開關(guān)電源學(xué)習(xí)筆記

觀察點(diǎn)

為了仿真變換器加上補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)后的傳遞函數(shù)，可以直接把環(huán)路在誤差電壓處斷開，以占空比信號(hào)為輸入，誤差電壓為輸出，進(jìn)行交流分析。 所謂的斷開，其實(shí)可以與之前一樣，接入一個(gè)大電感和大電容即可。

注意這里忽略了放大器引入的相移，因此相位從正的開始，相位裕度以與0°線的距離計(jì)算。 可見補(bǔ)償后的系統(tǒng)相位裕度抬高了。

頻域參數(shù)

當(dāng)輸出信號(hào)和控制信號(hào)之間的相位差減少為0°，則變成正反饋振蕩器。

交叉頻率處的輸出容抗可以近似表示閉環(huán)輸出阻抗，所以可以近似計(jì)算出輸出瞬態(tài)階躍電流作用下的輸出電壓脈沖

根據(jù)這個(gè)式子以及穩(wěn)態(tài)紋波需求，可以確定交叉頻率的取值。 不過對(duì)于有RHPZ的拓?fù)洌话憔椭苯舆x定為RHPZ所在頻點(diǎn)的30%，同時(shí)又應(yīng)該保證交叉頻率在LC諧振頻率的5倍以上，給設(shè)計(jì)帶來困擾。 對(duì)于沒有RHPZ的拓?fù)洌梢灾苯釉O(shè)定為開關(guān)頻率的20%以下。 脈沖峰值固然與上式有關(guān)，不過恢復(fù)時(shí)間則由相位裕度決定。

構(gòu)建補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

構(gòu)造零極點(diǎn)的知識(shí)均已知曉。 值得一提的有構(gòu)造RHPZ的方法，就是將原輸入信號(hào)與高通濾波器后的信號(hào)相減

零點(diǎn)頻率即RC分之一。

RHPZ是變換器間接能量傳輸?shù)慕Y(jié)果。 在CCM的Boost變換器中表現(xiàn)為，如果負(fù)載出現(xiàn)向上的階躍，造成占空比信號(hào)變大，即減小，即電感向負(fù)載供電流的周期減小。 但是電感電流不會(huì)馬上增大，而是以固定步長增加，這個(gè)過程中輸出電流可能會(huì)反而比原來更小，這就是RHPZ的影響。 如果系統(tǒng)響應(yīng)很快，那么在負(fù)載躍變瞬間，反饋環(huán)的占空比輸出會(huì)因?yàn)檩敵鲭妷旱姆聪驕p小而迅速增大到1，使變換器無法工作，這也是Boost變換器環(huán)路設(shè)計(jì)要降低交越頻率的原因。 一般選擇在最低RHPZ的1/3處。 DCM時(shí)變換器仍存在RHPZ，但其被推到高頻處，因此環(huán)路設(shè)計(jì)的困難相應(yīng)降低。

各個(gè)頻率響應(yīng)對(duì)應(yīng)的有源電路網(wǎng)絡(luò)依次示下：

積分器

零極點(diǎn)

極點(diǎn)位置為

，零點(diǎn)位置為

，并且有積分器的效果。 這種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)是中頻部分存在一個(gè)固定增益區(qū)，并且該區(qū)域的相位具有超前性質(zhì)，相位的最大值出現(xiàn)在頻率為

處。 用于電流模式和DCM。

零極點(diǎn)對(duì)a

這是上面的特殊情況，即C12為0時(shí)，極點(diǎn)被排除，因此不存在高頻段的增益下降，相位也一直接近同相。 在無需考慮ESR零點(diǎn)的場合可以用這個(gè)簡化的補(bǔ)償器。

零極點(diǎn)對(duì)b

這也是上面的特殊情況，令C11為無窮大，則變成一個(gè)原點(diǎn)處的零點(diǎn)，相當(dāng)于與積分器的效果相抵消，因此低頻至中頻都為固定增益。 明顯的缺點(diǎn)是直流增益太低，穩(wěn)態(tài)精度無法保證。

兩個(gè)零極點(diǎn)對(duì)

傳遞函數(shù)為

式中就可以看出零極點(diǎn)位置和直流增益。 比起單個(gè)的零極點(diǎn)對(duì)，兩個(gè)零極點(diǎn)對(duì)提供了更大的直流增益和更大的超前相角，因此是最完備的一種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

注意，實(shí)際的運(yùn)算放大器必定自身附帶一個(gè)低頻的極點(diǎn)，其本身的增益就隨頻率的增大而減小，所以實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí)還需要根據(jù)具體的運(yùn)放進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。

K因子

一種從變換器開環(huán)特性得到k因子等參數(shù)值后，直接推導(dǎo)各類型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)組件參數(shù)的方法。

首先看各類型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)需要考慮的補(bǔ)償參數(shù)。

積分器：極點(diǎn)在原點(diǎn)處，所以它只能通過平移增益曲線，改變系統(tǒng)的交叉頻率，并引入一個(gè)90°的相移。

零極點(diǎn)對(duì)：除了具有積分器的平移曲線的效果外，還引入了一個(gè)超前相位，某點(diǎn)引入的相位增加量計(jì)算為

因此在交叉頻率處，用k因子的方法可以令極點(diǎn)頻率為kf，零點(diǎn)頻率為k分之一f，則相位增加量

解出

根據(jù)所需要的相位裕度和變換器本身的相移，加上積分器引入的90°相移來確定

書中給出了不同k值下該補(bǔ)償器的響應(yīng)，k=1時(shí)退化為積分器，隨著k增大，零極點(diǎn)距離增大，超前的相位增大，而直流增益減小。

雙零極點(diǎn)對(duì)：與上面相似，這里假設(shè)雙零點(diǎn)重疊，雙極點(diǎn)也重疊，那么令極點(diǎn)頻率為倍的f，則

解出

接下來的式子和關(guān)系與上述一致。

K因子設(shè)計(jì)步驟

1、獲得變換器交流響應(yīng)。

用游標(biāo)看出交叉頻率為3kHz，相移149°。

2、選擇交叉頻率和裕度。

開關(guān)頻率為100kHz，而LC峰值頻率為

如前所述應(yīng)該選取6k以上的交叉頻率，但是書中選取了5k，先按書中選取，后面再觀察不同。

若選取5k，先觀察變換器響應(yīng)中5k處的數(shù)據(jù)，得到相移為-146°，增益為-9.2dB，期望的相位裕度為45°。

3、選擇補(bǔ)償器類型。

可見到變換器的響應(yīng)相位滯后達(dá)到180°，穩(wěn)妥起見可以選擇雙零極點(diǎn)對(duì)補(bǔ)償器，最高可以補(bǔ)償180°超前相位。

4、應(yīng)用公式計(jì)算組件。

運(yùn)用上頁的公式，計(jì)算出k因子和元件參數(shù)

順便可以計(jì)算出補(bǔ)償器提供的零點(diǎn)和極點(diǎn)頻率分別為1.8k和14k。

5、連接補(bǔ)償器后開環(huán)掃描。

標(biāo)準(zhǔn)輸入并帶滿載情況下的開環(huán)響應(yīng)，交叉頻率為5kHz，相位裕度為43°。 變化輸入電壓為20V，即圖中紅線所示，環(huán)路增益增加了1倍，即曲線被抬高了3dB，因此交叉頻率變?yōu)?.45kHz，相位裕度為44°。

6、變化ESR和負(fù)載檢查相位裕度。

以上測得是負(fù)載電阻為2.5Ω即電流為2A時(shí)的響應(yīng)，若增大電阻至進(jìn)入DCM模式，觀察補(bǔ)償器的功能是否受影響。 下圖看出，因?yàn)樽儞Q器在低頻處退化為一階系統(tǒng)，低頻段增益減小，所以交叉頻率明顯降低，分別為613Hz和1kHz，相位裕度分別為39.5°和59.5°，在不同輸入電壓下的相位裕度相差更大了，即對(duì)輸入電壓更加敏感。

如果變化電容的ESR，道理相同，負(fù)載恢復(fù)滿載情況，若取值變?yōu)?00m時(shí)如下圖，交叉頻率變?yōu)?.83kHz和15.56kHz，相位裕度變?yōu)?4°和55°。 可見ESR的增大會(huì)使得其零點(diǎn)提前出現(xiàn)，使得交叉頻率后移，并且提高中頻段的相位。

負(fù)載為50Ω時(shí) ESR為200m時(shí)

7、觀察瞬態(tài)響應(yīng)。

前面給出了一個(gè)近似估計(jì)電流上升階躍下，電壓響應(yīng)尖峰的計(jì)算式

如果作0.1A到2A的階躍，大致算出峰值為

即從5V下降到4.725V。 搭建仿真模型，用ABM+脈沖信號(hào)源實(shí)現(xiàn)負(fù)載切換，結(jié)果如下

電壓跌落為4.713V，與計(jì)算值近似相等，誤差可能來自ESR等。 書中給出該式，只說明用來計(jì)算欠脈沖，若用來計(jì)算電流下降階躍下的電壓超調(diào)，則似乎不符合仿真結(jié)果的5.24V。

下圖給出了全貌，明顯，DCM下到CCM的切換很快，建立時(shí)間大約0.4ms，而DCM切換到CCM則很慢，需要大約5ms。

圖中同樣以紅線示出了20V輸入電壓下的瞬態(tài)響應(yīng)，說明Buck變換器中確實(shí)是以最低輸入電壓為最惡劣條件，而高輸入電壓下具有更好的動(dòng)態(tài)性能。

除了輸出電壓響應(yīng)外，還應(yīng)觀察誤差電壓的瞬態(tài)響應(yīng)，這才是變換器在控制意義上的輸出。

書中到后面也說明了當(dāng)交叉頻率為8kHz時(shí)，響應(yīng)峰值降低為171mV，系統(tǒng)性能應(yīng)是有所改善。 重復(fù)上述步驟，8k處的曲線數(shù)據(jù)為相移137°，增益-16.5dB，同樣選擇45°裕度，雙零極點(diǎn)對(duì)補(bǔ)償器，列式如下。

得到曲線如上，與前述相同，用輸入電壓分別為10V和20V時(shí)進(jìn)行對(duì)比，10V時(shí)，交叉頻率為7.98kHz，相位裕度為42°。 再觀察瞬態(tài)響應(yīng)，理論計(jì)算的峰值應(yīng)為，圖中為4.8V左右，相差不大，說明該估計(jì)式具有足夠的精確度。 仔細(xì)觀察上圖中的相位曲線，可以看出一些問題。

K因子法的缺陷

該方法雖然簡單，它對(duì)響應(yīng)曲線形狀忽略不計(jì)，即忽略了可能存在的諧振峰，而只考慮交叉頻率。 這樣有可能在交叉頻率之前出現(xiàn)相位裕度減小到0的情況，如上圖所示。 在交叉頻率較高為8k時(shí)，出現(xiàn)了相位降低到0，增益仍為10以上的情況，這樣在該頻點(diǎn)很容易就有振蕩現(xiàn)象，稱為條件穩(wěn)定。 這種問題出現(xiàn)的原因是K因子法在放置零極點(diǎn)時(shí)只考慮交叉頻率的實(shí)現(xiàn)，而并未考慮零點(diǎn)位置與LC極點(diǎn)位置大致重疊這一要求，所以就會(huì)出現(xiàn)無法抵消LC極點(diǎn)引起相移的問題。 所以K因子法好雖好，若要妥善設(shè)計(jì)，還是應(yīng)該采取一般的零極點(diǎn)放置法進(jìn)行配置。

這種一般的方法，精確放置了每一個(gè)零極點(diǎn)，可以制作專用的計(jì)算表格。 書中提供了一種利用仿真軟件進(jìn)行參數(shù)計(jì)算的圖紙，似乎只能用Ispice，Pspice尚不知可否。

用放置零極點(diǎn)的方法，就不會(huì)出現(xiàn)條件穩(wěn)定性的問題了，圖如下，相位裕度為36°。 這種方法的缺陷也正是K因子法的優(yōu)點(diǎn)，即交叉頻率無法精確定位； 另外，書中的理論和實(shí)驗(yàn)也表明，K因子法放置的零點(diǎn)頻率較高，瞬態(tài)響應(yīng)也會(huì)快于放置零極點(diǎn)的方法。 所以各存利弊。

電流模式補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

以上討論的內(nèi)容均針對(duì)二階的電壓模式Buck電路。 對(duì)于電流模式控制來說，變換器的模型在低頻呈現(xiàn)為一階系統(tǒng)。

回顧一下電流模式控制的相關(guān)設(shè)置。 為避免次諧波振蕩，需要加入斜坡補(bǔ)償，在輸入電壓為10V時(shí)，電路中電感電流的上升和下降斜率一樣都為66mA/μs，補(bǔ)償斜率可以為其一半。 若采集電阻阻值為0.4Ω，則補(bǔ)償斜坡電壓為13.3kV/s。

同樣運(yùn)用K因子法，選擇交叉頻率為10kHz，相位裕度為80°。 先觀察開環(huán)曲線。

得到10kHz處相位為-52°，增益為0.25=>-12dB。 因?yàn)橄辔粶笤?0°以內(nèi)，可以用零極點(diǎn)對(duì)的補(bǔ)償器（2型）。

計(jì)算式如下

得到補(bǔ)償后的特性曲線如圖。 交叉頻率為9.1kHz，相位裕度74°。 值得注意的是在輸入電壓分別為10V和20V時(shí)，兩條曲線幾乎重合，這是因?yàn)殡娏髂Ｊ娇刂葡?，理論上?a target="_blank">音頻敏感度就是0，即輸入電壓的變化不會(huì)對(duì)系統(tǒng)造成影響。 略去了負(fù)載階躍測試，因?yàn)榭芍离娏髂Ｊ娇刂葡孪到y(tǒng)在低頻變?yōu)橐浑A系統(tǒng)，自然在階躍作用下是不會(huì)產(chǎn)生振蕩的，但峰值電壓由輸出電容決定，對(duì)電壓模式和電流模式都是一樣的。

此例可以看出K因子法對(duì)電流模式的設(shè)計(jì)還是很有優(yōu)勢的，因?yàn)橐浑A系統(tǒng)的特點(diǎn)，系統(tǒng)本身的相移就不大，所以不會(huì)出現(xiàn)條件穩(wěn)定性的問題。

實(shí)際設(shè)計(jì)之TL431反饋

實(shí)際工業(yè)應(yīng)用中已經(jīng)很少用運(yùn)算放大器設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路，而是將其與基準(zhǔn)源合二為一，利用TL431內(nèi)部的集成誤差放大器就可以設(shè)計(jì)出高性能的補(bǔ)償電路。 TL431的參考電壓為2.5V，TLV431為1.24V，且電流更小。

在一般的反饋環(huán)路中，連接光耦LED的支路為快支路，分壓網(wǎng)絡(luò)為慢支路，如圖所示。 對(duì)于小信號(hào)的研究，由于TL431的動(dòng)態(tài)電阻與Rled比起來小得多，忽略后由KVL得

VFB為最終反饋回到芯片FB引腳的電壓。

就得到了快通道的傳遞增益，在高頻區(qū)難以降低，使放置零點(diǎn)成為一個(gè)問題。

整個(gè)反饋可以看作快慢通道的疊加，與慢通道疊加后，推導(dǎo)反饋環(huán)路的傳遞函數(shù)

即

表明了系統(tǒng)中存在原點(diǎn)處極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)。

必須要明白的一點(diǎn)是，這個(gè)電路是實(shí)現(xiàn)前面所述補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的方法。 對(duì)比零極點(diǎn)對(duì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，還缺少一個(gè)非原點(diǎn)處的極點(diǎn)，可以直接在光耦的輸出與地之間接入電容。 得到的零極點(diǎn)位置分別為

注意到第一條式子的關(guān)系，所以曲線的斜率剛好在0dB處發(fā)生轉(zhuǎn)折，結(jié)果就是中頻增益G與零極點(diǎn)位置無關(guān)。

下面用TL431實(shí)際設(shè)計(jì)補(bǔ)償器。

K因子+431

用k因子法直接把零極點(diǎn)放置在

構(gòu)造零極點(diǎn)對(duì)的補(bǔ)償器做法較為簡單，基本上與前述的一般方法一致，直接代入計(jì)算即可，得到的響應(yīng)與前面用運(yùn)放搭建的結(jié)果是一致的。

如果搭建雙零極點(diǎn)對(duì)補(bǔ)償器，則需要考慮快通道的影響，即高頻區(qū)存在的增益，它使得直接在上位反饋電阻并聯(lián)零點(diǎn)的做法沒有作用。 因此需要在快通道的LED電阻直接并聯(lián)RC網(wǎng)絡(luò)，并聯(lián)后，原本LED電阻的位置上阻抗變?yōu)?/p>

完整的傳函變成

可得到兩對(duì)零極點(diǎn)的位置。 如果零點(diǎn)和極點(diǎn)的位置都重合，可以求出

G為期望的交叉頻率處增益。 之后就可以根據(jù)零極點(diǎn)位置求出RPZ和CPZ的值。

一般不會(huì)用TL431搭建這種補(bǔ)償器，因?yàn)長ED電阻對(duì)零極點(diǎn)位置存在影響，還是用運(yùn)放搭建較好。

TL431偏置電流

431需要一個(gè)從陰極流入的電流滿足要求，必須大于1mA，否則其開環(huán)增益會(huì)大大減小，使穩(wěn)壓效果變差。 一般不能依靠LED電阻提供的電流，因?yàn)楣怦畹腃TR會(huì)使期望的電流衰減，最后不能達(dá)到1mA的要求，所以應(yīng)該另外增加偏置電阻，通過輸出電壓直接拉一個(gè)電阻到TL431陰極，或者在LED兩端并聯(lián)一個(gè)電阻都是可行的。

在僅僅靠LED電流提供偏置時(shí)，要考慮最大的光耦傳輸比。 先計(jì)算光耦輸出端需要的電流值為

其中Vdd為控制器的邏輯電平，3V是假定反饋引腳的電壓上限值。 則LED的電流最小可能是

假設(shè)Vdd=5V，上拉電阻10k，CTR最大為100%，此時(shí)電流200μA，不滿足要求。 所以要加入偏置，由最小電流要求得到偏置電阻的取值

其中Vf為LED的壓降，典型值為1V。 若要求偏置電流2mA，LED電阻2.2k，Vdd=4.8V，CTR取典型值為30%，得到偏置電阻為830Ω。

此外還有一個(gè)地方的偏置電流需要注意，即從電阻分壓過來的電流，進(jìn)入TL431的參考節(jié)點(diǎn)。 進(jìn)入該節(jié)點(diǎn)的電流數(shù)據(jù)表給出為2~4μA，據(jù)此可以計(jì)算低端電阻值

不過如果選擇高端電阻的電流遠(yuǎn)大于μA級(jí)別，比如為1mA，就可以忽略這個(gè)電流值了。 對(duì)于低功耗應(yīng)用來說，還是應(yīng)當(dāng)設(shè)定為更低的電流值，這時(shí)需要考慮這個(gè)電流的限制。

關(guān)于光耦

光耦的輸出端中，集電極和基極之間存在較大的電容，會(huì)影響可用帶寬，此帶寬由電容和上拉電阻共同決定。 從數(shù)據(jù)表中給出的下降時(shí)間和測試電阻值可以計(jì)算出結(jié)電容值

一般為nF級(jí)別。 因此對(duì)要求較大帶寬的電源，光耦會(huì)造成較大的影響，或者使用阻值很小的上拉電阻。

另外，光耦還存在著一個(gè)高頻的極點(diǎn)。

跨導(dǎo)放大器

輸出電流為兩個(gè)輸入電壓差的倍數(shù)。 特別之處在于跨導(dǎo)放大器不存在局部反饋，相當(dāng)于開環(huán)運(yùn)行，輸入端也沒有虛地的情況，而且分壓電阻的下位電阻在環(huán)路中起作用。 常在PFC中應(yīng)用。