設(shè)計可變輸出降壓穩(wěn)壓器的三步法

創(chuàng)建可變輸出降壓穩(wěn)壓器具有許多優(yōu)點。本應(yīng)用筆記將分享為降壓穩(wěn)壓器選擇最佳元件以及驗證設(shè)計的過程。本應(yīng)用筆記的類似版本最初于2019年10月1日發(fā)表在《電源系統(tǒng)設(shè)計》上。

介紹

可變輸出降壓穩(wěn)壓器可用于各種目的，例如控制直流風(fēng)扇的速度、設(shè)置 4–20mA 電流環(huán)路的電壓、跟蹤另一個電壓或用于動態(tài)電壓縮放。

圖1給出了可變輸出降壓穩(wěn)壓器的典型示意圖，該穩(wěn)壓器通過將數(shù)模轉(zhuǎn)換器（DAC）的輸出相加到反饋節(jié)點中而創(chuàng)建。DAC可以是任何電壓源。

圖1.可變輸出降壓穩(wěn)壓器示例。

本應(yīng)用筆記重點介紹了以下設(shè)計可變降壓的三步法：

確定設(shè)計所需的電壓范圍和合適的降壓穩(wěn)壓器。

計算反饋節(jié)點的電阻網(wǎng)絡(luò)，如R1、R2和R3所示。

使用在線設(shè)計工具/模擬器選擇合適的組件并仿真設(shè)計。

第 1 步：電壓范圍和合適的降壓穩(wěn)壓器

在大多數(shù)情況下，系統(tǒng)中有一個電源軌可用作降壓穩(wěn)壓器的輸入。此示例使用24V，因為它是工業(yè)應(yīng)用中的共軌。現(xiàn)在需要確定輸出電壓范圍，此時需要格外小心，因為許多降壓穩(wěn)壓器的輸出電壓范圍有限，并且組件建議（如Ls和Cs）會根據(jù)所選的輸出電壓而變化。在這種類型的設(shè)計中，組件在不同輸出的整個跨度內(nèi)保持不變。稍后，需要使用在線設(shè)計工具/仿真器檢查示例設(shè)計在最高和最低輸出電壓下的穩(wěn)定性和階躍響應(yīng)。

本例使用6V–19V的輸出電壓范圍和50mA的最大輸出電流。通常，覆蓋寬輸入和輸出電壓范圍的降壓轉(zhuǎn)換器是此類應(yīng)用的理想選擇。具體而言，本例使用50mA同步降壓轉(zhuǎn)換器，輸入范圍為4V–60V，0.8V至0.9×V在輸出范圍。

對于控制電壓，我們使用DAC，但這里也可以使用另一個可變源，例如濾波脈寬調(diào)制（PWM）信號。本例使用帶有內(nèi)部基準的2mm×3mm、12位電壓輸出串行DAC。DAC可采用2.7V至5.5V電源供電。

采用 3.3V 電源和內(nèi)部 2.5V 基準時，DAC 的輸出可在 12 位數(shù)字控制下從 0V 至 2.5V 電壓。為了控制可變電源，本例在0V以上和2.5V以下留出一點裕量，以解決反饋電阻的失調(diào)、增益和誤差。變化輸出（6V至19V）的全范圍由0.1V至2.4V控制信號控制。如果需要校準或調(diào)整，兩端留下100mV或大約82個DAC代碼。

第 2 步：計算電阻網(wǎng)絡(luò)

為了計算電阻值，可以更輕松地將可變電源電路視為理想的運算放大器電路（圖 2）。在這種情況下，電源的作用類似于反相放大器，其中DAC是輸入信號（V在).The 0.8V VQEe圖中所示為內(nèi)部0.8V基準，與同步降壓轉(zhuǎn)換器內(nèi)部的誤差放大器配合使用。

圖2.可變電源電路作為理想的運算放大器電路。

使用此方法確定三個電阻值：

假設(shè)開關(guān)電源VOUT像理想的運算放大器一樣線性響應(yīng)DAC輸入，輸入輸出關(guān)系是一條直線，公式很熟悉：

Y = mX + b

這里Y是開關(guān)穩(wěn)壓器（或運算放大器）的輸出電壓，X是DAC的輸入電壓（V在).使用兩點（19V外在 0.1V 時在和 6V外在 2.4V 時在） 得到兩個方程來求解 m（增益）和 b（偏移）。

19 = m（0.1） + b 6 = m（2.4） + b

解決這個問題，我們得到 m = -5.65 和 b = 19.57。

等式的圖形類似于下面的圖 3，斜率為負，零交叉為 19.57。

圖3.輸入到輸出關(guān)系。

查看圖2中的運算放大器圖，可以使用以下運算放大器公式：

哪里

Y = X × m + b

哪里

使用 VQEe=0.8V，同步降壓上的內(nèi)部基準，然后選擇R1的值。在這種情況下 261k？之所以選擇它，是因為它位于MAX17551的評估板上，MAX17551是本例中使用的同步降壓轉(zhuǎn)換器。一些代數(shù)可以用來求解m和b：

產(chǎn)生 R3 = 46.08k？和 R2 = 14.63k？。

選擇最接近的標準 1% 值給出 R3 = 46.4k？和 R2 = 14.7k？。這些標準值應(yīng)重新插入運算放大器公式，以確保DAC輸出的低端和高端仍然有足夠的裕量。

可變降壓電阻計算器可從本產(chǎn)品設(shè)計計算器頁面的電源和電池管理部分下載，使這項任務(wù)更容易。

步驟 3：模擬設(shè)計

為了完成電路設(shè)計，我們使用了基于SIMPLIS的工具，該工具可用于設(shè)計電源，修改設(shè)計并檢查結(jié)果。首先進入EE-Sim網(wǎng)頁，選擇MAX17551;輸入所需的輸入和輸出值。本例使用標稱 24V 電源和 19V 輸出電壓。選擇最高輸出電壓（19V），以便在線工具為L1和C1選擇適當?shù)闹担▓D1）。C1對穩(wěn)定性至關(guān)重要，由于真實電容隨著偏置電壓的增加而降低，因此最好以預(yù)期的最高輸出電壓值開始設(shè)計。稍后，反饋電阻將更改為最低的預(yù)期輸出電壓。通過這種方法，可以在極端情況下檢查設(shè)計的穩(wěn)定性。圖 4 顯示了設(shè)計工具的設(shè)計要求屏幕。

圖4.EE-Sim 設(shè)計和仿真工具中的輸入/輸出設(shè)計要求頁面。

圖5.由EE-Sim設(shè)計和仿真工具生成的原理圖。

設(shè)計工具生成電路后，可以通過雙擊元件來更改元件。例如，如果您有最喜歡的電感器供應(yīng)商，請雙擊電感器L1。從那里，您可以從眾多預(yù)填充電感器中選擇一種，也可以輸入用戶定義的電感值。請注意，如果更改其中一個臨界值，例如 L1、C2 或 C3（圖 5），則可能需要重新計算設(shè)計。在本例中，僅更改了反饋電阻，它們對環(huán)路補償并不重要。

R4更改為261K以匹配評估套件，R5更改為保持19V輸出。對設(shè)計進行了交流分析和50mA負載階躍的仿真，結(jié)果如圖7和圖8所示。請注意，在交越頻率處有71°的相位裕量，負載階躍顯示出大約150mV的偏移。

圖6.輸入用戶定義的值。

圖7.295外EE-Sim 生成的波特圖。

圖8.19外由 EE-SIM 生成的加載步驟。

輸入并驗證設(shè)計的最高輸出電壓部分后，將反饋路徑中的較低電阻（圖1中的R2）更改為最低輸出電壓。在EE-Sim中命名并保存設(shè)計，并將R5更改為一個值，該值將提供最低電壓的輸出（在本例中，R5被替換為40.2k？電阻器以獲得6V輸出）。重新運行仿真，確保設(shè)計收斂并具有相位裕量和良好的階躍響應(yīng)。EE-Sim允許您比較新舊設(shè)計，這使您可以快速輕松地檢查所做的更改。

圖9.19V 和 6V 設(shè)計的比較。

正如我們預(yù)期的那樣，6V設(shè)計的相位裕量現(xiàn)在為62°，因為放大器現(xiàn)在以較低的增益工作。交越頻率已從 12KHz 在 19V 時移動外在 6V 時至 37KHz外.盡管如此，仍然有足夠的相位裕量，負載階躍看起來不錯。

離線仿真引擎

現(xiàn)在，設(shè)計已通過仿真檢出，保存的19V設(shè)計可以下載并在離線仿真引擎上離線運行。此示例使用了 EE-Sim OASIS 仿真工具，該工具允許您更改設(shè)計或添加在線設(shè)計工具中不可用的組件。在本例中，將之前計算的三個電阻值相加，并放置一個波形發(fā)生器代替DAC。波形發(fā)生器可以針對各種波形（方波、正弦波、鋸齒波等）進行設(shè)置，并具有一些其他功能，使其能夠與模擬器配合使用。在周期性工作點（POP）分析期間延遲啟動和怠速波形發(fā)生器很有幫助。

在本例中，在仿真中選擇了60Hz正弦波來驅(qū)動0.1V至2.4V輸入。正弦波展示了同步降壓和離線仿真工具的多功能性（此外，擁有60Hz的正弦功率波可能很有用）。圖10提供了原理圖中修改的部分，圖11顯示了輸入和輸出的時域（瞬態(tài)）結(jié)果。

圖 10.反饋電阻變化和波形發(fā)生器。

圖 11.來自O(shè)ASIS模擬工具的瞬態(tài)響應(yīng)。

仿真表明，該設(shè)計的行為符合預(yù)期，當受到0.1V至2.4V信號激勵時，會產(chǎn)生13V正弦波，該正弦波在6V至19V之間變化。MAX17551可變降壓穩(wěn)壓器的設(shè)計文件可供下載。

測量結(jié)果

設(shè)計和仿真工具可生成物料清單 （BOM），并可輕松購買構(gòu)建原型板所需的零件。在這種情況下，MAX17551的評估板使用生成的元件進行修改。求和節(jié)點注入0.1至2.4V正弦波，400？已添加負載。結(jié)果如圖12和圖13所示，它們與模擬結(jié)果非常吻合。

圖 12.從MAX17551的改進評估板捕獲示波器。

波形示波器測量

圖 13.來自改進的評估套件的測量讀數(shù)。

總結(jié)

可變輸出降壓轉(zhuǎn)換器在許多應(yīng)用中都是有益的。但是，重要的是選擇能夠覆蓋電壓范圍的正確轉(zhuǎn)換器，然后檢查設(shè)計在輸出極端值下的穩(wěn)定性?，F(xiàn)代仿真工具可以大大加快設(shè)計過程，提高成功設(shè)計的機會。

審核編輯：郭婷