新型非隔离负电压DC_DC开关电源的设计与实现

传统的非隔离负电压开关电源的电路拓扑有以 下两种[2]，如图1、图2所示。图3是其滤波输出电容的充 电电流波形。由图3可见，采用图2结构的可获得输出 纹波更小的负电压电源，并且在相同电感峰值电流的 情况下其带负载能力更强。由于图2的开关器件要接 在电源的负极，这会使得其控制电路会比图1来得复 杂，因此在市场也没有实现图2电路结构（类似于线性 稳压电源调节芯片7915功能）的负电压开关电源控制 芯片。
总第 48 卷 第 548 期 2011 年 第 8 期
电测与仪表 Electrical Measurement & Instrumentation
Vol.48 No.548 Aug. 2011
新型非隔离负电压DC/DC开关电源的设计与实现*
黄雍俊，王剑，田联房
（华南理工大学 自动化科学与工程学院，广州 510641）
0引言 随着电子技术的飞速发展，现代电子测量装置往
往需要负电源为其内部的集成电路芯片与传感器供 电。如集成运算放大器、电压比较器、霍尔传感器等。 负电源的好坏很大程度上影响电子测量装置运行的 性能，严重的话会使测量的数据大大偏离预期。目前， 电子测量装置的负电源通常采用抗干扰能力强，效率 高的开关电源供电方式。以往的隔离开关电源技术通 过变压器实现负电压的输出，但这会增大负电源的体 积以及电路的复杂性。而随着越来越多专用集成DC/ DC控制芯片的出现，使得电路简单、体积小的非隔离 负电压开关电源在电子测量装置中得到了越来越广
a
c
I DI
I
L C
i (t) v (t)
1:D
V d(t)/D
i (t) L C
I d(t)
R
R v (t)
图7 非隔离负电压Buck开关电源CCM小信号模型 Fig.7 Small signal model of non-isolated negative voltage
Buck switch power supply in CCM
DC/DC power supply
t
2 补偿网络
图3 两种开关电源滤波电容的充电电流波形
2.1 非隔离负电压开关电源小信号建模
Fig.3 Waveform of charge current of filter capacitance in
从本质上来讲，本文介绍的非隔离负电压DC/DC
these two switch power supply
i赞 L、d赞 。令 vi=Vi+v赞 i，vo=Vo+v赞 o，vpc=Vpc+v赞 pc，ii=Ii+ i赞 i，iL=IL+ i赞 L，
i赞 L= i赞 c
（7）
d=D+d赞 ，可以推导出： i赞 i=ILd赞 +D 赞i L+d赞 i赞 L
（3）
根据图7所示的非隔离负电压Buck开关电源CCM 小信号模型，同时将等式（7）带入化简得，CCM-CPM 型非隔离负电压Buck开关电源的动态方程为：
v v
i
-kR
H(s)
d
G (s)
v
v G (s) v G (s) v
v
V
DV
RV


p
R
图8 CCM-CPM型非隔离负电压Buck开关电源系统框图
Fig.8 System block diagram of non-isolated negative
voltage Buck switch power supply in CCM-CPM
V
i
t
和释放能量的过程中均获得充电，从而减小了输出纹 波电压。同时，在CCM条件下，输出电流在LT1935内部 功率三极管的导通和关断期间均通过输出电感L1，这 很大程度上抑制了输出电流的波动，降低了输出纹波 电流的影响，进而大大增加系统的带负载能力和效 率。
反馈控制回路采用了峰值电流控制[3]。相比传统 的电压控制，峰值电流控制一方面能很好的改善电源 的动态响应，另一方面还能实现快速的过电流保护， 很大程度上提高了系统的可靠性。由于采用了电源控 制器LT1935，其内部集成了峰值电路控制电路和斜坡 补偿电路，非隔离负电压DC/DC开关电源反馈回路设 计即转换为补偿网络设计，进而大大简化了反馈回路 的设计。
sC CResr+1
v赞（o s）=－
i赞（c s）－
v赞（o s） R
（8） （9）
的线性化表达式为：
利用等式（8）和等式（9）可以很容易的建立图9所
i赞 i=ILd赞 +D 赞i L
（5）
示的CCM-CPM型非隔离负电压Buck开关电源小信号 模型。
v赞 pc=－Vid赞 －Dv赞 i
（6）
考虑到控制电流与控制电压满足：
HUANG Yong-jun, WANG Jian, TIAN Lian-fang （College of Automation Science and Engineering, South China University of Technology,
Guangzhou 510641, China）
感L1和输出电容C1充电。当电源控制器LT1935内部的 稳态值，Vo为输出电压的稳态值，Vpc为受控电压源两
功率三极管关断时，输出电感L1中的电流改由通过肖 端电压的稳态值，Ii为输入电流的稳态值，IL为输出电
特基二极管VD1提供的低阻抗回路继续给输出电容C1 充电直至下一个周期电源控制器LT1935内部的功率 三极管再次导通。可见电容C1在输出电感L1储存能量
感电流的稳态值，D为占空比的稳态值。 引入上述稳态值对应的小信号扰动v赞 i、v赞 o、v赞 pc、v赞 i、
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为防止过高的直流电源对电源控制器的危害，这 里使用稳压管VD2和VD3实现过电压保护。
C
R
R
R
V
R
C L VD
R
U
C
TL431
VIN
SW
V
C R
Q
GND
V
2N3906
SHDN
FB
R
V
U LT1935
RR
VD
CR
V
VD
CR
t
i
图4 非隔离负电压DC/DC开关电源硬件电路图
Fig.4 Circuit of non-isolated negative voltage
图6 非隔离负电压Buck开关电源CCM大信号模型 Fig.6 Large signal model of non-isolated negative
Buck switch power supply in CCM
［5-6］
电流控制内环的小信号模型 。 假设系统稳定，且忽略输出电感纹波电压及人工
斜坡补偿的影响，则输出电感电流等于控制电流,即：
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Q
L
C
V
VD
RV
R
V
图5 非隔离负电压Buck开关电源等效功率
级电路原理图
Fig.5 Equivalent power stage schematic
diagram of non-isolated negative voltage Buck
switch power supply
v赞 pc=－Vid赞 －Dv赞 号干扰满足v赞 i<<Vi，v赞 o<<Vo，i赞 i<<Ii，i赞 L<<IL，d赞
<<D，忽略二次项并化简等式（3）和等式（4）得，i赞 i，v赞 pc
2
i赞（i s）=D（1－
sRL）i赞（c s）－
D R
v赞（i s）+
D R
v赞（o s）
摘要：针对现有非隔离负电压DC/DC开关电源在带负载能力以及输出纹波上的不足，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，实现在连续电流模式（CCM）下输出电容能始终通过输出电感得到充
电。进而有效抑制输出纹波的影响，确保了负电源的高效率工作和带负载能力。实验结果验证了设计的可行性
* 广东省高等学校学科与专业建设专项资金（粤教科函[2010]119 号）； 广东省科技重大专项（2009A080305004）； 番禺区科技计划项目（2009- Z- 39- 1）； 番禺区科技计划项目（2010－专－12－04）
泛的应用[1]。因此，对非隔离负电压开关电源的研究具 有很高的实用价值。
开关电源为非隔离负电压Buck开关电源，其等效功率
1 工作原理分析 本文设计的非隔离负电压DC/DC开关电源如图4
所示，负电源工作在连续电流模式。当电源控制器 LT1935内部的功率三极管导通时，直流电源给输出电
级电路原理图如图5所示，这里考虑了输出滤波电容 的等效串联电阻Resr对系统的影响。
图6给出图5利用平均电路法[4]建立的非隔离负电 压Buck开关电源CCM大信号模型。设Vi为输入电压的
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L
Q
VD
E
V
C
V
i
图1 传统的非隔离负电压开关电源电路结构1 Fig.1 The first structure diagram of the
根据等式（5）和等式（6），即可得到图7所示的用
v赞 c=－kRs i赞 c
（10）
理想变压器表示非隔离负电压Buck开关电源的CCM 式中 Rs为电流采样电阻；k为采样电流放大系数。将
小信号模型。
式（10）带入式（9），得控制电压与输出电压的传递函
2.2 补偿网络设计
数A（p s）为：
图8为电流连续模式下峰值电流控制 （CCMCPM）型非隔离负电压Buck开关电源的系统框图。控 制环路包括了电流内环和电压外环两个部分。补偿网 络属于电压外环，因此设计补偿网络需要先建立包含
traditional non-isolated negative voltage switch power supply
Q
L
V
E
VD
C
V
i
图2 传统的非隔离负电压开关电源电路结构2 Fig.2 The second structure diagram of the
traditional non-isolated negative voltage switch power supply
和有效性。
关键词：负载能力；输出纹波；峰值电流控制；开关电源
中图分类号：TM131
文献标识码：B
文章编号：1001-1390（2011）08-0072-04
Design and Implementation of a New Non-isolated Negative Voltage DC/DC Switch Power Supply
为了弥补现有非隔离负电压开关电源技术的不 足，以获得一种带负载能力强、输出纹波小的非隔离负 电压开关电源，本文提出一种采用 Boost开关电源控制 芯片LT1935及分立元件实现了图2所示原理的基于峰 值电流控制的新型非隔离负电压DC/DC开关电源。
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ÁÂÅÄÃÁÂÃÃÄÅÂÁÄÅÃÆÅÄÇÁÂÈÆÃÁÆÂÉÄÃÂÂ 总第48卷第548期
Abstract: With the shortage in load ability and output ripple of non-isolated negative voltage DC/DC switch power supply at present, this paper proposes a new non -isolated negative voltage DC/DC power supply based on peak current control, which make output capacitance always gets charged by output inductance in continuous current mode （CCM）. So the output ripple will be restrained, then the power supply will work efficiently and offer good load capability. The feasibility and availability of the design is validated by the result of experiments. Key words: load capability, output ripple, peak current control, switch power supply