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1、開關(guān)電源環(huán)路中的 開關(guān)電源環(huán)路中的 TL431作者:安森美半導(dǎo)體產(chǎn)品線應(yīng)用工程總監(jiān) Christophe Basso 來源:電子設(shè)計應(yīng)用 2009 年第 7 期 穩(wěn)定 穩(wěn)定 CCM 65W 反激式轉(zhuǎn)換器 反激式轉(zhuǎn)換器反激式轉(zhuǎn)換器在筆記本適配器市場很普及,這種轉(zhuǎn)換器工作在電流模式控制,使其非常適合于低成本且堅固的結(jié)構(gòu)。這類轉(zhuǎn)換器的典型應(yīng)用如圖 1 所示。其中的控制器采用了 NCP1271,這一器件工作在固定頻率電流模式控制,包含眾多
2、的實用特性,如基于定時器的短路保護(hù)、 提供利于抑制電磁干擾(EMI)信號的頻率調(diào)制技術(shù),以及工作在軟工作模式的跳周期功能,以滿足沒有可聽噪聲時的待機(jī)能耗要求。這些轉(zhuǎn)換器通常用于低電源輸入時工作在連續(xù)導(dǎo)電模式(CCM)以降低導(dǎo)電損耗,而在高電源輸入時自然轉(zhuǎn)換到非連續(xù)導(dǎo)電模式(DCM)工作。 在本文的案例中,假定硬件設(shè)計已經(jīng)完成,這表示已經(jīng)選擇好變壓器初級電感 Lp、 變壓器匝數(shù)比 N及剩余元件。TL431 單獨考慮,等待選擇補(bǔ)償元件。圖
3、1 采用 采用 NCP1271,包含頻率抖動振蕩器的典型反激式轉(zhuǎn)換器 ,包含頻率抖動振蕩器的典型反激式轉(zhuǎn)換器首先要做的事情是獲取電流模式反激轉(zhuǎn)換器的控制至輸出的傳遞函數(shù),即所謂的開環(huán)受控體傳遞函數(shù)。有幾種方法來實現(xiàn)這個目標(biāo):1. 解析出所考慮轉(zhuǎn)換器的小信號模式,并使用自動化數(shù)學(xué)工具析取電源段響應(yīng)的幅度和相位。 CCM 電流模式轉(zhuǎn)換器的幅度等式相當(dāng)復(fù)雜,如等式(1)所示。 可看到等式中的不同極點/零點,以及位于開關(guān)頻率 fn 一半
4、頻率處、 受品質(zhì)系數(shù) Qp影響的 2 個次諧波極點。相位也要單獨計算,確保產(chǎn)生完整的波特圖。第二個條件等式上的負(fù)號顯示 fz2實際上是一個右半平面零點(RHPZ)。誠然,這些公式表示單獨計算所有項,且需要極仔細(xì)地計算最終結(jié)果及標(biāo)波特圖。此外,它們只適用于 CCM 模式。如果轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換至 DCM 模式,這些等式就需要進(jìn)行更新,拖長了本研究的時間。 如果理解如何得出這些結(jié)果的技術(shù)對于聲稱掌握開關(guān)電源環(huán)路控制的人是至關(guān)重要的,這些公式的實際應(yīng)
5、用就局限于輕松進(jìn)行數(shù)學(xué)分析的人。理解了內(nèi)部架構(gòu),下面就來掌握交流仿真示意圖。圖 3 所示為電源段及基于 TL431 的補(bǔ)償器。針對電流模式控制選擇了專門的平均模型。 參考文獻(xiàn) 1 中詳細(xì)描述了這支電路。 它支持 CCM/DCM 工作條件,并在這兩種工作條件間自動切換。 這個電路由于其專門架構(gòu),能工作在直流、瞬態(tài)及交流,而在這些條件下都可精確預(yù)測次諧波振蕩。在除以 3 電路及其相關(guān)的 1V 鉗位組合至內(nèi)嵌式的等式中,將漂移鉗位至低于 1V
6、,同時將反饋電壓除以 3。這一等式對應(yīng)的電路如圖 3 所示,基于 B1 模擬行為模型電壓源,采用 INTUSOFT 的 IsSpice 語法。 如果采用 Cadence 的 PSpice 工具,等式如下E1 8 0 Value = { IF ( V(err/3)>1,1,V(err/3) ) }圖 3 的示意圖中反映了直流工作電平。 在任何仿真開始前,仿真器計算這些偏置點。 當(dāng)使用平均模型時,要檢查這些偏置點是否符合期望。 在本文
7、案例中,輸出電壓是 19V,計算出占空比為 56.2%,這看上去是對的。 0.33W 的感測電阻上的峰值電流設(shè)定點為 568mV,顯示峰值電流為 1.7A。既然平均模型給出正確的直流點,可期望 H(s)=Vout(s)/VFB(s)具有正確的交流響應(yīng),其中VFB(s)表示控制器反饋引腳上的電壓。標(biāo)圖如圖 4 所示,顯示了一半開關(guān)頻率時的次諧波峰值。圖 4 電源段交流響應(yīng)顯示一半開關(guān)頻率時次諧波達(dá)到峰值,暗示要注入外部斜坡來抑制這
8、些次諧波極 電源段交流響應(yīng)顯示一半開關(guān)頻率時次諧波達(dá)到峰值,暗示要注入外部斜坡來抑制這些次諧波極點。 點。這一次諧波尖峰能注入諧波補(bǔ)償實現(xiàn)快速抑制。 最快的方式是計算初級電感的衰減斜坡,將其 50%注入模型,并最終注入控制器中。完整公式如下所示,其中涉及到輸出電壓 Vout、初級電感 Lp、輸出二極管正向壓降 Vf、感測電阻 Rsense及變壓器匝數(shù)比 N:在 1kHz 帶寬時補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器 帶寬時補(bǔ)償轉(zhuǎn)換器在圖 4 中可以看到 1kHz
9、帶寬時-10.4dB 的衰減。 因此,必須定制補(bǔ)償器傳遞函數(shù) G(s),在 1kHz 時提供+10.4dB 的增益。然后,必須提供某種程度的相位提升,從而在環(huán)路關(guān)閉時提供足夠的相位余量。相位余量的選擇取決于眾多標(biāo)準(zhǔn),其中包括恢復(fù)時間及元件差量。 為確保相位余量不低于 45?的限制,可爭取 60?的相位余量。 為獲得這種程度的余量,需要放置極點和零點,使補(bǔ)償器在接近 1kHz 的區(qū)域提升相位。需要提供多少的相位提升才能達(dá)到 60?的相位余
10、量?參考文獻(xiàn) 1 提供了一個簡單的公式,累加補(bǔ)償環(huán)路中出現(xiàn)的相位旋轉(zhuǎn),并計算超出-360?限制外所需要的相位提升:在受控體傳遞函數(shù) H(s)中,可看到輸出電容等效串聯(lián)電阻(ESR)的影響,ESR 可抵制低頻極點并改善相位。為迫使增益沿著頻率軸的前進(jìn)而下降,通常需要在恰好出現(xiàn) ESR 零點的位置放置一個極點:有了一個位于 1.2kHz 帶寬的極點,實際上還要在這個帶寬放置零點以獲得 24?的相位提升。極點與零點相隔得越近,獲得的相位提升就
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