開關(guān)電源IC中誤差放大器的自激振蕩及解決方法

目前隨著開關(guān)電源的廣泛應(yīng)用， 控制IC 作為開關(guān)電源的心臟在其中扮演著重要角色。開關(guān)電源的控制IC 一般都會包含一個誤差放大器，用來將輸出電壓的偏移等進(jìn)行放大以控制主開關(guān)電路的動作，實現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。這個誤差放大器本身是一個運(yùn)算放大器，在實際使用中會加入負(fù)反饋，而由于外部元件及PCB 等因素的影響，誤差放大器有時會產(chǎn)生自激振蕩，使開關(guān)電源不能正常工作。筆者分析了誤差放大器加入負(fù)反饋時產(chǎn)生自激振蕩的原理，并以UC3875 控制IC 為例設(shè)計了外部補(bǔ)償電路，并進(jìn)行了實驗驗證。

　　1 誤差放大器產(chǎn)生自激振蕩的原理

　　1.1 自激振蕩產(chǎn)生的原因

　　加入負(fù)反饋后誤差放大器的閉環(huán)增益G 的表達(dá)式為：

　　其中A 為開環(huán)增益，F(xiàn) 為反饋系數(shù)，AF 為環(huán)路增益。

　　由上式可知：當(dāng)1+FA 趨近于0 時， |G| =∞。這說明即使無信號輸入也會有波形輸出，于是就產(chǎn)生了自激振蕩。

　　放大器的增益和相位偏移會隨頻率而變化。當(dāng)頻率變高或變低時，輸出信號和反饋信號會產(chǎn)生附加相移。如果附加相移達(dá)到±180°，則此時反饋信號與輸入信號同相，負(fù)反饋就變成正反饋。反饋信號加強(qiáng)，當(dāng)反饋信號大于凈輸入信號時，即使去掉輸入信號也有信號輸出，于是就產(chǎn)生了自激振蕩。

　　即：

　　一個實際的運(yùn)算放大器， 內(nèi)部存在著許多天然極點，他們造成的附加相移會使輸出的相位偏移超過-180°， 當(dāng)使用負(fù)反饋時會使放大器產(chǎn)生自激振蕩。因此運(yùn)算放大器大多都有補(bǔ)償端口或為了使用方便直接在內(nèi)部進(jìn)行了補(bǔ)償，這些經(jīng)過內(nèi)部補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器一般會補(bǔ)償?shù)皆谠鲆? dB 以上只有一個極點，單獨(dú)使用時即使將其用作單位增益放大器也不會自激振蕩。

　　1.2 負(fù)反饋放大電路穩(wěn)定性的判定

　　判斷自激振蕩的方法首先是看其是否滿足相位條件，只有滿足相位條件才有可能產(chǎn)生自激振蕩。即如果當(dāng)附加相移φ=±180°時，環(huán)路增益|FA |≥1，那么電路就會產(chǎn)生自激振蕩。

　　相反，如果當(dāng)φ=±180°時，環(huán)路增益|FA| ＜1，那么電路就不會產(chǎn)生自激振蕩。

　　2 UC3875 誤差放大電路

　　2.1 UC3875 誤差放大電路結(jié)構(gòu)

　　UC3875 是TI 公司生產(chǎn)的一款移相全橋軟開關(guān)控制器，廣泛應(yīng)用于ZVS 和ZCS 拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的大功率開關(guān)電源當(dāng)中。它內(nèi)部包含一個誤差放大器，該誤差放大器輸出端的輸出電壓與斜坡發(fā)生器的輸出電壓進(jìn)行比較從而產(chǎn)生移相信號。它的AB 和CD 兩組輸出可以分別設(shè)定死區(qū)時間，非常適合應(yīng)用于全橋諧振開關(guān)電源。本文中所用UC3875 的誤差放大器部分電路接法如圖1 所示。

　　誤差放大器的正相輸入端接參考電壓，輸出端通過一個150 kΩ 電阻反饋到反向輸入端，反相輸入端通過一個470 kΩ電阻與輸出電壓采樣電路相連。

　　當(dāng)對開關(guān)電源進(jìn)行調(diào)試時測量其輸出，發(fā)現(xiàn)輸出非常不穩(wěn)定。而后用示波器對UC3875 的控制輸出端OUTA 與OUTC 進(jìn)行觀察，如圖2，發(fā)現(xiàn)輸出的移相信號產(chǎn)生了大幅度抖動，致使開關(guān)電源輸出變得不穩(wěn)定。隨后在對誤差放大器的輸出進(jìn)行觀察時發(fā)現(xiàn)誤差放大器產(chǎn)生了振蕩，在輸出端產(chǎn)生了一個不太穩(wěn)定的正弦信號（圖3）。由于誤差放大器的輸出與斜坡發(fā)生器的輸出電壓比較之后產(chǎn)生移相控制信號，因此UC3875 的輸出控制信號會產(chǎn)生大幅抖動。

　　2.2 UC3875 誤差放大器振蕩現(xiàn)象的分析

　　根據(jù)UC3875 的數(shù)據(jù)表可知其典型帶寬與開環(huán)增益分別為11 MHz、90 dB。大多數(shù)控制IC 的誤差放大器已經(jīng)過內(nèi)部相位補(bǔ)償，且補(bǔ)償?shù)郊词归]環(huán)增益為0 dB（此時反饋量最大）時也不會發(fā)生振蕩。但是在實際使用中，由于外部元件等因素的影響， 有可能產(chǎn)生新的極點， 使電路附加相移超過-180°，從而發(fā)生振蕩。

　　根據(jù)之前觀察到的誤差放大器輸出端自激振蕩波形可知其振蕩頻率大概在50 kHz 附近， 則此頻率時附加相位φ≥-180°，且其開環(huán)增益要大于0 dB。根據(jù)這些條件可估算出外部電路產(chǎn)生的極點頻率應(yīng)該在5 kHz 附近，將其加入到誤差放大器的增益與相位的頻率特性簡圖中得到圖4。其中P1 為內(nèi)部補(bǔ)償時設(shè)置的極點，P2 為外部電路產(chǎn)生的極點（圖中用實線表示增益，虛線表示相位，圖6 同）。