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(huì)包含一個(gè)誤差放大器，用來(lái)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(dòng)作，實(shí)現(xiàn)穩(wěn)壓輸出。這個(gè)誤差放大器本身是一個(gè)運(yùn)算放大器，在實(shí)際使用中會(huì)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(shí)會(huì)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(shí)產(chǎn)生自激振蕩的原理，并以UC3875 控制IC 為例設(shè)計(jì)了外部補(bǔ)償電路，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)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(shí)， |G| =∞。這說(shuō)明即使無(wú)信號(hào)輸入也會(huì)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(huì)隨頻率而變化。當(dāng)頻率變高或變低時(shí)，輸出信號(hào)和反饋信號(hào)會(huì)產(chǎn)生附加相移。如果附加相移達(dá)到±180°，則此時(shí)反饋信號(hào)與輸入信號(hào)同相，負(fù)反饋就變成正反饋。反饋信號(hào)加強(qiáng)，當(dāng)反饋信號(hào)大于凈輸入信號(hào)時(shí)，即使去掉輸入信號(hào)也有信號(hào)輸出，于是就產(chǎn)生了自激振蕩。

　　即：

　　一個(gè)實(shí)際的運(yùn)算放大器， 內(nèi)部存在著許多天然極點(diǎn)，他們?cè)斐傻母郊酉嘁茣?huì)使輸出的相位偏移超過(guò)-180°， 當(dāng)使用負(fù)反饋時(shí)會(huì)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?yàn)榱耸褂梅奖阒苯釉趦?nèi)部進(jìn)行了補(bǔ)償，這些經(jīng)過(guò)內(nèi)部補(bǔ)償?shù)倪\(yùn)算放大器一般會(huì)補(bǔ)償?shù)皆谠鲆? dB 以上只有一個(gè)極點(diǎn)，單獨(dú)使用時(shí)即使將其用作單位增益放大器也不會(huì)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(shí)，環(huán)路增益|FA |≥1，那么電路就會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。

　　相反，如果當(dāng)φ=±180°時(shí)，環(huán)路增益|FA| ＜1，那么電路就不會(huì)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(gè)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(hào)。它的AB 和CD 兩組輸出可以分別設(shè)定死區(qū)時(shí)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(guò)一個(gè)150 kΩ 電阻反饋到反向輸入端，反相輸入端通過(guò)一個(gè)470 kΩ電阻與輸出電壓采樣電路相連。

　　當(dāng)對(duì)開關(guān)電源進(jìn)行調(diào)試時(shí)測(cè)量其輸出，發(fā)現(xiàn)輸出非常不穩(wěn)定。而后用示波器對(duì)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(hào)產(chǎn)生了大幅度抖動(dòng)，致使開關(guān)電源輸出變得不穩(wěn)定。隨后在對(duì)誤差放大器的輸出進(jìn)行觀察時(shí)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(gè)不太穩(wěn)定的正弦信號(hào)（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(hào)，因此UC3875 的輸出控制信號(hào)會(huì)產(chǎn)生大幅抖動(dòng)。

　　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(guò)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(shí)反饋量最大）時(shí)也不會(huì)發(fā)生振蕩。但是在實(shí)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(diǎn)， 使電路附加相移超過(guò)-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(shí)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(diǎn)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(jiǎn)圖中得到圖4。其中P1 為內(nèi)部補(bǔ)償時(shí)設(shè)置的極點(diǎn)，P2 為外部電路產(chǎn)生的極點(diǎn)（圖中用實(shí)線表示增益，虛線表示相位，圖6 同）。

　　2.3 外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的設(shè)計(jì)

　　由于零點(diǎn)能產(chǎn)生超前相移， 可抵消極點(diǎn)產(chǎn)生的滯后相移。因此如果在電路中加入補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，設(shè)置一個(gè)零點(diǎn)將能夠抵消外部電路產(chǎn)生的極點(diǎn)，從而抑制放大器的自激振蕩。由于誤差放大器沒有設(shè)置補(bǔ)償端口，因此補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)需要設(shè)置在外部。如圖5 所示，在反饋電阻Rf兩端并聯(lián)一個(gè)電容Cf，由此可產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)。通過(guò)恰當(dāng)設(shè)置此零點(diǎn)的頻率就可抵消新極點(diǎn)產(chǎn)生的附加相移，使總的相移不超過(guò)-180°。因?yàn)樗浪愕耐獠繕O點(diǎn)頻率為5 kHz，所以零點(diǎn)頻率就要設(shè)置在5 kHz 附近。

　　根據(jù)公式：

　　將fz=5 kHz 帶入，可得Cf=212 pF。

　　選擇Cf為220 pF 即可。由于在電路中放入電容Cf，因此將產(chǎn)生一個(gè)新的極點(diǎn)，它的頻率為：

　　將數(shù)值帶入上式可得新的極點(diǎn)頻率為1.5 MHz， 這相當(dāng)于將外部極點(diǎn)P2 移動(dòng)到了如圖7 所示的P2′的位置。

　　由圖6 可以看出盡管在增益0 dB 以上存在兩個(gè)極點(diǎn)，但是當(dāng)增益降為0 dB 時(shí)，相移依然沒有超過(guò)-180°，所以自激振蕩條件就被破壞，電路不會(huì)產(chǎn)生自激振蕩。同時(shí)從圖上可以看到，使用這種方法時(shí)放大器的帶寬損失很小。但是根據(jù)式（3）可以看出，新極點(diǎn)的頻率與放大器的增益有關(guān)，如果放大器增益過(guò)小，則會(huì)因?yàn)闃O點(diǎn)向高頻率移動(dòng)距離太小而大大影響到補(bǔ)償?shù)男Ч?。特別地當(dāng)作為電壓跟隨器使用時(shí)（此時(shí)放大器輸出與反相輸入端直接相連，反饋電阻為零），新極點(diǎn)的頻率不會(huì)向高頻移動(dòng)，則此電路就會(huì)完全沒有效果。由于各種因素的影響以及估算的誤差，實(shí)際的特性曲線會(huì)與理論有一些差距，因此所設(shè)置的零點(diǎn)還需要通過(guò)實(shí)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行調(diào)整（后面的實(shí)驗(yàn)也證實(shí)了這一點(diǎn)）。

　　3 外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

　　實(shí)驗(yàn)電路的連接依照?qǐng)D5 所示， 分別將容值為22 pF，100 pF，220 pF 的Cf接入電路中， 并觀察UC3875 的控制輸出波形。如圖7 所示為使用22 pF 電容時(shí)的波形。此電路中由于所設(shè)置零點(diǎn)在極點(diǎn)之后距離較遠(yuǎn)的地方，波形抖動(dòng)有一些減弱，但是其抖動(dòng)幅度依然很大。

　　圖8 為使用100 pF 電容時(shí)的波形，可以看到其抖動(dòng)幅度大幅減小。此時(shí)電路中所設(shè)置的零點(diǎn)頻率比較靠近極點(diǎn)位置，已經(jīng)體現(xiàn)出振蕩抑制的效果，但輸出的振蕩幅度仍很明顯。