对一个简单的峰值电流限制进行改进方法
故障保护是所有电源控制器都有的一个重要功能。几乎所有应用都要求使用过载保护。对于峰值电流模式控制器而言，可以通过限制最大峰值电流来轻松实现这个功能。在非连续反向结构中，为峰值电流设置限制可最终限制电源从输入源获得的功率。但是，限制输入功率不会限制电源的输出电流。如果出现过载故障时输入功率保持不变，则随着输出电压下降，输出电流增加（P=V*I）。发生短路故障时，这会让输出整流器或者系统配电出现难以接受的高损耗。本文利用一些小小的创新和数个额外组件，为您介绍如何对一个简单的峰值电流限制进行改进，将电源变为一个恒定电流源，而非一个恒定功率源。
图1对比了理想输出电压与恒定功率和恒定电流限制的电流。这两种情况下，过载故障保护都在120%最大额定负载时起作用。在一个使用功率限制的系统中，输出电流随负载增加电压反向而增加。在现实系统中，有功率限制的反向控制器会在某个点关闭，原因是控制器的偏压损耗。相比之下，一旦超出过载阈值，有电流限制的系统便会立刻关闭。可以通过直接检测隔离边界二次侧的负载电流，实现电流限制。但是，这样做需要使用更多的电路，效率降低，而且成本一般会高得离谱。
图2 显示了移动设备充电器所使用的一个5V/5W 非连续反向电源的原理图。在范例中，我们使用了UCC28C44 控制器，它是大多数经济型峰值电流模式控制器的代表，拥有功率限制功能。在非连续反向结构中，如果忽略效率影响，可使用方程式1 计算负载功率（P）的大小。
由于变压器电感（L）和开关频率（f）均固定不变，因此可以通过控制峰值一次电流（IPK）对输出电压（VOUT）进行调节。随着输出电流（IOUT）增加，电压开始下降，但是反馈环路要求更高的峰值电流来维持电压调节。
在反向转换器内部，引脚1（COMP）的反馈电压与峰值电流比较。通过R15 检测该峰值
一种简单有效的限流保护电路
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一种简单有效的限流保护电路 陈世杰，顾亦磊，吕征宇 （浙江大学电气工程学院，浙江杭州310027） 摘要：提出了一种简单有效的限流保护电路，论述了该保护电路应用于宽范围输入正激变换器和宽范围输入反激变换器时工作状况的区别，并给出了一个适用于宽范围输入反激变换器的补偿电路。最后的实验结果验证了限流保护电路及补偿电路的工作原理及其有效性。 关键词：过流保护；正激；反激 0 引言 过流保护电路是电源产品中不可缺少的一个组成部分，根据其控制方法大致可以分为关断方式和限流方式。限流方式由于其具有电流下垂特性，故障解除后开关电源能自动恢复工作，因此，得到比较广泛的应用。 限流保护电路首先要有一个电流取样环节，目前，一般的做法是串联一个小电阻或者是用霍尔元件来 获得电流信号。当取样电流比较小的时候，这两种取样方法都是可取的。但当取样电流比较大时，电阻取样会有较大的损耗，降低了变换器的效率，而霍尔元件取样其体积比较大，且价格昂贵，对整个电源的成本也是个问题。 基于以上考虑，本文提出一种简单有效的限流保护电路，克服了以上两种方式取样大电流时的缺点。它适用于正激、反激等各种变换器，而且成本也比较低。 1 限流保护电路工作原理 图1中虚线框外的电路是普通的峰值电流方式的PWM控制电路，利用电流互感器取样峰值电流。图中所示的PWM芯片是ST公司生产的L5991。虚线框内是本文所提出的限流保护电路。它利用峰值电流控制中的电流信号作为输入信号，通过一个由D, R, C i组成的峰值保持电路和由运放组成的PI环节得到一个误差信号，在变换器的输出电流超过限定值的时候，该误差信号就会控制PWM芯片的占空比，从而使输出电流保持 在限定值。由于D存在，当输出电流低于限流值时，该部分电路对占空比的控制不起作用。
对一个简单的峰值电流限制进行改进方法 故障保护是所有电源控制器都有的一个重要功能。几乎所有应用都要求使用过载保护。对于峰值电流模式控制器而言，可以通过限制最大峰值电流来轻松实现这个功能。在非连续反向结构中，为峰值电流设置限制可最终限制电源从输入源获得的功率。但是，限制输入功率不会限制电源的输出电流。如果出现过载故障时输入功率保持不变，则随着输出电压下降，输出电流增加（P=V*I）。发生短路故障时，这会让输出整流器或者系统配电出现难以接受的高损耗。本文利用一些小小的创新和数个额外组件，为您介绍如何对一个简单的峰值电流限制进行改进，将电源变为一个恒定电流源，而非一个恒定功率源。 图1对比了理想输出电压与恒定功率和恒定电流限制的电流。这两种情况下，过载故障保护都在120%最大额定负载时起作用。在一个使用功率限制的系统中，输出电流随负载增加电压反向而增加。在现实系统中，有功率限制的反向控制器会在某个点关闭，原因是控制器的偏压损耗。相比之下，一旦超出过载阈值，有电流限制的系统便会立刻关闭。可以通过直接检测隔离边界二次侧的负载电流，实现电流限制。但是，这样做需要使用更多的电路，效率降低，而且成本一般会高得离谱。 图2 显示了移动设备充电器所使用的一个5V/5W 非连续反向电源的原理图。在范例中，我们使用了UCC28C44 控制器，它是大多数经济型峰值电流模式控制器的代表，拥有功率限制功能。在非连续反向结构中，如果忽略效率影响，可使用方程式1 计算负载功率（P）的大小。 由于变压器电感（L）和开关频率（f）均固定不变，因此可以通过控制峰值一次电流（IPK）对输出电压（VOUT）进行调节。随着输出电流（IOUT）增加，电压开始下降，但是反馈环路要求更高的峰值电流来维持电压调节。 在反向转换器内部，引脚1（COMP）的反馈电压与峰值电流比较。通过R15 检测该峰值
正负不对称波形的双极性峰值输出电路 电路的功能 这是一种输入为零交正弦信号，输出为不同时的正负压差的电路，它由峰值检波电路和差动放大器组成。 而要保持单信号峰值、输出，然后“复位”或等待自然放电完毕，再输入下一个信号时，可采用本电路。 电路工作原理 OP放大器A1、A2分别为正、负峰值检波电路，二极管D1、D2接在反馈环路中，其正向电压降VF和温度系数对环路的影响可以忽略。输入信号经过峰值检波后，分别成为-VP和+VP，再用差动放大电路A 3、A4对其进行减法运算，则可得到峰-峰值电压+VP-P=+VP-（-VP）。本电路可以有两种工作方式，一是由电阻R4、R5分别选定T1=C1.R4，T2=C2.R5的放电时间，得到长周期的信号幅值，二是使用“复位”开关S1、S2，测量开始时，各开关打开，测量信号峰值，测量结束，接通开关，将保持的电荷释放，等待下一个信号输入。若希望输出具有增益，可接上带★号的电阻R0，其增益为A=1+（20K/R0）。 元件的选用 增加电容器C3、C4的目的是避免由于存在突发负载C1、C2而出现的不稳定，其时间常数和容量没有严格的限制。二极管D1、D2为低漏二极管1SS104，当峰值电压保持时间在数秒以内时，也可采用普通的小信号二极管1S1588或1S953。保持电容器C1、C2最好选用绝缘电阻高的产品，容量在1UF以上时，可选用薄膜电容，为了延长保持时间，与其用加大电容量的办法，不如把OP放大器A1~A4都改用高输入阻抗、低输入偏流的BI-FET型OP放大器。“复位”开关S1、S2可选用双接点式继电器或C-MOS模 拟开关。
注释 保持电路的泄漏问题 峰值保持电路或取样保持电路都存在泄漏问题，表现在被保持的电压会逐渐下降，保持电容器CH中贮存的电荷永久保存这是理想情况，但是由于电路的漏电电流或由于绝缘电阻的影响，会使保持的电压降下降。图1是简化的电压保持电路，接通开关SW以后，电压E存入CH中，然后断开开关，使电压得到保持，被保持的电压会象图2所示的实线那样呈指数曲线下降或象虚线那样，随输入偏流IB的不同，以不同的斜率（△E=（IB/CE）△L）下降。可根据图示分析电压下降的具体原因。
开关电源峰值电流模式控制PWM的优缺点 近年来电流模式控制面临着改善性能后的电压模式控制的挑战，因为这种改善性能的电压模式控制加有输入电压前馈功能，并有完善的多重电流保护等功能，在控制功能上已具备大部分电流模式控制的优点，而在实现上难度不大，技术较为成熟。 由输出电压VOUT 与基准信号VREF的差值经过运放（E/A）放大得到的误差电压信号 VE 送至PWM比较器后，并不是象电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜波比较，而是与一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖角状合成波形信号 VΣ比较，然后得到PWM脉冲关断时刻。因此（峰值）电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度，而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小，然后间接地控制PWM脉冲宽度。 电流模式控制是一种固定时钟开启、峰值电流关断的控制方法。因为峰值电感电流容易传感，而且在逻辑上与平均电感电流大小变化相一致。但是，峰值电感电流的大小不能与平均电感电流大小一一对应，因为在占空比不同的情况下，相同的峰值电感电流的大小可以对应不同的平均电感电流大小。而平均电感电流大小才是唯一决定输出电压大小的因素。电感电流下斜波斜率的至少一半以上斜率加在实际检测电流的上斜波上，可以去除不同占空比对平均电感电流大小的扰动作用，使得所控制的峰值电感电流最后收敛于平均电感电流。因而合成波形信号VΣ要有斜坡补偿信号与实际电感电流信号两部分合成构成。当外加补偿斜坡信号的斜率增加到一定程度，峰值电流模式控制就会转化为电压模式控制。因为若将斜坡补偿信号完全用振荡电路的三角波代替，就成为电压模式控制，只不过此时的电流信号可以认为是一种电流前馈信号。当输出电流减小，峰值电流模式控制就从原理上趋向于变为电压模式控制。 当处于空载状态，输出电流为零并且斜坡补偿信号幅值比较大的话，峰值电流模式控制就实际上变为电压模式控制了。峰值电流模式控制PWM是双闭环控制系统，电压外环控制电流内环。电流内环是瞬时快速的，是按照逐个脉冲工作的。 功率级是由电流内环控制的电流源，而电压外环控制此功率级电流源。在该双环控制中，电流内环只负责输出电感的动态变化，因而电压外环仅需控制输出电容，不必控制LC 储能电路。峰值电流模式控制PWM具有比起电压模式控制大得多的带宽。以下是开关电源峰值电流模式控制PWM的优缺点： 峰值电流模式控制PWM的优点是： ①暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快； ②控制环易于设计； ③输入电压的调整可与电压模式控制的输入电压前馈技术相妣美； ④简单自动的磁通平衡功能； ⑤瞬时峰值电流限流功能，内在固有的逐个脉冲限流功能； ⑥自动均流并联功能。 峰值电流模式控制PWM的缺点是： ①占空比大于50%的开环不稳定性，存在难以校正的峰值电流与平均电流的误差。 ②闭环响应不如平均电流模式控制理想。 ③容易发生次谐波振荡，即使占空比小于50%，也有发生高频次谐波振荡的可能性。因而需要斜坡补偿。 ④对噪声敏感，抗噪声性差。因为电感处于连续储能电流状态，与控制电压编程决定的电流电平相比较，开关器件的电流信号的上斜波通常较小，电流信号上的较小的噪声就很容易使得开关器件改变关断时刻，使系统进入次谐波振荡。 ⑤电路拓扑受限制。
基于FPGA的快速响应峰值保持电路 刘江涛1, 2 吴伯冰1董永伟1张永杰1邢闻1 柴军营1赵冬华1徐鹤1 1（中国科学院高能物理研究所北京 100049） 2（中国科学院研究生院北京 100049） （E-mail: jtliu@https://www.doczj.com/doc/1a6737277.html,） 摘要：本文介绍了一种基于FPGA的快速响应脉冲峰值保持电路，可用于SVOM/GRM复合晶体输出信号的脉冲形状甄别。该电路结构简单，控制方便，可靠性高；测试结果表明：其响应时间～100ns，动态范围100mv～2000mv，满足设计要求。 关键词：峰值保持电路，快速响应，FPGA 1.引言 SVOM（space multi-band variable object monitor）是中国与法国合作研制的专门观测和研究伽玛射线暴（GRB）的天文科学卫星，伽玛监视器GRM（Gamma Ray Monitor）是SVOM的主要科学载荷之一[4]，实现对伽玛暴的实时触发和宽能谱测量，探测器部分由三层闪烁体构成（PS、NaI（TI）、CsI（Na）），并且共用一个光电倍增管输出信号，由于三种闪烁体的发光衰减时间不同，电子学系统需要根据波形的不同对光电倍增管的输出信号进行分类处理，这样就需要利用脉冲形状甄别技术（pulse shape discrimination，PSD）技术。由于需要处理的信号包括塑料闪烁输出的快信号（上升时间～100ns），设计具备快速响应能力的峰值保持电路是实现PSD 功能的基础。 峰值保持电路的作用是获取输入电压脉冲的峰值，并产生输出V0=VI(peak)。为了实现这个目标，让V0跟踪VI直至输入信号达到峰值。这个峰值会一直被保持，直至一个新的更大的峰值 现在通用的峰值保持电路主要有两种：跨导型与电压型[1]，电压型电路原理简单，但积分非线性大、动态范围小、小幅度响应差、通频带宽也小，所以此种电路不具有快响应的特征，不适合处理快信号；跨导型峰值保持电路具有响应速度快、动态范围大和误差小的优点，但是电路结构比较复杂。针对核物理实验中应用的峰值保持电路，文献[2][3]介绍了相应的改进方法，但是，在航天电子学的设计中需要考虑到电路设计的可靠性、元器件选择符合航天要求、电路设计简单、电路控制简单等特点，因此，本文中设计的峰值保持电路基于跨导型峰值保持电路的原理，同时通过FPGA与模拟开关完成控制充放电。
峰值电流模式控制总结 PWM (Peak Current-mode Control PWM) 峰值电流模式控制简称电流模式控制。它的概念在60年代后期来源于具有原边电流保护功能的单端自激式反激开关电源。在70年代后期才从学术上作深入地建模研究。直至80年代初期，第一批电流模式控制PWM集成电路（UC3842、UC3846）的出现使得电流模式控制迅速推广应用，主要用于单端及推挽电路。近年来，由于大占空比时所必需的同步不失真斜坡补偿技术实现上的难度及抗噪声性能差，电流模式控制面临着改善性能后的电压模式控制的挑战。如图1所示，误差电压信号 Ue 送至PWM比较器后，并不是象电压模式那样与振荡电路产生的固定三角波状电压斜坡比较，而是与一个变化的其 比较，然后得到峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖角状合成波形信号U Σ PWM脉冲关断时刻。因此(峰值)电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度，而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小，然后间接地控制PWM脉冲宽度。 图1采用斜坡补偿的BUCK电流型控制 1. 峰值电流模式控制PWM的优点: ①暂态闭环响应较快，对输入电压的变化和输出负载的变化的瞬态响应均快；峰值电流模式控制PWM是双闭环控制系统，电压外环控制电流环。电流环是瞬时快速按照逐个脉冲工作的。功率级是由电流环控制的电流源，而电压外环控制此功率级电流源。在该双环控制中，电流环只负责输出电感的动态变化，因而电压外环仅需控制输出电容，不必控制LC储能电路。由于这些，峰值电流模式控制PWM具有比起电压模式控制大得多的带宽。 ②虽然电源的L－C滤波电路为二阶电路，但增加了电流环控制后，只有当误差电压发生变化时，才会导致电感电流发生变化。即误差电压决定电感电流上升的程度，进而决定功率开关的占空比。因此，可看作是一个电流源，电感电流与负载电流之间有了一定的约束关系，使电感电流不再是独立变量，整个反馈电路变成了一阶电路，由于反馈信号电路与电压型相比，减少了一阶，因此误差放大器的控制环补偿网络得以简化，稳定度
第27卷 第2期核电子学与探测技术 Vol.27 No.2 2007年 3月 Nuclear Elect ronics &Detection Technology March 2007 一种适用于高速窄脉冲的峰值保持电路 彭 宇1,2,苏 弘1,董成富1,李 勇1,2,李素琴1,2, 李小刚1,马晓莉1,千奕1,2 (1.中国科学院近代物理研究所,兰州730000;2.中国科学院研究生院,北京100049) 摘要:介绍一种适用于高速窄脉冲的峰值保持电路,该电路输入信号的幅度≥50mV 、前沿≤3ns 、脉宽≤15ns 、频率≥20M Hz 、增益为3,峰展宽时间可调(0.4～5 μs )。该电路结构简单,可靠性好。关键词:速;窄脉冲;峰展宽;电路 中图分类号: TN78 文献标识码: A 文章编号: 025820934(2007)022******* 收稿日期:2005212221 作者简介:彭宇(1980—),男,贵州人,博士 该电路主要功能是对前端放大器的输出信 号进行峰展宽或称峰值保持,以便后续电路采样,进而进行数据处理。该电路是一种通用型峰展宽电路,它也适用于其他信号特别是高速窄脉冲信号的峰展宽,从而为高速窄脉冲信号的峰值测量提供了一种方法与手段。该电路可以接受脉宽≤15ns ,前沿≤3ns ,频率≥20M Hz ,幅度≥50mV 的输入信号。与一般的的峰值保持电路相比,该电路具有较高的灵敏度,频带宽,反应速度快,小信号响应好的特点。 1 电路基本结构[1] 电路在结构上包括模拟部分和数字部分, 模拟部分完成对信号的积分保持,而数字部分完成对输入信号获取和积分信号泻放的逻辑控制。其原理框图如图1所示。输入信号分成两路,一路通过模拟开关进入积分电路,一路经过高速比较器和逻辑电路产生控制逻辑,来控制模拟开关以便完成对输入信号的获取和积分信号的泻放,最后,通过一级放大器输出驱动后续获取电路。 2 电路原理分析 2.1 一般峰值保持电路存在的问题 图1 电路结构框图 图2为一般的峰值保持电路。 一般峰值保持电路中运放充当跟随器,利 用二极管单向导电性对输入信号进行峰值保持。电容C 为保持器件,初始状态电容电压U C 等于零。M 为模拟开关,复位脉冲通过控制模拟开关对电容上的电压进行放电。理想情况下,当输入信号U i 上升时,通过放大器A1和二极管D 对电容C 充电,直至电容C 上的电压U Cmax.等于输入电压U imax.;只要输入电压U i 30kW电流模式PWM控制的DCDC功率变换器
华 伟 1965年生,1990 年获北京工业大学功率半 导体器件专业工学硕士学位,副教授,从事新型电力电子器件应用及开关功率变换器的教学和科研工作。 设计与研究 30k W 电流模式PWM 控制的 DC DC 功率变换器 北方交通大学(北京100044) 华 伟 摘 要:新型30k W 电流模式P WM 控制的功率变换器采用N PT -IGBT 器件,无需串联隔直防偏磁电容,使用有源斜坡补偿技术,效率达到90%,具有极好的动态响应、过流保护及模块均流并联性能,是一种具有极大功率扩容(可达到100k W )潜力并易于工程化实现的IGBT 功率变换器。 关键词:电流模式 IGBT 全桥拓扑 开关模式整流器 变换器 收修改稿日期:1999203215 30k W curren t m ode P WM con trolled DC DC power converter N o rthern J iao tong U n iversity (B eijing 100044) Hua W e i Abstract :P resen ted in the paper is a novel 30k W cu rren t mode P WM con tro lled pow er converter .T he converter ,of w h ich the efficiency reaches 90%,app lies N PT -IGBT device and an active slope compen sati on techno logy w ith no need to series connect a DC b lock ing and b ias 2p roof capacito r .It featu res excellen t dynam ic respon se ,over 2cu rren t p ro tecti on ,parallel modu le cu rren t equalizati on ,very h igh pow er expan si on po ten tial (as h igh as 100k W )as w ell as easy engineering realizati on . Key words :cu rren t mode ,IGBT ,fu ll 2b ridge topo logy ,S M R ,converter . 近年来,随着新型电力电子器件的飞速发展, 10k W 以上的直流功率变换器已从SCR 的低频相控整流器方式发展为IGB T 的高频DC DC 开关功率变换器方式。国外的DW A 、GEC -AL STON 、AD tranz 、ABB [1] 等公司也于近年研制出各自的IGB T DC DC 充电机,主要用于高速电气化列车及地铁列车。IGB T DC DC 充电机的重量、 体积大幅度减小,性能明显改善,但要实现15k W ～200k W 的DC DC 高频开关功率变换,存在许多技术问题需要解决。下面根据30k W IGB T DC DC 充电机的研制情况,对有关技术问题进行分析研究。 1 主电路及控制方案 (1)主电路原理图 不同的DC DC 功率变换器拓扑及PWM 控制方法可以构成许多不同的主电路及控制方案[2]。根据技 术的成熟程度、工程化实现难度、装置的性能要求、系列化功率扩容考虑、长期可靠性要求等,在设计30k W IGB T DC DC 充电机时,选择了电流模式PWM 控制 的全桥拓扑(无隔直电容)功率变换器方案。功率变换器的工作频率约为20kH z 。主电路原理如图1所示。 其中C 2为母线单电容型snubber 电路,CT 为检测一次侧电流用的电流互感器。此一次侧电流信号用作电流模式PWM 反馈控制 。 图1 IGBT DC DC 充电机用功率变换器主电路原理图 (2)控制系统原理方框图 控制系统原理如图2所示。这是一个由110V 输出电压控制的电压外环及电流互感器CT 所检测的一次侧电流内环构成的双闭环反馈系统。斜坡补偿电路是电流模式PWM 控制的大占空比双端开关电源电路是为防止次谐波振荡所必需的。反馈补偿网络用以控制电压反馈闭环的稳定性。A 、B 两路驱动信号分别提供给图1中的两路对角线IGB T V 1、V 3和V 2、V 4。 1999年第5期机 车 电 传 动№5,1999 1999年9月10日EL ECTR I C DR I V E FOR LOCOM O T I V E Sep .10,1999
峰值电流型控制Buck 等效功率级的小信号传递函数 普高（杭州）科技开发有限公司 张兴柱 博士 Buck 变换器在峰值电流型控制下的等效功率级小信号传递函数（CCM ）： ) 1)(1()1()(220n n p p zc vc vc s Q s s s G s G ωωωω++++′≈′ )1)(1()1()(220 n n p p zc vg vg s Q s s s G s G ωωωω++++′≈′ ) 1()1()(0p zc out s s R s Z ωω++′≈′ 其中：101F R R G i vc = ′，120F F L RT G s vg =′，10F R R =′ 11F RC p =ω，)5.0(1?′=D m Q c p π，C R c zc 1=ω，s n T πω= )5.0(11?′+ =D m L RT F c s ，)]21([2D D m D F c ??′=，n e c S S m +=1 i o g n R L V V S ×?= 从求得的峰值电流控制Buck 等效功率级的三个CCM 小信号传递函数，我们可以来分析这种控制的特点。其峰值电流控制等效功率级的控制电压到输出电压小信号传递函数)(s G vc ′，和输入电压到输出电压小信号传递函数)(s G vg ′，形式完全相同，所不同的只是零频分量。它由一个左半平面单极点，一个1/2开关频率处的双极点和一个因输出滤波电容ESR 引起的左半平面单零点组成。双极点的频率在1/2开关频率，比起开关电源的带宽要高得多，故一般情况下可将其忽略。在R.Ridely 引入采样函数之前的分析文章中，所得到的结果都是用一阶小信号传递函数近似，所以就不能解释在实验中出现的子谐波振荡现象。所谓的子谐波振荡是峰值电流型控制的等效功率级，在工作占空比大于0.5时和无外部补偿斜波时，会在输出产生一种1/2开关频率的有规则的振荡，可在MOSFET 的ds V 波形上反映出来，它在时钟的相邻开关周期内，具有不同的导通时间和截止时间，一长一短，其波形示意图如图1所示。虽然这种振荡波形，人耳一般听不到，但它会影响开关电源长期工作的可靠性，所以必须避免。
第17卷 第4期 核电子学与探测技术V o l.17N o.41997年7月N uclea r Elect ro nics &Detectio n T ech no lo gy July 1997 新型高性能脉冲峰值保持电路 陈勇 李延国 吴枚 (中国科学院高能物理研究所,北京,100039)本文介绍了两种新型跨导型脉冲峰值保持器,分别用于多丝正比室(M W PC )和复合晶体闪烁探测器(Phoswich)输出脉冲信号的形状和幅度分析。电路的跨导放大级采用跨导型集成运算放大器,使电路结构简单化,且性能优良可靠,能响应输入脉冲最小上升时间分别为50ns(Pho swich )和500ns(M W PC)的信号,在40dB 的动态范围内,两电路的积分非线性均好于0.1%,特别适用于空间γ射线观测。 关键词:脉冲峰值保持电路 跨导放大器 1 引言 峰值保持电路是核物理实验中的重要线路单元[1～6]。从60年代至今,峰值保持电路的前级(探测器及前置放大器)和后级(A /D 转换器等)发展极为迅速,而作为桥梁的峰值保持电路却发展得相对较慢,使其成为制约整个系统性能提高的瓶颈。传统的峰值保持电路是电压型的[3] (如图1),电路的原理简单,但积分非线性大,动态范围小(小幅度响应差,一般大于200mV ),通频带也小,在处理快信号时性能不太令人满意。在80年代,出现了跨导型峰值保持器[1],其性能优于电压型的。并不断发展出适合于不同需要的跨导型峰值保持器[1,2,6]。 图1 电压型峰值保持电路图2 跨导型峰值保持电路 对于电压型峰值保持电路,从频域上说,由二极管D 和电容C 所组成的网络有一极点,并且由于二极管内阻不是常数,该极点位置并不固定。而运算放大器A 本身也有极点,为了电路能够稳定工作,只好降低整个电路的通频带,这样就不适用于处理快信号。另外,信号从输入到反馈回来需一定的时间,称回路时间t 1,所以在电容上电压V c 达到V i 的峰值时,要经过t 1时间才能反馈回来,使二极管D 截止,这样就会产生过冲,过冲V p 的大小为: V p =∫t 0 +t 1t 0A 〔V i (t )-V 0(t )〕/〔C (Z d +Z C )〕d t 其中Z d 和Z c 分别为二极管D 和电容C 的阻抗,A 为运算放大器的开环放大倍数。由于A 通241 本工作得到国家自然科学基金金资助及中国科学院宇宙线与高能天体物理开放实验室资助
一、电流型控制原理及特点 原理： 电流型脉宽调制(PWM)控制器是在普通电压反馈PWM 控制环内部增加了电流反馈的控制环节,因而除了包含电压型PWM 控制器的功能外,还能检测开关电流或电感电流,实现电压电流的双环控制。控制原理框图如下图（图1）所示。 图 1 双环电流型控制器原理图 从图 1 可以看出,电流型控制器有两个控制闭合环路:一个是输出电压反馈误差放大器Ａ,用于与基准电压比较后产生误差电压;另一个是变压器初级(电感)中电流在Rs 上产生的电压与误差电压进行比较,产生调制脉冲的脉宽,使得误差信号对峰值电感电流起着实际控制作用。系统工作过程如下:假定输入电压下降,整流后的直流电压下降,经电感延迟使输出电压下降,经误差放大器延迟Vca 上升,占空比变化,从而维持输出电压不变,在电流环中电感的峰值电流也随输入电压下降,电感电流的斜率di/dt 下降,导致斜坡电压推迟到达Vca,使PWM 占空比加大,起到调整输出电压的作用。由于既对电压又对电流起控制作用,所以控制效果较好在实际中得到广泛应用。 特点： a)由于输入电压Vi 的变化立即反映为电感电流的变化,不经过误差放大器就能在比较器中改变输出脉冲宽度(电流控制环),因而使得系统的电压调整率非常好,可达到0.01%V, 能够与线性移压器相比。 b)由于双环控制系统内在的快速响应和高稳定性,反馈回路的增益较高,不会造成稳定性与增益的矛盾,使输出电压有很高的精度。 ｃ)由于Rs 上感应出峰值电感电流,只要Rs 上电平达到1V,PWM 控制器就立即关闭,形成逐个脉冲限流电路,使得在任何输入电压和负载瞬态变化时,功率开关管的峰值电流被控制在一定范围内,在过载和短路时对主开关管起到有效保护。 d)误差放大器用于控制,由于负载变化造成的输出电压变化,使得当负载减小时电压升高的幅度大大减小,明显改善了负载调整率。 e)由于系统的内环是一个良好的受控电流放大器,所以把电流取样信号转变成的电压信号和一个公共电压误差放大器的输出信号相比较,就可以实现并联均流,因而系统并联较易实现。 二、峰值电流控制与平均电流控制的比较 峰值电流模式控制和平均电流模式控制相比主要具有以下缺点: (1)对噪声敏感，峰值电流模式控制是将电感电流的上升沿(即开关电流)同设定的电流值相比较,当瞬态电流达到设定值,ＰＷＭ比较器输出翻转将功率开关管关断。电感电流上升到设定值的坡度即(Vin-Vout)/L 很小,特别是Vin 小时坡度更小,所以这种控制方法易受噪声干扰。每次开关管通断时都会产生噪声尖峰,并且耦合到控制电路的一个小电压就能使开关管迅速关断,使电路处于次谐波运作模式产生很大的纹波,所以
Boost 变换器基本电路形式如图1所示 图1 Boost 变换器基本电路 在boost 电路中, g V 是输入电压，L 是滤波电感,1、2为开关器件，C 是滤波电容,R L 为负载电阻，)(t i L 是流过电感的电流，)(t i C 是流过电容的电流，V 是输出电压。该电路有两种工作状态； 一种为开关接到1的工作状态，如图2所示 图2 Boost 电路开关1状态 分析可知 ; (1) 另一种开关接到2的工作状态,如图3所示
图3 Boost 电路开关2状态 其中 (2) 根据电压定理作)(t V L 与时间的函数关系，如图4所示 图4 电感电压与时间的函数关系 S g S g S L T D V V DT V T 0 dt t V ')()(-+?=? 即 )()(''S S S g T VD T D DT V 0-++?= 可得 D 11D 1 V V D M g -===')( （3） 根据电流定理作)(t i C 与时间的函数关系，如图6所示
图6 电容电流与时间的函数关系 S L S S C T D R V i DT R V dt T 0t i ')()()(-+?-=? 即 L S S S i T D T D DT R V 0?++?-='')()( 可得； R D 1Vg i 2L )(-= （4） 通过对理想Boost 变换器在一个开关周期内两个工作阶段的分析，得到电感电压的分段函数： ()()?? ????+=??ττττd V d V T 1V S T D L D 0L S L （5） 用平均变量代替瞬时变量,化简得 ()()V V D 1DV V g g L --+= （6） 又因为 ()()dt t di L d V T 1 V L T 0L L S ==?ττ （7） 将上式带入（5）得电感电压平均值的表达式 ()()V D 1V dt t di L g L --= （8） 同理可得电容电流平均值的分段表达式 ()()()R V t i D 1dt t dv C L --= （9） 为了将上式非线性问题线性化，找到变换器的静态工作点，对上面式子分离扰动，表示为直流分量和小信号分量之和，直流分量描述变换器的稳态解，交流小信号分量描述变换器在静态工作点处的动态性能。 )()(_____t v V t v g g g ∧ += )()(____t i I t i ∧ += )()(____t v V t v ∧ +=
激光窄脉冲信号的峰值探测电路分析 摘要：激光窄脉冲信号的峰值功率检测对研究激光脉冲的能量特性和评估其毁伤效果具有很大的利用价值。本文对峰值保持电路进行改进，使其适合窄脉冲信号的峰值功率检测，并详细讨论了峰值保持电路的各项技术指标，得出放大器的带宽、转换速率，二极管的导通电阻、结电容及结间载流子的渡越时间，和缓冲器的输入电流对下垂速率及线性度的影响。根据各技术指标的影响合理选择器件，结合A/D采集功能给出了几种电路设计方案并比较它们的优劣。 关键词：激光窄脉冲信号；峰值保持；技术指标；A/D采集 Peak Holding Circuit Analysis for Laser Short Pulse Signal Abstract: A circuit which can complete peak holding function for laser short pulse signal power is with great value for its purpose to study its characteristic of energy and damage effect. In this paper, the peak holding circuit is improved to adapt to peak power detecting for laser short pulse signal , and some technical indexes ,which are OP bandwidth, slew rate, diode on-resistance, junction capacitance and carrier transit time, input current of buffer, are studied in detail for their effectiveness to droop rate and linear ratio. Based on technical indexes, several circuit design scheme are showed and compared of their good and bad with related to A/D sampling function. Keyword:laser short pulse signal；peak holding；technical index；A/D sampling
电流模式降压控制器的精确控制环路 标签: 控制器电流2012-09-16 14:56 峰值电流控制模式通常是电源设计人员的首选方案，因为其控制-输出传输函数具有一阶频率响应特性。基于一阶模型的控制回路设计的相位裕量接近90°。然而，实际应用中发现所能获得的相位裕量远远小于90°，具体取决于单位增益频率的选择、占空比和所采用的斜率补偿，这是由于控制回路电流比较器的采样效应引起的。本文描述了MAX1954A电流模式控制器的控制回路设计，设计时考虑了采样效应的影响，准确预测了相位裕量。这里使用的分析方法并不针对MAX1954A，能够适用于目前市场上的大多数电流模式降压IC。 一阶模型 降压型DC-DC转换器的典型电流模式控制环路如图1所示。采用固定频率时钟(CLK)导通高边MOSFET。PWM比较器反相输入端由电感电流产生的电压大于控制电压vc时，Q1关闭。通过vc设置峰值电感电流，以保持输出电压vo的稳定。这样，输出电感表现为一个电流源，从而得到一阶控制-输出传输函数。斜坡补偿电压vs 加到PWM比较器的第二反相输入端，在占空比高于0.5时可防止工作周期内的谐波不稳定性，提高噪声抑制。电流控制模式的相关波形如图2所示。 图1. 峰值电流控制模式电路原理图
图2. 电流控制模式波形图 控制-输出传输函数通常用于设计峰值电流模式控制器，如下式所示： 由上式可以估算输出电容Co和负载电阻Ro产生的极点ωp。由该式还可估算出输出电容及其等效串联电阻(ESR) Rc产生的零点ωz。由以上模型得出的增益和相位与实际应用获得的值不同，这是由于PWM比较器的“采样和保持”效应，每周期仅对电流波形采样一次的结果。查阅参考文献[1]可知：必须对以上公式中的简单峰值电流控制模型加以改进，使其在1/2开关频率处具有双极点，以体现采样效应。 估算相位裕量 下文描述了MAX1954A电流模式控制器的环路设计，考虑高频效应并精确估算了相位裕量。利用 MAX1954A*估板电路原理图实现该设计，参考了MAX1954A*估板数据资料和MAX1954A数据资料。 以下公式给出了精确的控制-输出传输函数：
峰值电流模式控制在移相全桥变换器中的应用 陈咸丰，尹斌 （河海大学，南京，210098） 摘要：本文主要讨论了峰值电流模式控制的斜坡补偿的原理和意义，设计了移相全桥零电压开关控制电路中的斜坡补偿电路。 关键词：峰值电流模式；斜坡补偿；稳定性；移相全桥 Application of Peak-Current-Mode-Control Technique in Phase-shift Full-bridge Converter CHEN Xian-feng，Yin Bing (Hohai University，Nanjing，210098，China) Abstract：The paper analyzes the principle and the meaning of slope compensation in peak current mode control .At last t he slope compensation in phase-shift full-bridge zero-voltage-switching circuit is designed. Keywords：peak current mode；slope compensation；stability；phase-shift full-bridge 1 引言 随着我国科技的发展和工业化进程的进一步提高，对通信开关电源和电力操作直流电源的效率、功率密度、可靠性和EMI 等提出了更高的要求。因此就需要采用新的主电路拓扑结构和采用新的PWM控制模式。目前研究较多的就是移相全桥软开关PWM 变换器的电路拓扑。其PWM控制模式也有电压模式控制和电流模式控制两种。传统的开关电源普遍采用电压模式控制的PWM技术，但在此控制模式下系统的动态响应速度比较慢。峰值电流模式控制的PWM技术正是针对电压模式控制PWM技术的缺点发展起来的。该模式控制因动态响应速度快、补偿电路简化、增益带宽大、易于均流等优点而被广泛应[]1 用。在移相全桥变换器中，控制策略多采用峰值电流模式控制。 2 两种PWM控制模式基本原理及特点2.1 两种PWM控制模式的基本原理 图1(a)为电压模式控制的PWM原理图。由图可以看出电压模式控制只有一个电压反馈闭环，采用脉冲宽度调制法。它工作的基本原理是：输出电压Uo与参考电压Uref经误差放大器EA放大后得到了一个误差电压信号Ue，Ue再与振荡电路产生的固定锯齿波电压经PWM比较器COM比较,由锁存器输出占空比随误差电压信号Ue变化的一系列脉冲。图1(b)为峰值电流模式控制的PWM原理图。由图可以看出，它是一个双闭环控制系统，电压外环控制电流内环。它工作的基本原理是：输出电压Uo与参考电压Uref经误差放大器EA 放大后得到一个误差电压信号Ue，Ue再与电感电流的采样电压Ur比较，由恒频时钟脉冲置位锁存器输出脉冲。当Ur幅度达到Ue电平时，PWM比较器的状态反转，锁存器复位，驱动撤除，功率管关断，电路逐个地检测和调节电流脉冲，由此控制电源输出的电压。
电流控制实际上一般是控制电感的电流.此时电感相当于一个内阻很大的电流源.由于要很快的跟踪直流电流,所以电流环速度很快.电压环控制的是输出电容上的电压,是外环.响应速度一般较慢. 在实际应用过程中,由于直接检测电感电流有时比较困难而且成本较高,所以检测开关管的峰值电流作为变通的方法.不过需要加入谐波补偿才能稳定. 电流模式DC-DC会有两个反馈回路控制输出电压稳定-- 内环即电流反馈回路,外环即电压反馈回路. 斜坡补偿是为了消除PWM占空比大于50%的条件下,电流环 出现的压谐波振荡现象,而在电流环反馈回路叠加一个正斜率 的补偿信号,或是在电压环反馈回路叠加一个负斜率的补偿信号.... 电流环的带宽一定要大于电压环的带宽. 1,他们的区别主要是采样电流比较的对象不同 2,电压控制模式采样电流是与振荡电路产生的固定三角波状电压斜坡比较 3,电流控制模式采样电流是一个变化的其峰值代表输出电感电流峰值的三角状波形或梯形尖角状合成波形信号比较,然后得到PWM脉冲关断时刻.因此(峰值)电流模式控制不是用电压误差信号直接控制PWM脉冲宽度,而是直接控制峰值输出侧的电感电流大小,然后间接地控制PWM脉冲宽度.(其实电流控制模式又分为峰值电流模式和平均电流模式) 关于电流型(峰值)控制,它的斜率补偿从某种程度上说,是引入了一些电压型控制特点.所以加了斜率补偿的电流型控制方法(峰值)实际上是一种混合体.加入斜率补偿注入的三角波完全遮蔽了采样电流,那么就是电压型控制了.如果在电压型控制芯片的三角波里边注入了电流信号,那就带有电流型控制的特点了,不过由于电压型控制的三角波还兼具CLK的共用,所以那样会改变频率…… 电压模式 误差电压同三角波比较,结果控制占空比. 电流模式 电流同误差电压比较,控制占空比.电流模式对振荡器斜率没有要求,振荡器主要是产生CLK 复位芯片内部的触发器用的. 电压模式的振荡器除了产生CLK外,还要产生波形质量很好的三角波供PWM单元使用. 所谓的电流型或者电压型问题实质上是讨论的PWM 的调制策略.此时还没有反馈还存在,所以是讨论的开环特性.并且这种控制策略可以和不同的拓扑结合,比如电流型正激,电压型反激(尽管几乎见不到,但是理论上是存在的.)电流型半桥(峰值电流是不适合半桥拓扑的,所以这里用的是平均电流型拓扑).
收稿日期:2003211216作者简介:夏 田(1977-),男,河南科技大学硕士研究生。 文章编号:100923664(2004)0120007203变换与控制 峰值电流模式逆变焊机控制电路的设计 夏 田,朱锦洪 (河南科技大学材料科学与工程学院,河南洛阳471003) 摘要:论述了峰值电流模式的原理及优缺点,并针对UC 3846设计了斜坡补偿电路及焊机保护电 路,给出了基于全桥主电路的峰值电流模式控制CO 2气体保护焊机的恒压输出波形。关键词:峰值电流模式;UC 3846;斜坡补偿中图分类号:TN 86TN 712 文献标识码:A Design of the Welding Machine Inverter Circuit B ased on the Peak Current Mode Control XIA Tian ,ZHU Jing 2hong (Faculty of Materials Science &Engineering ,Henan University of Science and Technology ,Luoyang 471003,China ) Abstract :The article discussed the merit and defect of the peak current mode control ,the slope com 2pensation circuit and the protect circuit is designed for the welding machine.K ey w ords :peak current mode ;UC3846;slope compensation 逆变焊机的最主要组成部分是逆变弧焊电源,它的功能是把工频交流电整流,再通过功率晶体管的开关逆变成高频交流方波,然后通过变压器降压,整流二极管整流,通过焊枪和工件产生焊接电弧,包括恒压、恒流外特性。逆变弧焊电源一般采用脉宽调制(PWM )方式,通过调节直流电平来调节输出电压或电流。逆变电源PWM 控制方式有电压型和电流型两种。电压型是通过将输出电压反馈和给定电压反馈比较来控制PWM 脉冲变化,从而控制逆变开关和电源的输出。电流型PWM 控制是用一个电流传感器去检测变压器原边的电流,反馈到PWM 芯片,参与PWM 调节,形成电压电流双闭环控制系统。 1 电流型控制方式的优点 电流型控制方式的优点如下。 (1)逐个脉冲控制,动态响应快,调节性能好。因为检测的是原边电流,所以不会出现电压型控制 电路中由于滤波电感的存在而导致响应速度慢的问题。故电流型控制有输出精度高,稳定性好的优点。 (2)具有瞬态的保护能力,能迅速对电力电子器件进行保护。因为内环逐个脉冲控制,当变压器原边电流过流时,能迅速对电力电子器件进行保护。 (3)能防止高频变压器偏磁的发生。高频变压器发生偏磁时,励磁电流增加,容易烧毁变压器。电流型控制中采用检测原边电流的方法,能自动对称变压器的动态磁平衡。 (4)有利于并联均流。在多个电源模块并联时可提供自动均流功能。 2 控制电路的设计 2.1 UC3846电流控制芯片的工作原理 电流模式控制分为峰值电流模式控制和平均电 流模式控制。UC3846采用的是峰值电流模式控制法,即将实际的电感电流和电压外环设定的电流值分别接收到PWM 比较器的两端进行比较,如图1所示。 变压器一次侧电流采样信号被放大3倍后与电压误差放大信号比较,然后去控制脉宽调制信号的 7 2004年2月25日第21卷 第1期 通讯电源技术 Telecom Power Technologies Feb.25,2004 Vol.21 No.1