如何使用隔離運算放大器構建電源環(huán)路補償

誤差放大器作為開關電源中的重要器件，對開關電源環(huán)路進行補償，開關電源的輸出的精度和響應速度有著重要作用。本文首先將光耦+TL431 和 CA-IS3102W 進行了對比，闡述了川土微電子CA-IS3102W在開關電源應用中的優(yōu)勢，給出了典型應用中的一些方法和建議。

01 隔離運算放大器的應用場合及隔離開關電源工作原理

隔離開關電源的基本組成：

a> 功率器件：有源器件如 MOSFET、 IGBT、 SiC、 GaN 等；無源器件如二極管。

b> 磁性器件：變壓器。隔離電源中變壓器將輸入側(cè)（一般為高壓側(cè)）和輸出側(cè)（一般為低壓側(cè)）隔離。能量通過變壓器從一側(cè)傳輸?shù)搅硗庖粋?cè)。由于兩側(cè)地不同，從而實現(xiàn)隔離。

c> 控制電路：對開關電源的被控制信號進行實時監(jiān)控。通過負反饋控制將目標量控制在設定值。

d> 驅(qū)動電路：電路中存在有源功率器件，這些器件開通/關斷時需要瞬時釋放和吸收能量，保證開關管的安全開通和關斷。驅(qū)動電路也是影響開關電源轉(zhuǎn)換效率的關鍵因素之一。

隔離開關電源的工作原理：

1> 控制電路對被控量進行實時監(jiān)控。如圖 1 所示。控制系統(tǒng)對輸出電壓 Vo 進行監(jiān)測。將 Vo 進行分壓后和參考電壓進行比較，且對誤差信號進行放大。一般使用 Type II 或者 Type III 補償。補償放大信號為 COMP。

2> COMP 信號通過一定方式從隔離一側(cè)送到另外一側(cè)。外界使用比較多的是光耦方式，也可以使用隔離運算放大器實現(xiàn)。

3> 將 COMP 信號從一側(cè)送到另一側(cè)后，再將信號送入電源控制器。

4> 電源控制器內(nèi)部轉(zhuǎn)換出 PWM 信號，控制功率驅(qū)動管從而控制能量使輸出電壓維持在設定值。

使用光耦隔離的隔離開關電源框圖：

在該應用中， TL431 作為基準電壓源提供 2.5V 參考電壓源。同時通過改變 Rc 和 Cc 實現(xiàn)環(huán)路補償。由于光耦必須提供一個最小工作電流，因此 R1 作為限流電阻使用并且阻值不能太大，二次側(cè)產(chǎn)生電流 i1。光耦工作時，會將二次側(cè)電流按照一定比例(CTR)傳輸?shù)揭淮蝹?cè)并產(chǎn)生一次側(cè)電流 i2。一次側(cè)的電阻和電容網(wǎng)絡將電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號送至隔離電源控制器， 從而產(chǎn)生控制 PWM 信號驅(qū)動功率級。

使用電容式隔離運算放大器的開關電源框圖在該應用中，隔離運算放大器作為基準電壓源提供 1.225V 參考電壓源。同時通過改變 Z1 和 Z2 的電阻電容網(wǎng)絡實現(xiàn)環(huán)路補償。補償后輸出值 COMP 通過 OOK 將模擬信號調(diào)制成 PWM 信號，通過隔離柵后將 PWM 信號還原成模擬信號，輸出為 EAOUT 和 EAOUT2，或者轉(zhuǎn)化成 IOUT 電流信號。EAOUT 或 EAOUT2 作為控制信號送至隔離電源控制器，從而產(chǎn)生控制 PWM 信號驅(qū)動功率級。

光耦和 TL431 方案和隔離運算放大器比較：

表1為光耦+TL431 方案和 CA-IS3101B/CA-IS3102W 方案的比較。

通過比較可知， CA-IS3101B/CA-IS3102W 方案的性能優(yōu)于光耦+TL431 方案：

a> 低參考電壓：使用 CA-IS3101B/CA-IS3102W 可以得到更低的輸出電壓。

b> 基準電壓穩(wěn)定性：輸出電壓更加穩(wěn)定。

c> 低基準誤差：輸出電壓精度高。

d> 響應速度快：動態(tài)響應速度快。

e> 工作帶寬：動態(tài)響應速度快。

f> 工作壽命：產(chǎn)品穩(wěn)定性及壽命。

02 隔離運算放大器的使用

隔離運算放大器增益的計算：

如圖 4 所示，從 FB 至 COMP 的傳遞函數(shù)：

當改變當 Z1 和 Z2 的電阻電容網(wǎng)絡時，可以形成不同的補償器，具有不同的頻率響應特性。

圖 5 為 Type I 型補償器。該補償器有 1 個極點，1 個零點。

圖 6 為Type II 型補償器。該補償器有 2 個極點，1 個零點。

圖 7和圖 8 為Type III 型補償器。該補償器有3 個極點，2 個零點。

由于 CA-IS310x 從 COMP 到 EAOUT 的帶寬為 400kHz，設計隔離開關電源時，如果開關頻率比較高，則必須考慮該-3dB 帶寬。計算環(huán)路時必須將此頻率響應曲線添加到補償器中。如圖 9 所示。

頻率響應傳遞函數(shù)為：

在實際應用中，還需要考慮反饋系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，即從輸出 VOUT 至補償器輸入 FB 的傳遞函數(shù)。

在實際應用中，為了將輸出電壓調(diào)整到預定值，一般采用反饋分壓電阻，因此控制環(huán)路中還必須要考慮反饋函數(shù)，反饋網(wǎng)絡如圖 10 所示，假設反饋網(wǎng)絡傳遞函數(shù)為 H(s)。第一種傳遞函數(shù) H(s)=1，第二種傳遞函數(shù)H(s) =RB/RB+RT。

從輸出 VOUT 補償網(wǎng)絡至 EAOUT 的信號傳遞函數(shù)

Gain_total_1(s)=

Gain_op(s) ? Gain_Comp(s)*H(s)。

從輸出 VOUT 補償網(wǎng)絡至 EAOUT2 的信號傳遞函數(shù) 

Gain_total_2(s)=

2.6 ? Gain_op(s) ? Gain_Comp(s)*H(s)。

結合以上計算配合功率級的傳遞函數(shù)，就可以計算出整個系統(tǒng)環(huán)路所需要的補償參數(shù)。

IOUT 引腳在系統(tǒng)環(huán)路控制中的應用：

CA-IS3101B/CA-IS3102W 專門提供一路電流型輸出 IOUT 可直接驅(qū)動。該電流將 EAOUT2 上的電流進行鏡像并在 IOUT 上形成電流，以替代光耦晶體管去驅(qū)動控制器的 COMP 引腳。

則從 EAOUT2 至 IOUT 的電流小信號傳遞函數(shù)Gm_vi(s) = – 2/Rx，從輸出 VOUT 補償網(wǎng)絡至 IOUT 的小信號傳遞函數(shù) Gain_total_3(s)= 2.6 ?Gain_op(s) ? Gain_Comp(s)*H(s)* Gm_vi(s)。

03 小結

CA-IS3101B和CA-IS3102W在隔離開關電源應用中作為反饋和補償網(wǎng)絡使用。分析了實際應用中常見的幾種補償網(wǎng)絡，推導出幾種補償器的傳遞函數(shù)。

來源：川土微電子