纹波等的要求以及对电源体积、可靠性等的要求各不相同，这就对开关电源的管理电路提出了很高的要求。

本论文主要针对目前常用于便携式设备、分布式电源系统的Buck型DC-DC开关转换器，其输出电压的精度、电源抑制比等都直接取决于误差放大器的相关参数，因而，在对其系统工作原理分析的基础上，主要从系统控制环路稳定性、负载调整率及响应速度方面来分析研究误差放大电路。

1.2本文研究的目的与意义

误差放大电路作为电源管理电路中的关键模块，其性能优劣与整个电源系统的稳定性能密切相关。

误差放大器主要用于对输出端的反馈电压与基准电压的差值进行放大，并产生与电流比较器正向输入端信号进行比较的误差放大信号，误差放大器的核心结构一般采用跨导运算放大器结构，它的差模直流小信号增益、跨导、补偿方式等都将作为误差放大器研究的重要方面。

开关电源控制模式分为两种：

电压控制模式和电流控制模式。

这两种模式，虽然采样的方式各不相同，但是都需要误差放大器将输出采样电压与预设基准电压进行差分运算并放大生成误差放大信号反馈给系统控制电路，所以误差放大器对开关变换电路系统的稳定性、负载调整率以及响应速度有着决定性作用，它的性能好坏直接影响到开关变换器系统的性能，因而对开关电源管理电路中误差放大器的分析与研究具有重要的意义。

本文从最基本的开关电源工作原理及其控制方式入手，从Buck型DC-DC转换器系统稳定性、负载调整率及响应速度要求的角度出发来分析，研究管理电路中误差放大模块对电源系统的影响。

1.3本论文主要研究内容

本论文主要工作是开关电源控制电路误差放大的分析与研究，首先对开关电源的基本原理进行了介绍，接着在峰值电流模式下对控制模块Buck型DC-DC转换器进行了小信号分析，最后，在前几章分析的基础上，对闭环控制电路进行了误差放大分析，还着重研究了误差放大器在闭环设计中的应用。

2.开关电源基础及其类型

2.1开关电源基础理论

开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源，它使用电感，变压器，电容等贮能元件从输入端向输出端传送能量。

开关晶体管的控制电路调节着能量传输过程，使输出信号保持恒定。

开关电源内部功率管工作在高频开关状态，其等效电阻很小，当流过大的电流时，消耗在功率管上的能量很小，所以电源效率可以达到70％～90％，比普通线性稳压电源提高近一倍。

2.1.1开关电源基本工作原理

开关电源的工作原理可以用图2.1进行说明。

图中输入的直流不稳定电压Ui经开关S加至输出端，S为受控开关，是一个受开关脉冲控制的开关调整管，若使开关S按要求改变导通或断开时间，就能把输入的直流电压Ui变成矩形脉冲电压。

这个脉冲电压经滤波电路进行平滑滤波后就可得到稳定的直流输出电压U0[1]。

图2.1开关电源的工作原理

为方便分析开关电源电路，定义脉冲占空比如下：

式（2-1）

开关电源直流输出电压U0与输入电压Ui，之间有如下关系：

式（2-2）

由式（2-1）和式2-2）可以看出，若开关周期了T一定，改变开关S的导通时间TON。

即可改变脉冲占空比D，从而达到调节输出电压的目的。

2.1.2开关电源的组成

开关电源的基本组成如图2.2所示。

其中DC-DC变换器用以进行功率变换，它是开关电源的核心部分；驱动器是开关信号的放大部分，对来自信号源的开关信号进行放大和整形，以适应开关管的驱动要求；信号源产生控制信号，该信号由它激或自激电路产生，可以是PWM信号、PFM信号或其他信号；比较放大器对给定信号和输出反馈信号进行比较运算，控制开关信号的幅值、频率、波形等，通过驱动器控制开关器件的占空比，以达到稳定输出电压值的目的。

除此之外，开关电源还有辅助电路，包括启动、过流过压保护、输入滤波、输出采样、功能指示等电路[3]。

图2.2开关电源的基本组成

开关电源系统一般包括两大模块，第一个模块是功率主回路部分，完成能量的变换和传输，主回路使用的元件只有电子开关、电感和电容，但这三种元件的不同组合和连接形成不同类型的开关电源变换器。

第二个模块是控制回路，控制回路比较复杂，早期由分立器件组成，随着大规模集成电路的发展，现在集成电路芯片逐步代替了分立器件，集成电路是电源产品体积小、可靠性高，给应用带来了极大方便。

2.1.3开关电源的各种分类

开关电源种类繁多，根据开关晶体管的导通与关断是否与自身电流以及两端所加电压有关分为“硬开关”和“软开关”和“硬开关”中功率开关管按外加控制脉冲而通断，控制与本身流过的电流、二端所加