開關(guān)電源的建模和環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(上)
引言
本文引用地址:http://www.ex-cimer.com/article/201808/387825.htm如今的電子系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜,電源軌和電源數(shù)量都在不斷增加。為了實(shí)現(xiàn)最佳電源解決方案密度、可靠性和成本,系統(tǒng)設(shè)計師常常需要自己設(shè)計電源解決方案,而不是僅僅使用商用磚式電源。設(shè)計和優(yōu)化高性能開關(guān)模式電源正在成為越來越頻繁、越來越具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。
電源環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計常常被看作是一項艱難的任務(wù),對經(jīng)驗不足的電源設(shè)計師尤其如此。在實(shí)際補(bǔ)償設(shè)計中,為了調(diào)整補(bǔ)償組件的值,常常需要進(jìn)行無數(shù)次迭代。對于一個復(fù)雜系統(tǒng)而言,這不僅耗費(fèi)大量時間,而且也不夠準(zhǔn)確,因為這類系統(tǒng)的電源帶寬和穩(wěn)定性裕度可能受到幾種因素的影響。本應(yīng)用指南針對開關(guān)模式電源及其環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計,說明了小信號建模的基本概念和方法。本文以降壓型轉(zhuǎn)換器作為典型例子,但是這些概念也能適用于其他拓?fù)?。本文還介紹了用戶易用的 LTpowerCAD設(shè)計工具,以減輕設(shè)計及優(yōu)化負(fù)擔(dān)。
確定問題
一個良好設(shè)計的開關(guān)模式電源 (SMPS) 必須是沒有噪聲的,無論從電氣還是聲學(xué)角度來看。欠補(bǔ)償系統(tǒng)可能導(dǎo)致運(yùn)行不穩(wěn)定。不穩(wěn)定電源的典型癥狀包括:磁性組件或陶瓷電容器產(chǎn)生可聽噪聲、開關(guān)波形中有抖動、輸出電壓震蕩、功率 FET 過熱等等。
不過,除了環(huán)路穩(wěn)定性,還有很多原因可能導(dǎo)致產(chǎn)生不想要的震蕩。不幸的是,對于經(jīng)驗不足的電源設(shè)計師而言,這些震蕩在示波器上看起來完全相同。即使對于經(jīng)驗豐富的工程師,有時確定引起不穩(wěn)定性的原因也是很困難。圖 1 顯示了一個不穩(wěn)定降壓型電源的典型輸出和開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形。調(diào)節(jié)環(huán)路補(bǔ)償可能或不可能解決電源不穩(wěn)定問題,因為有時震蕩是由其他因素引起的,例如 PCB 噪聲。如果設(shè)計師對各種可能性沒有了然于胸,那么確定引起運(yùn)行噪聲的潛藏原因可能耗費(fèi)大量時間,令人非常沮喪。
圖 1:一個 “不穩(wěn)定” 降壓型轉(zhuǎn)換器的典型輸出電壓和開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形
對于開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)換器而言,例如圖 2 所示的 LTC3851 或LTC3833 電流模式降壓型電源,一種快速確定運(yùn)行不穩(wěn)定是否由環(huán)路補(bǔ)償引起的方法是,在反饋誤差放大器輸出引腳 (ITH) 和 IC 地之間放置一個 0.1μF 的大型電容器。(或者,就電壓模式電源而言,這個電容器可以放置在放大器輸出引腳和反饋引腳之間。) 這個 0.1μF 的電容器通常被認(rèn)為足夠大,可以將環(huán)路帶寬拓展至低頻,因此可確保電壓環(huán)路穩(wěn)定性。如果用上這個電容器以后,電源變得穩(wěn)定了,那么問題就有可能用環(huán)路補(bǔ)償解決。
圖 2:典型降壓型轉(zhuǎn)換器 (LTC3851、LTC3833、LTC3866 等)
過補(bǔ)償系統(tǒng)通常是穩(wěn)定的,但是帶寬很小,瞬態(tài)響應(yīng)很慢。這樣的設(shè)計需要過大的輸出電容以滿足瞬態(tài)調(diào)節(jié)要求,這增大了電源的總體成本和尺寸。圖 3 顯示了降壓型轉(zhuǎn)換器在負(fù)載升高 / 降低瞬態(tài)時的典型輸出電壓和電感器電流波形。圖 3a 是穩(wěn)定但帶寬 (BW) 很小的過補(bǔ)償系統(tǒng)的波形,從波形上能看到,在瞬態(tài)時有很大的 VOUT下沖 / 過沖。圖 3b 是大帶寬、欠補(bǔ)償系統(tǒng)的波形,其中 VOUT的下沖 / 過充小得多,但是波形在穩(wěn)態(tài)時不穩(wěn)定。圖 3c 顯示了一個設(shè)計良好的電源之負(fù)載瞬態(tài)波形,該電源具備快速和穩(wěn)定的環(huán)路。
(a) 帶寬較小但穩(wěn)定
(b) 帶寬較大但不穩(wěn)定
(c) 具快速和穩(wěn)定環(huán)路的最佳設(shè)計
圖 3:典型負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng) ━ (a) 過補(bǔ)償系統(tǒng);(b) 欠補(bǔ)償系統(tǒng);(c) 具快速和穩(wěn)定環(huán)路的最佳設(shè)計
PWM 轉(zhuǎn)換器功率級的小信號建模
開關(guān)模式電源 (SMPS),例如圖 4 中的降壓型轉(zhuǎn)換器,通常有兩種工作模式,采取哪種工作模式取決于其主控開關(guān)的接通 / 斷開狀態(tài)。因此,該電源是一個隨時間變化的非線性系統(tǒng)。為了用常規(guī)線性控制方法分析和設(shè)計補(bǔ)償電路,人們在 SMPS 電路穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近,應(yīng)用針對 SMPS 電路的線性化方法,開發(fā)了一種平均式、小信號線性模型。
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