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開關模式電源的建模和迴路補償設計(一)

2015年06月03日  | Henry Zhang(凌力爾特電源產品應用工程經理)

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如今的電子系統變得越來越複雜,電源軌和電源數量都不斷地增加。為了實現最佳電源解決方案密度、可靠性和成本,系統設計者經常需要自行設計電源解決方案,而不是僅僅使用商用磚式電源。設計和優化高性能開關模式電源正在成為越來越頻繁、越來越具挑戰性的任務。


電源迴路補償設計常常被視為一項艱難的任務,對經驗不足的電源設計者尤其如此。在實際補償設計中,為了調整補償元件的值,往往需要進行無數次反覆的運算。而對複雜系統而言,這不僅耗費大量時間,而且也不夠精準,因為這類系統的電源頻寬和穩定性裕度可能受到幾種因素的影響。本應用指南針對開關模式電源及其迴路補償設計,說明了小訊號建模的基本概念和方法。本文以降壓轉換器作為典型例子,但是這些概念也能適用於其他架構。同時,本文也將介紹用戶易用的 LTpowerCAD 設計工具,以減輕設計及優化負擔。


確定問題

一個良好設計的開關模式電源(SMPS)必須是沒有雜訊的,無論從電氣還是聲學角度來看。欠補償系統可能導致運行不穩定。不穩定電源的典型情況,包括:磁性元件或陶瓷電容產生可聽雜訊、開關波形中有抖動、輸出電壓震盪、功率場效電晶體(FET)過熱等。


除了迴路穩定性,還有很多原因可能導致產生不想要的震盪。不幸的是,對於經驗不足的電源設計者而言,這些震盪在示波器上看起來完全相同。即使對於經驗豐富的工程師,有時確定引起不穩定性的原因也是很困難。圖 1 顯示一個不穩定降壓電源的典型輸出和開關節點波形。調節迴路補償可能或不可能解決電源不穩定問題,因為有時震盪是由其他因素引起的,例如印刷電路板(PCB)雜訊。如果設計者對各種可能性沒有了然於胸,那麼確定引起運行雜訊的潛藏原因可能耗費大量時間,令人非常沮喪。


圖1 一個不穩定降壓轉換器的典型輸出電壓和開關節點波形。
圖1 一個不穩定降壓轉換器的典型輸出電壓和開關節點波形。

對於開關模式電源轉換器而言,例如圖2所示的LTC3851或LTC3833電流模式降壓型電源,一種快速確定運行不穩定是否由迴路補償引起的方法是,在回饋誤差放大器輸出接腳(ITH)和IC地之間放置一個0.1微法的大型電容。(或者,就電壓模式電源而言,這個電容可以放置在放大器輸出引腳和回饋引腳之間。) 這個0.1微法的電容通常被認為足夠大,可以將迴路頻寬拓展至低頻,因此可確保電壓迴路穩定性。如果用上這個電容以後,電源變得穩定了,那麼問題就有可能用迴路補償解決。


圖2 典型降壓轉換器(LTC3851、LTC3833、LTC3866等)
圖2 典型降壓轉換器(LTC3851、LTC3833、LTC3866等)

過補償系統通常是穩定的,但是頻寬很小,暫態響應很慢。這樣的設計需要過大的輸出電容以滿足暫態調節要求,這增加電源的總體成本和尺寸。圖3顯示降壓轉換器在負載升高/降低暫態時的典型輸出電壓和電感器電流波形。圖3a是穩定但頻寬(BW)很小的過補償系統的波形,從波形上能看到,在暫態時有很大的VOUT下充/過充;圖3b是大頻寬、欠補償系統的波形,其中VOUT的下充/過充小得多,但是波形在穩態時不穩定。圖3c顯示一個設計良好的電源之負載暫態波形,該電源具備快速和穩定的迴路。


圖3 (a)頻寬較小但穩定
圖3 (a)頻寬較小但穩定

圖3 (b)頻寬較大但不穩定
圖3 (b)頻寬較大但不穩定

圖3 (c)具快速和穩定迴路的最佳設計
圖3 (c)具快速和穩定迴路的最佳設計

(未完,請參閱下頁更多內文及附圖)

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