高PF反激临界模式开关电源的环路设计

摘要：目前开关电源市场上单端反激式的开关电源占有很大的份额，控制环路的设计是反激电源中关键的步骤之一。主要对基于L6561临界(TM)模式下高功率因数(PF)单端反激式开关电源的控制环路设计进行了论述，文中通过对环路中各级的传递函数进行了定性分析和定量计算，进而给出了环路的补偿电路。通过选择合适的相位裕量来保证系统的稳定性，并通过图解法验证了该环路可以使系统具有较好的稳定性。
关键词：反激式电源；功率因数；控制环路；临界模式

由于中小功率开关电源的市场前景很好，单端反激式开关电源不仅可以实现低压输出而且可以实现高低压的电器隔离，进而提高了电源的安全性。文中主要对基于L6561的临界模式下高PF反激式开关电源的环路设计进行了论述，其中反馈回路由PC817A和TL431组成，文中对环路的补偿设计电路进行了定性分析和定量计算，通过选择合适的相位裕量保证系统的稳定性，电源通过负反馈环路来控制在不同的负载下得到稳定的电流。

1 反馈环路概述
开关电源的控制方式有两种：电流控制模式和电压控制模式，两种控制模式的传递函数有很大的不同，文中论述的是电流模式中峰值电流模式控制的环路设计。
1．1 反馈环路稳定的标准
环路稳定的标准：只要在增益为1时(即0 dB时)，整个系统的相移小于360度，则系统就是稳定的，即环路是稳定的。但是如果系统的总相移和接近360度(其中总相移和为控制环路中各级产生的相移和)，则可能产生以下2个问题：1)相移可能因为温度、负载或者分布参数的变化而达到360度，从而使系统产生震荡，造成环路不稳定；2)当相移越接近360度时，电源的阶跃响应(负载的瞬时变化)超调量增加，延长输出达到稳定值的时间。所以环路要留有一定的相位裕量，工程上一般相位裕量取45度左右。
1．2 常用的电流型环路补偿方法
图1给出了2种常用的电流型控制模式中的环路补偿方法。

图1(a)中补偿网络的传递函数为：，适用于电流型控制和工作于DCM(非连续电流模式)模式下的电源。补偿网络产生的初始极点可以使控制带宽变窄，零点可以使系统在剪切频率处的相位裕量。文中采用的是图1(a)的补偿方案。
图1(b)中补偿网络的传递函数为：，极点同样可以将控制环路的带宽变窄，而零点则是用来抵消补偿前的极点的，这样不仅可以使环路的增益曲线在较低的频率处达到0 dB，而且提高了穿越频率附近系统的相位。

2 环路补偿设计
2．1 反激变换器环路设计的特点
在反激拓扑中，由小信号模型的传递函数可知，反激中的连续模式(CCM)为二阶系统，不连续模式(DCM)和临界模式(TM)为一阶系统。
基于L6561的具有高PF的反激变换器不像一般的变换器，在这样的变换器中，控制环路带宽应当很窄，以保证在给定的半个电网周期内维持Vcomp如同原先假定的为相当良好的常数，这样才能保证高的PF；但窄的控制环路带宽会降低系统对电网和负载的瞬态响应速度，影响电路的负载和线性调整率，于是环路设计时需在两者之间折中。
2．2 环路设计
环路设计时因为误差放大器本身是工作于负反馈状态下，自身就有180度的相移，加上为满足工程设计中的不小于45度的相位裕量，所以功率部分、反馈网络和补偿网络的相移最多为135度。另外一般要求加入补偿网络后系统的环路增益曲线，在剪切频率附近的增益斜率应该为-1(即-20 dB／10倍频率)，这样做的目的是因为-1的增益斜率所对应的相频曲线相位延迟较小，且变换相对较慢，可以保证当某些环节的相位发生变化时相频曲线仍然有足够的相位裕量，使得环路保持稳定。
图2给出了基于L6561临界模式下高PF反激变换器的控制环路设计电路框图。

图2各个部分的传递函数如下：
L6561的内部误差放大器(E／A)补偿如图1(a)所示。于是，传递函数G1(S)是：