开关电源IC中误差放大器的自激振荡及解决方法

摘要：开关电源控制IC内部的误差放大器是一种运算放大器，尽管大多数都进行了相位补偿，但由于外部元件等因素影响也会产生自激振荡。以UC3875为例，分析了其内部误差放大器的自激振荡，并用外部补偿网络对其进行补偿，使用一个零点对外部电路产生的极点进行抵消，从而抑制其自激振荡。通过实验验证，此补偿方法可以有效抑制误差放大器的自激振荡。
关键词：开关电源；误差放大器；自激振荡；相位补偿

目前随着开关电源的广泛应用，控制IC作为开关电源的心脏在其中扮演着重要角色。开关电源的控制IC一般都会包含一个误差放大器，用来将输出电压的偏移等进行放大以控制主开关电路的动作，实现稳压输出。这个误差放大器本身是一个运算放大器，在实际使用中会加入负反馈，而由于外部元件及PCB等因素的影响，误差放大器有时会产生自激振荡，使开关电源不能正常工作。笔者分析了误差放大器加入负反馈时产生自激振荡的原理，并以UC3875控制IC为例设计了外部补偿电路，并进行了实验验证。

1 误差放大器产生自激振荡的原理
1．1 自激振荡产生的原因
加入负反馈后误差放大器的闭环增益G的表达式为：。其中A为开环增益，F为反馈系数，AF为环路增益。
由可知：当1+FA趋近于0时，|G|=∞。这说明即使无信号输入也会有波形输出，于是就产生了自激振荡。
放大器的增益和相位偏移会随频率而变化。当频率变高或变低时，输出信号和反馈信号会产生附加相移。如果附加相移达到±180°，则此时反馈信号与输入信号同相，负反馈就变成正反馈。反馈信号加强，当反馈信号大于净输入信号时，即使去掉输入信号也有信号输出，于是就产生了自激振荡。

一个实际的运算放大器，内部存在着许多天然极点，他们造成的附加相移会使输出的相位偏移超过-180°，当使用负反馈时会使放大器产生自激振荡。因此运算放大器大多都有补偿端口或为了使用方便直接在内部进行了补偿，这些经过内部补偿的运算放大器一般会补偿到在增益0 dB以上只有一个极点，单独使用时即使将其用作单位增益放大器也不会自激振荡。
1．2 负反馈放大电路稳定性的判定
判断自激振荡的方法首先是看其是否满足相位条件，只有满足相位条件才有可能产生自激振荡。即如果当附加相移φ=±180°时，环路增益|FA|≥1，那么电路就会产生自激振荡。相反，如果当φ=±180°时，环路增益|FA|1，那么电路就不会产生自激振荡。

2 UC3875误差放大电路
2．1 UC3875误差放大电路结构
UC3875是TI公司生产的一款移相全桥软开关控制器，广泛应用于ZVS和ZCS拓扑结构的大功率开关电源当中。它内部包含一个误差放大器，该误差放大器输出端的输出电压与斜坡发生器的输出电压进行比较从而产生移相信号。它的AB和CD两组输出可以分别设定死区时间，非常适合应用于全桥谐振开关电源。本文中所用UC3875的误差放大器部分电路接法如图1所示。

误差放大器的正相输入端接参考电压．输出端通过一个150 kΩ电阻反馈到反向输入端，反相输入端通过一个470 kΩ电阻与输出电压采样电路相连。
当对开关电源进行调试时测量其输出，发现输出非常不稳定。而后用示波器对UC3875的控制输出端OUTA与OUTC进行观察，如图2，发现输出的移相信号产生了大幅度抖动，致使开关电源输出变得不稳定。随后在对误差放大器的输出进行观察时发现误差放大器产生了振荡，在输出端产生了一个不太稳定的正弦信号(图3)。由于误差放大器的输出与斜坡发生器的输出电压比较之后产生移相控制信号，因此UC3875的输出控制信号会产生大幅抖动。

2．2 UC3875误差放大器振荡现象的分析
根据UC3875的数据表可知其典型带宽与开环增益分别为11 MHz、90 dB。大多数控制IC的误差放大器已经过内部相位补偿，且补偿到即使闭环增益为0 dB(此时反馈量最大)时也不会发生振荡。但是在实际使用中，由于外部元件等因素的影响，有可能产生新的极点，使电路附加相移超过-180°，从而发生振荡。
根据之前观察到的误差放大器输出端自激振荡波形可知其振荡频率大概在50 kHz附近，则此频率时附加相位φ≥-180°，且其开环增益要大于0 dB。根据这些条件可估算出外部电路产生的极点频率应该在5 kHz附近，将其加入到误差放大器的增益与相位的频率特性简图中得到图4。其中P1为内部补偿时设置的极点，P2为外部电路产生的极点(图中用实线表示增益，虚线表示相位，图6同)。

2．3 外部补偿网络的设计
由于零点能产生超前相移，可抵消极点产生的滞后相移。因此如果在电路中加入补偿网络，设置一个零点将能够抵消外部电路产生的极点，从而抑制放大器的自激振荡。由于误差放大器没有设置补偿端口，因此补偿网络需要设置在外部。如图5所示，在反馈电阻Rf两端并联一个电容Cf，由此可产生一个零点。通过恰当设置此零点的频率就可抵消新极点产生的附加相移，使总的相移不超过-180°。因为所估算的外部极点频率为5 kHz，所以零点频率就要设置在5kHz附近。