【導(dǎo)讀】環(huán)路控制是開關(guān)電源設(shè)計(jì)的一個(gè)重要部分。文章前兩部分分別討論了以固定開關(guān)頻率運(yùn)行的轉(zhuǎn)換器類型、獲取功率級(jí)動(dòng)態(tài)響應(yīng)以及選擇交越頻率和相位裕度。本篇將主要探討開關(guān)電源相關(guān)設(shè)計(jì)示例。
IV設(shè)計(jì)示例：穩(wěn)定交流/直流反激
我選擇了一個(gè)交流/直流適配器項(xiàng)目來說明如何應(yīng)用上述線路。我們想要穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換器通過19.5 V輸出提供2.8 A電源，其原理圖如圖19所示。
圖19：這個(gè)交流/直流轉(zhuǎn)換器提供2.8 A電源，并采用TL431作為反饋環(huán)路
它由整流電源通過二極管電橋和大容量電容供電。考慮到采用正弦波輸入，饋送反激轉(zhuǎn)換器的整流直流電壓預(yù)計(jì)為圖 20中的正弦波。您可以看到，最低輸入線路(90 V)的電壓峰值約為120V，但谷值降至52V。轉(zhuǎn)換器必須在這個(gè)最低輸入條件下提供全功率，否則過載保護(hù)可能會(huì)跳閘，或輸出中可能會(huì)出現(xiàn)令人無法接受的紋波。
圖20：該交流/直流轉(zhuǎn)換器由受大電壓紋波影響的交流輸入供電
首先，我們需要最低輸入電平時(shí)的控制到輸出傳遞函數(shù)。我們可以使用圖 21中描述的SIMPLIS來獲得該函數(shù)。在沒有任何斜率補(bǔ)償?shù)那闆r下，考慮在52V輸入條件下需要進(jìn)行大量CCM操作，我們預(yù)計(jì)在頻率為開關(guān)頻率的一半時(shí)達(dá)到響應(yīng)峰值。
由于SIMPLIS需要在啟動(dòng)交流分析之前找到周期操作點(diǎn)(POP)，我不得不增加一些斜坡補(bǔ)償，以使其實(shí)現(xiàn)適當(dāng)趨同。這個(gè)額外的斜坡可由低阻抗驅(qū)動(dòng)引腳利用RC網(wǎng)絡(luò)生成。如果該網(wǎng)絡(luò)的時(shí)間常數(shù)大于開關(guān)周期，則所獲得的斜坡線性非常好，非常適合用于補(bǔ)償目的。圖 22顯示了按周期的結(jié)果和交流結(jié)果。
圖21：SIMPLIS將確認(rèn)操作點(diǎn)，并提供我們需要的功率級(jí)小信號(hào)響應(yīng)
計(jì)算表明雙極點(diǎn)的Q因數(shù)為負(fù)數(shù)，這表明位置在右半平面：開關(guān)模式非常不穩(wěn)定也就不足為奇了。要選擇交越頻率，我們需要知道右半平面零點(diǎn)的位置。如果使用如此低的輸入電壓，就無法獲得太多帶寬：
其中N為變壓器匝數(shù)比1:N中的N，D為工作占空比，Lp為變壓器初級(jí)電感，Rload為負(fù)載電阻。
圖22：模擬確認(rèn)不穩(wěn)定性與大量CCM操作相關(guān)聯(lián)
如果我們自己將其限制為該數(shù)字的30%，則500 Hz fc似乎比較合理。為獲得更好的值，您可以選擇增加大容量電容，并將谷值電壓提升至70V，或降低初級(jí)電感Lp。您可以將RHPZ推至更高的位置，但考慮到紋波變大，傳導(dǎo)損耗也會(huì)隨之增加。根據(jù)從功率級(jí)波特圖中500 Hz處提取的數(shù)據(jù)顯示，衰減為4.4 dB，相位滯后為86°。我們可以確定，要實(shí)現(xiàn)70°的相位裕度，所需的相位邊限提升（用于修正相位滯后，并實(shí)現(xiàn)一些相位裕度）如下：
k因數(shù)非常適合用于穩(wěn)定電流模式電源，并且我們可以確定將第2種類型補(bǔ)償器的極點(diǎn)和零點(diǎn)置于何處。首先，確定k值：
因此，零點(diǎn)將位于：
而極點(diǎn)將位于：
針對(duì)500 Hz頻率下的4.4 dB衰減，我們要補(bǔ)償?shù)脑鲆嫒Q于LED串聯(lián)電阻[2]和光耦合器電流傳輸比(CTR)：
鑒于我們獲得的值，我們可以得出電阻為3.6 kΩ。您必須確認(rèn)該電阻是否與在最壞情況下將控制器反饋引腳拉低所需的偏置條件兼容。最后，通過調(diào)整光耦合器上的電容，確定高頻極點(diǎn)fp的位置。請(qǐng)注意，我們必須正確表征這個(gè)光耦合器，以了解其低頻極點(diǎn)的位置[2]。選定所有元件后，我們可以單獨(dú)測試基于TL431的補(bǔ)償器，如圖 23中所示。
圖23：第2種類型的補(bǔ)償顯示了500 Hz時(shí)的預(yù)期相位提升
完成該步驟后，您可以使用圖 21中的SIMPLIS模板檢查各種輸入電壓條件下的交越頻率。如圖 24所示，在輸入電壓極值條件下獲得的相位裕度非常不錯(cuò)。在輸入電壓增至120 V后，交越屏幕馬上就擴(kuò)展至大約1kHz，而這有利于反應(yīng)速度。
圖24：在輸入電壓極值條件下，該補(bǔ)償策略可以實(shí)現(xiàn)非常可觀的相位裕度
實(shí)施補(bǔ)償后，就會(huì)執(zhí)行輸出瞬時(shí)荷載階躍，而您可以進(jìn)行響應(yīng)檢查，如圖 25中所示。欠壓在可控范圍內(nèi)，并且恢復(fù)時(shí)不會(huì)出現(xiàn)過壓。下一步就是構(gòu)建原型，并使用網(wǎng)絡(luò)分析儀在測試臺(tái)上驗(yàn)證環(huán)路響應(yīng)。
圖25：瞬態(tài)響應(yīng)表明低壓和高壓條件下的輸出波形比較穩(wěn)定
該實(shí)測試驗(yàn)至關(guān)重要，不能跳過。您可以通過該試驗(yàn)知曉，在進(jìn)行轉(zhuǎn)換器及其補(bǔ)償電路建模時(shí)做的假設(shè)是否得到實(shí)際電路板測量的證實(shí)。通過將試驗(yàn)結(jié)果反饋給模型，您可以在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行最壞情況分析，并確信是否與實(shí)際情況相符。
結(jié)論
本文詳細(xì)介紹了設(shè)計(jì)開關(guān)轉(zhuǎn)換器補(bǔ)償部分的各種方法。文中首先介紹了功率級(jí)控制到輸出傳遞函數(shù)，該函數(shù)可通過以下不同途徑獲得：使用平均模型模擬；推導(dǎo)小信號(hào)方程或使用分段線性引擎（如SIMPLIS）。在使用的模擬模板與您設(shè)置的相位裕度和增益裕度相符后，必須將您的結(jié)果與通過測試臺(tái)上原型獲得的結(jié)果進(jìn)行比較。然后，在經(jīng)過驗(yàn)證的模型上進(jìn)行參數(shù)掃描分析、蒙特卡洛分析和最壞情況分析，以確保向市場推出質(zhì)量合格且經(jīng)久耐用的產(chǎn)品。
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