环路控制是开关电源设计的一个重要部分。然而,由于各种原因,在选定主要元件后,研究往往在项目结束时被抛到了脑后。通过简单的试验和错误分析,我们有时候会觉得,如果设计能够在示波器上实现可接受的瞬态响应,那么该设计便已准备好用于生产,但这种想法非常不明智,而且可能导致高昂代价。 这是因为,转换器中使用的大多数元件都会受到杂散元件的影响,而杂散元件的广泛影响在原型制 作阶段是隐藏的。如果未在模拟和环路测量的基础上进行彻底分析,您就不会知道相位和增益裕度是什么样的,以及它们有多可靠。这种设计松散的转换器很可能在生产中或在现场上电后不久就会出现故障。为避免出现这种情况,本文综述了目前可供选择的一些工具,让您在开始生产之前能够计算、模拟和测量您的原型,从而确保生产工作安全顺利。 简介 在开关转换器中,功率级的输出由电压变量控制。本文将这类电压变量记为Verr或Vc,它们由负责将转换器输出维持在规定范围内的补偿模块提供。对于以固定开关频率Fsw运行的转换器,控制变量为占空比D。但情况并非总是如此,有些转换器由可变频率(例如LLC等谐振转换器)或者可变导通或关断时间控制。本文将主要讨论以固定开关频率运行的转换器类型。 误差电压Verr可以直接控制占空比,我们这里讨论的是电压模式控制(VM)或直接占空比控制。另一方面,在电流模式控制(CM)中,控制电压Vc通过感应电阻按周期固定电感峰值电流,并间接设置工作占空比。 然而,当使用示波器显示在VM或CM下运行的转换器波形时,您无法判断转换器是在电流模式控制还是电压模式控制下运行。这是因为这两种结构的功率级非常相似,只有详细阐述占空比的方式发生了改变:降压转换器采用10V 电源为负载提供5V电压时,无论该系统在电压模式控制还是在电流模式控制下运行,该转换器在理论上都将具有50%占空比。 您能大胆地回答这个问题吗?如果您做足了功课,并仔细研究了寄生电容对交越频率和相位裕度等的影响,那么您确实可以。但是如果您没有那样做,而只是在实验室内转动补偿器的R和C旋钮来观察了阶跃响应,那么您可以擦擦额头上的汗珠,未来几天您肯定都要加班到很晚来纠正错误,避免出现灾难性结果。 拿到传递函数幅相图后,您就可以考虑补偿策略(即在不同的频率位置放置极点、零点和增益(或衰减))来满足您的设计目标。这就是图2中所示的示例。 构建补偿器时,有几种方法可循,如图3所示。经 典方法在文献中存在大量描述,该方法采用运算放大器构建滤波器,因为补偿器就是一个有源滤波器。然而,业内主要采用TL431,您可以在当今市场上销售的绝大多数适配器中发现其痕迹。我承认,就简单性或成本而言,它是其他方法无法超越的:只需几美分就可以得到一个具有适度高开环增益(55dB)和2.5V精确基准电压的运算放大器,而且TLV版本的Vref低至1.24V。 该部件提供多种不同的封装,一些版本可以接受高达36V的电压。然而,选择该器件会带来与快慢通道相关的其它问题。此外,还可以选择使用跨导运算放大器(OTA)来达到补偿目的。集成电路设计人员喜欢使用OTA,因为它们占用的硅芯片区域要少于对应的运算放大器。我个人不太喜欢OTA,因为基于运算放大器的补偿器提供虚拟接地,而基于OTA 的则没有。此外,电阻分压比也会影响极点/零点布局。 OTA在功率因数校正(PFC)应用中比较受欢迎,非常适合用于实现具有适度相位边限提升的补偿器。如果您打算将其用于需要实现高相位边限提升的应用,则可能会达到Vout/Vref比例的上限。 现在,如果您在f2频率下强制交越,则相位裕度为负数,也就是说闭环极点位于右半平面上:系统不稳定。您可以通过在f1或f2频率处实现相位边限提升来解决这个问题。通过将极点和零点放在补偿器中,您就可以调整其相位响应,使其不再固定为-270°,而是更低的值。当与设备响应相结合时,总参数或相位现在将小于-360°,从而获得实现稳定所需的相位裕度。 我们可以确定三种类型的补偿器,称为类型1、2和3,如图5中所示。第1种类型包含原点极点:它是以下传递函数所表示的积分器: 无相位边限提升,并且相位为反相运算放大器结构的相位(-180°)加上原点极点的相位(-90 °),因此最终参数为-270°或90°。 该结构中描述的传递函数如下所示: 您可以看到,分子中存在反向零点,因此可通过具有增益维度的G0进行因式分解。 如果我们现在对G(s)使用第3种类型的电路,而不是图4示例中的单纯积分器,并将相位提升125°,那么目前的总环路相位会偏离0°或-360°,并且我们会具有70°的裕度(图6)。 通过求解提升值,我们可以得到: 根据这个数字,我们可以推断出要使用的补偿器类型: 1.无需提升: 第1种类型。适用于不连续传导模式转换器,并且从某种程度上说,也适用于PFC级。 2.最高90°: 第2种类型。常用于电流模式控制转换器(例如,反激和PFC级)。 3. 超过90°但低于180°: |