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开关电源输出过冲抑制设计
一.引言
PWM(脉宽调制)开关电源基本原理是通过对输出电压采样，并把采样的结果反馈给控制电路，控制电路把它与基准电压进行比较，根据比较结果控制脉宽调制器输出占空比，达到调整输出电压的目的。反馈环路作为开关电源设计中的一部分，承担着输入级和输出级的“纽带”角色，不仅要稳定地把输出采样信号传输到输入级电路，而且自身不能影响输出特性。传统的反馈电路是由稳压器和光电耦合器构成的隔离电路，此结构会造成变换器在启动过程中输出电压过冲。
本文根据传统反馈电路的构成，提出了一种正激式反馈电路的改进方法，可以有效抑制输出过冲，并且在电路结构上不做很大的改动，满足工程应用要求。
2.输出电路和反馈电路
2．1 反馈功率级和输出电路
正激式电路输出结构由输出整流、滤波及反馈电路的功率级构成,，如图1所示。
输出级电路由整流管(D3)，续流管(D4)和滤波电路(L1、L5 )构成，反馈电路功率级由整流(D1，C1)和线性调整电路(R1、D2、C2、Q1、C3，)构成。
初始状态，VOUT和BIAS都是接地状态。上电以后，BIAS电压会很快上升到D2的稳压值范围，而VOUT因为要经过输出滤波电路，限制了上升速度。
2．2 传统的反馈电路
图2是传统的反馈电路，由基准电压源、光电耦合器和外围元件构成。根据电源输出特性分析计算，可对各阻容合理取值。
最初VOUT的电压为零，R6此时视为接地。当BIAS电压升高时，电流经R2和E1流过C7，R4和C6的并联回路最终由R6／／R7，到地。此时R6／／R7，的值会大于R2，故A处节点电压高于TLV431内部参考值(1．25V)，导致TLV431的阴极端电压下降。
随着VOUT电压升高，C6和C7，电容器上的电荷累积，阴极电压升高的速度开始也会加快，一段时间后，随着VOUT电压的持续增大，阴极电压升高的速度会减慢，接着会开始负增长。因为流经R6的电流在下降，而且最终会反向流动(当VOUT电压高于TLV431的参考电压时)。R6上电流的改变会导致流过R4的电流下降接着反向，导致C6和C7，开始放电。
因此，TLV431阴极上的电压先升高，当VOUT在A点分压值超过参考值(1．25V)时又开始降低。TLV431实际是一个集成的误差信号放大器，由于启动的时候阴极电压过高，控制器会增大占空比使输出电压过冲，以补偿当时的下冲，并且通过C6和C7，上累计的电荷表现出来。
2．3 传统的反馈电路实测
图2中的试验电路中元器件参数如下：
R6=3．08k， R7=1．87k，R4=1k，R2=1k
C6=1μF，C7=3300pF，BIAS为5．3V
TLV431阴极电压计算如下：
R6初始电流=1．25V／3．08kΩ=405．844μA
(此时VOUT为零，电流是反向的)
R7初始电流=1．25V／1．87kΩ=668．449μA
R3，初始电流=R2：初始电流+R1。初始电流=1．074mA
R3初始电压=R3初始电流×R3=1．074V
TLV431阴极电压=R3，初始电压+参考电压=1．074V+1．25V =2．324V
图3中的波形就是三个电路节点的电压波形对比。从图3可以看出，预设输出电压3．3V，电压最高达到4．8V，输出电压的过冲很大。
3 改进的反馈电路
3．1 改进的反馈电路
从上述的原理出发，改进的思路为给基准电压源(TLV431)提供一个预设电压，使之能够提前开始调节电压。然后再慢慢地将这个信号减弱直至零，这样就可以完全避免过冲。改进电路的原理图如图4所示。
为了在接通时实现所需的预设电压(1．3V，如图3)，将电阻(Rx)加在BIAS和R6、R7节点之间的电路，这样就产生了必须的偏置电流以偏置R6和R7节点，使之稍大于电压基准源的参考值(1．25V)而不用吸收电压基准源输出的流过R4的电流。
电压基准源的阴极电压此时小于等于输出所需的调节电压，VOUT电压的增大会提高R6、R7节点的电压，导致电压基准源的阴极从光耦中吸取更多的电流，从而会关断控制器输出。但是，为了在电源输出电压升高的情况下降低流过电阻Rx的电流，可以在电阻Rx上串联一个电容Cx 。开关电源的输出会在上电大概两毫秒内达到3.3V的输出电压值，因此，必须在两毫秒之后给电容Cx加电。而且此电容要满足放电之后，能旁路此回路，控制器在关断后期内又能重新充电的要求。要达到此要求，需要把Rx和Cx通过二极管Dx连接到R6、R7，的节点，下拉电阻Ry连接到Cx和Dx的节点上。
3．2 改进的反馈电路实测
图4中增加的元器件参数如下：
Rx，=(BIAS-1．25V)／1．074mA=3．8kΩ；
要达到两毫秒放电50％ ，不让输出电压过冲，所需的电容：
Cx=2ms／Rx *ln2=0．76μF；
Ry选取时只要不影响Cx放电就好，可以适
当大一点，选取100kΩ；
Dx选择常用的肖特基二极管1N914。
图5是图4电路试验后的波形图。从图5中可以看出，输出电压过冲完全被抑制了。
4 结语
本文提出的传统开关电源反馈电路的改进方法，实现了输出电压过冲完全抑制。这种方法在正激式电路中得到了验证，并可以推广到和正激式电路类似的诸如全桥、半桥或者推挽拓扑中。此改进电路理论参数计算简单，在实际工作中易于调试，具有很高的实用价值。
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