设计稳定DCDC控制回路概要.doc

精品文档 精品文档 PAGE 精品文档 设计稳定的DC/DC控制回路 作者:MarkZiegenfuss 高级应用工程师 Micrel 如果既不知道误差信号放大器极点和零点的适当位置,也不知道其所需增益的大小,在这种情况下设计一个DC/DC变压器的补偿网络很悬。通常都是通过反复试验来使DC/DC变压器的控制回路得到稳定。本文中,一个系统化的近似方法可以解决这个问题。 概述 随着开关频率的增加,反馈信号带宽也会增加。反馈信号的带宽通常为开关频率的五分之一至十分之一。反馈信号带宽通过测量开环传递函数的交越频率来确 定。开环传递函数的单位增益所在的频点就是交越频率。当使用MHz区域的开关频率,使开环增益的交越频率(f 达到几百KHz并不困难。不管 DC/DC变压器的 co 操作频率,用我们的方法都会得到非常好的结果。 调节开关电源通过负反馈系统具有一个受控的输出,而反馈回路本质上具有震荡的可能性(不稳定,某些带反馈的系统在特定条件下会振荡,所以我们首要的任务就是要知道何时以及何种条件下系统才能保持稳定。 反馈理论 知道反馈系统维持稳定的约束条件是非常重要的事,因此我们需要熟悉一下反馈理论。图一描述了一个负反馈系统。 图1:具有负反馈的系统其闭环传递函数为: 渐鱷嚨閿錢嫱終砗駭椏積诅丽鹰飆。 当1+G(sH(s=0时,系统明显不稳定,因此G(sH(s≠-1是一个稳定性的约束条件。G(sH(s=T(s称为开环传递函数,T(s的大小为开环增益,有时也称为回路增益,而 T钝篳乐蔥來絳鵑绡儔隨锟駁荦渔点。 (s为开环增益的相位,或者简单的说就是回路相位。 θ (s=-180度,系统将失去稳定。 故此,当|T(s|=1,而T θ 开环增益和相位决定了系统的稳定性。当描述的系统是闭环系统时 ,把T(s称 为开环增益似乎容易产生混淆。我们称 G(sH(s为环绕回路上的正向增益和反向增 益的乘积。当H(s不为零,系统明显具有反馈增益,因此也就是一个闭环系统。 (s ≥-180。 另一个稳定系统的约束为当 |T(s|=1,而相位T θ DC/DC变压器反馈系统 图2是电压模式同步DC/DC变压器的简单示意图,比如Micrel'sMIC2130/1。 内部的跨导误差放大器被用来补偿电压反馈回路 ,通过电容C1串联电阻R1再与另 一个电容C2并联,从放大器的COMP口接地。(注:陶瓷输出电容可能需要第三类补 偿,这将是另一篇文章关注的主题。 DC/DC变压器被表示为图 3中的增益单元。鍆钴鹭码犊崭櫫莺叽谘潿錘鹳谵帮。 图2:简化的系统结构示意图 从反馈理论,稳定性约束其中的一个为当开环增益T(s=1(即0db,而开环(s≥-180度,即相位须大于(负的较少-180度。相位大于-180度部相位T θ 分的量称为相位容限,(译者注:系统由稳定变为不稳定的相移附加量,典型值在30至60度之间。当预测系统的稳定性,以及在跃变的瞬间上冲和下冲的量有多少时,相位容限是一个关键参数。 图3:DC/DC变压器,增益分块表示法 开环传递函数的幅值和相位由下式给出:T(s=G ea*G PWMcmp (s*G頜澗欖苈屬絨蹿繚荤氬鰻悶蘋嗚讶。 PWRS (s*G flt (s*H fb (s, 其中幅值为: |T(s|=|G ea(s|+|G PMWcmp (s|+|G PWRS (s|+|G flt (s|+|H fb (s| 相位为: T鴆詬鼋鸣满辆韦鯰陝內賦钥賞雋攜。 θ(s= θ ea θ PWMcomp θ flt θ fb 图3中跨导类型误差放大器的增益由下式给出 : 相应于Micrel'sMIC2130系列控制器,gm=1.5ms,且 即,MIC2130/1的占空系数最大至 85%。此外,禅羋钼礴侩憂夺责嘜寻禍悭攬貸荣。 其中: 简单的说,我们把PWN比较器增益和功率级增益结合在一起,并称之为调制增益。由此: 其中T(s的幅值为|T(s|=|G ea(s|+|G MOD (s|+|G flt (s+|H fb (s|。则θ MOD 0,输出滤波器的相位包括电感L和输出电容C OUT 的复极点。且在高频段,有 一个相位提升,这是由C OUT 的等效串联电阻(ESR产生的零点导致的。因此滤波 器在F0有两个极点,同时在Fesr有一个零点。此外,θflt=-180度在F0,和+90 度在Fesr. 设计稳定的DC/DC变压器的步骤禍溃枣钪撿買蛴瘅飪鲞緯变骀謝儷。 1.使用一个网络分析工具测量和绘制调制器和滤波器的增益 ,图2中的(V out/V in =G MOD(s*G flt (s。 2.从绘制中,发现交越频率点的增益,f co (选择一个频率,为开关频率的1/5至1/10 3.给出已知的G MOD(s*G flt (s和反馈增益H(s,确定跨导误差放大器(Eq.2