新型非隔离负电压DC/DC开关电源的设计

　　利用等式（8）和等式（9）可以很容易的建立图9所示的CCM-CPM型非隔离负电压Buck开关电源小信号模型。

图9 CCM-PWM型非隔离负电压Buck开关电源小信号模型

　　考虑到控制电流与控制电压满足：

　　式中Rs为电流采样电阻；k为采样电流放大系数。将式（10）带入式（9），得控制电压与输出电压的传递函数Ap （ s）为：

　　分析可知，控制对象Ap （s）为单极点型控制对象，并且受等效串联电阻的影响，其高频特性差，抑制高频噪声的能力弱。

　　因此根据图10所示的CCM-CPM型电压外环系统框图，所设计的补偿网络不仅要提高系统的稳态特性和响应速度，而且要增强系统的抗干扰能力。

图10 CCM-CPM型电压外环系统框图

　　图11为实际非隔离负电压DC/DC变换电路补偿网络的硬件电路图。

图11 补偿网络硬件电路图

　　补偿网络的静态放大倍数与电源控制器反馈引脚相对于其参考地的静态工作电压Vf成正比，这里的静态工作电压Vf满足如下关系式：

　　注意Vf的值应在适中的范围，当取值太大，会降低系统的信噪比。当取值太小，系统的灵敏度和稳态特性都会下降。

　　补偿网络的动态特性通过电容C2、C3、C4来补偿。其中电容C2引入超前校正，有效的提高了系统的动态稳定性。电容C3则增大了系统的带宽。而电容C4起到了旁路高频噪声的作用。因此通过合理的选择C2、C4、C4的电容值，可以使系统获得较满意的动态补偿效果。

　　3 实验研究

　　对图4所示的电路进行实验研究，实验电路的主要参数为，输入电压Vi=-24V,输出电压Vo=-15V,输出电感L1=33μH,输出电容C1=10μF,二极管VD1为肖特基二极管1N5819。

　　由图12所示的输出电压波形可得，利用图4所示的非隔离负电压DC/DC开关电源可以很容易实现负电压的稳定输出。并且反馈回路的静态放大倍数很大，使输出的负电压有很好的稳态特性。

图12 满载时LT1935内部功率三极管集电极电压和输出电压波形示意图

　　图12给出了满载情况下电源控制器LT1935内部功率三极管集电极输出电压的波形。可见在满载时系统不会产生过高的峰值电流，电感电流的波动小，即输出纹波电流得到很好的抑制，有利于非隔离负电压DC/DC开关电源的高效率工作和带负载能力。同时系统的开关频率很高，反馈回路的带宽得到了保证。

　　图13给出了满载情况下输出纹波电压的波形，显然，输出纹波电压的波动小，且无脉动，输出纹波电压得到了很有效的抑制。

图13 满载时输出电压和输出纹波电压波形示意图

　　4 结论

　　提出了一种基于峰值电流控制的新型非隔离负电压DC/DC开关电源设计方案。在连续电流模式下，保证输出电容能通过输出电感得到持续充电，使输出纹波得到了有效的抑制，从而达到提高系统带负载能力以及效率的目的。同时结合平均电路法构建该开关电源在CCM条件下的小信号模型，设计了电压外环的补偿网络，增强了系统的整体性能。实验测试表明，本方案简单、合理、可行，具有一定的工程实际意义。