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开关稳压器控制回路照顾的原理与基本特点

已有 285 次浏览2019-3-29 16:09

开关DC-DC电压调治器(“开关调治器”)依附于闭合反映控制回路,以确保在变换的负载条件下保持所需的电压和电流时时彩输入。该控制回路的性能影响电源的要害性能参数,网罗线路和负载调治,稳固性和静态照顾。

工程师可以经由历程丈量控制回路的频率照顾来量化控制回路的性能。电压调治器可在很宽的频率规模内使命。然后可以经由历程将赔偿器搜整体结到电路中来“调谐”频率照顾。假定使命做得好,事实效果是一个开关稳压器时时彩,它在很宽的频率规模内稳固但没有太过赔偿,是以其静态照顾很差。

本文简介了开关稳压器控制环路的基泉源基础理,然后简介了全心设计的模块化开关控制器和稳压器的一些示例,这些控制器和稳压器可用作高性能电源的基础。

电压调治器控制回路

反映控制回路是质朴的看法。控制循环的目的是约束系统变量(例如,输入),使其保持在希冀值。系统变量赓续遭到监控,并与参考值阻拦较量,参考值即是所需的输入。然后应用误差旌旗暗记(希冀值和现实输入之间的差值)来调剂系统变量以使其恢复正常。

在开关调治器中,系统变量是电压(和/或电流)与电路设计者设定的参考值阻拦较量。然后将误差镌汰年夜器的输入(误差旌旗暗记)馈入较量器,该较量器调治开关晶体管的占空比。占空比与输入电压成正比。图1显示了升压(“升压”)开关稳压器的反映环路的简化原理图。

开关稳压器控制回路照顾的原理与基本特点

图1:控制的简化原理图用于升压调治器的回路。 (由Fairchild 时时彩Semiconductor供应)

在完善的控制环路中,岂论负载或输入电压若何发生,输入电压都将保持时时彩定在参考电压。在现实电路中,负载和输入电压的变换会在一定水平上捣乱输入。工程师欲望设计他或她的电路,以便控制回路尽能够快地照顾变换并准确调治输入电压,同时保持稳固。

控制回路可以经由历程其频率照顾来表征。频率照顾体现开关稳压器怎样在一定频率规模内的划定使命条件下作出回声(由电压调治器的“转达函数”一定)。频率照顾是电压调治器的静态模子,显示输入电压,负载和占空比的变换若何凭证频率影响输入电压。频率照顾会影响电压调治器的回声时间,精度和稳固性。

增益和相位差

电路的频率照顾可以经由历程数学建模或测试来一定。现实设计(或二者的组合)。这两种措施都不是眇乎小哉的,但电压调治器制造商供应有用的应用诠释和在线软件来协助这两种手艺。 (例如,德州仪器TI)应用申报 1 是适用丈量手艺的有用指南。)

奈奎斯特稳固性定理可用于表征频率照顾控制回路,但它是一个严重年夜的剖析,须要高水平的专业知识来提取设计洞察力。幸运的是,开关电压调治器弗成防止地在输入级网罗一个低通滤波器时时彩,这简化了频率照顾,是以Bode图可以用来形貌转达函数来取代奈奎斯特数据。与奈奎斯特剖析发生的极坐标图相比,波德图更容易剖析。

波特图是转达函数的幅度和相位随频率变换的曲线图,其中幅度划分以分贝和相位绘制,而频率以对数刻度显示。图2显示了图1所示升压调治器的增益和相位波特图。

开关稳压器控制回路照顾的原理与基本特点

图2:升压稳压器的增益和相位波特图。 (Fairchild Semiconductor供应)

这些图提醒了控制回路性能的一些要害信息。第一个兴趣点是交织频率(fc)。这是控制环路增益为单元(0 dB)的频率,也称为环路带宽(本例中约为7 kHz)。第二个兴趣点是相位滞后到达180 o 的职位(本例中约为25 kHz)。相位裕度(PM)即是180 o 减去fc处的相位滞后(关于该示例,约为60 o )。增益裕度(GM)是相位滞后180 o 的增益(在这类情形下为20 dB)。

时时彩假定增益曲线只需一次(0 dB) (关于在输入级具有低通滤波器的电压调治器现实上总是云云),假定fc处的相位滞后小于180度,则系统将是稳固的。在其他频率,相位滞后可逾越180 o 而且控制回路仍将保持稳固。关于年夜多数控制回路,履历富厚的工程师的目的是完成年夜于45 o (且小于315°)的相位裕度。通常,相位裕度为45 o 供应优胜的瞬态照顾和优胜的阻尼。关于升压或降压开关稳压器,增益裕度应高于10 dB。

纵然控制环路相位滞后逾越180°,许多系统也能够或许稳固增益年夜于0 dB o 频率小于fc。可是,当环路增益减小时,这样的系统能够变得不稳固。这些系统只是“有条件”稳固,并没有体现出优胜的设计现实。

(重视,在低负载时,年夜多数开关稳压器将进入不一连的电流导通形式。在这类形式下,电路的频率照顾会发生变换。另请重视,没有输入电压前馈的电压形式转换器会随着输入电压的变换而泛起频率照顾的变换。[请参阅TechZone文章“开关稳压器一连和不一连形式之间的差异及其主要性”和“电压和电流” - 直流 - 直流开关调治器中PWM旌旗暗记天生的形式控制“。]

初始电路结构证实不合适并改变电路的频率照顾的能够性以致逾越匀称工程师须要引入赔偿群集。这些群集的义务是塑造控制环路增益,使fc移动到合适的职位,相位和增益裕度招致优胜的静态照顾,线路和负载调治和稳固性。有几种类型的赔偿群集,这些将在此外一篇TechZone文章中议论辩说。

全心设计的开关电压调治器在电学和声学上都很清静。关于欠赔偿系统而言,情形着实不是云云,这些系统会发生来自磁性元件或陶瓷电容器的可听噪声,开关波形中的哆嗦,输入电压的振荡和许多其他不希冀的特点。

此外一方面,太过赔偿的系统可以异常稳固宁悄悄,但价值是静态照顾迟缓。这类系统的fc将以低频率发生,通常低于10kHz。慢静态照顾设计须要过年夜的输入电容时时彩,以知足瞬态调治请求,从而增添了电源的全体资源和尺寸。虽然,窍门是取得平衡。最好赔偿设计稳固清静,但照顾速率快,输入电容最小。

应用电源模块

虽然重新泉源设计开关稳压器有一些优势(参见TechZone文章“DC/DC稳压器:怎样在聚会和模块化设计之间阻拦选择”),许多工程师将其电源设计基于半导体供应商的电源模块,如Fairchild Semiconductor,Linear Technology,TI和Maxim Integrated。

电源模块将电压调治器设计的许多电路元件集成到一个芯片中。例如,控制器集成了误差丈量和脉冲宽度调制器(PWM)系统(设置占空比),同时调治器将开关驱动器和开关元件自己添加到控制器电路。通常,工程师只需选择电感器时时彩和滤波器元件来填补稳压器芯片,电源便可运转。

电源模块将主要(但不是完全)一定基于模块的设计的初始频率照顾,是以工程师查阅给定芯片的数据表以检查其能否能够切合其建议设计的尺度异常主要。

图3(a)和(b)显示了用于降压稳压器的凌力尔特LTC3829控制器的控制环增益和相位的波特图。 (这些图是应用公司的LTpowerCAD设计工具天生的。)控制器可以驱动一切N通道同步功率金属氧化物半导体场效应晶体管(MOSFET)级。该器件接纳4.5至38 V输入使命,输入电压为0.6至5 V.该器件的效力高达94%,可在250至770 kHz规模内以可选择的结实频率使命。

开关稳压器控制回路照顾的原理与基本特点

时时彩图3(a):Linear Technology LTC3829控制器的控制环路增益。

开关稳压器控制回路照顾的原理与基本特点

图3(b):Linear Technology LTC3829控制器的控制回路相位。

从图中可以看出,LTC3829的fc为45 kHz,相位裕度为64 o 。增益裕度靠近20 dB。这些数据使控制器成为稳固而迅速的电压调治器的优胜基础。

TI供应种种开关电源控制器和稳压器电源模块。图4显示了基于TPS23754控制器的公司参考设计的频率照顾。 TPS23754针对以太网供电(PoE)供电装备(PD)应用中的隔离调治器角色阻拦了优化(请参阅TechZone文章“新一代PoE控制器轻松处置赏罚赏罚更高功率”)。异常,这是一个设计优胜的开关稳压器的例子,其相位裕度为92 o 和25 dB的增益裕度。

开关稳压器控制回路照顾的原理与基本特点

时时彩图4:PoE应用的基于TI TPS23754的电源参考设计的控制环路增益和相位。

就其自己而言,Maxim Integrated在其数据表中为其许多开关稳压控制器供应了有用的频率照顾波特图。该公司还供应的器件不只集成了电感器,还集成了赔偿群集,以确保开关稳压器稳固照顾。

例如,MAX17505是一款高压同步降压稳压器,具有双集成MOSFET,使命电压规模为4.5至60 V。它在0.9 V至90%VIN输入电压规模内供应高达1.7 A的电流。图5显示了MAX17505的频率照顾,注解fc为60.7 kHz,相位裕度为59 o 。

开关稳压器控制回路照顾的原理与基本特点

图5:Maxim MAX17505开关稳压器的控制环路增益和相位。

须要基准测试

时时彩准绳上开关稳压器的控制环路很容易明确,在现实中体现更难控制。纵然是最专业的工程师也能够或许须要数后天能赔偿在纸上看起来不错的电源设计,但证实其不稳固或静态照顾不佳。

选择一个集成了年夜部门电源组件并由制造商阻拦外部赔偿的控制器或稳压器模块可以减缓这一寻衅。但是,添加外部滤波器组件能够会改变模块的频率照顾,是以能够须要阻拦特殊的设计使命。主要组件制造商供应设计软件来模拟所提议设计(网罗外部滤波器组件)的频率照顾。这延伸了设计历程,但通常仍须要一些原型台架测试来刷新全心设计的产物的赔偿群集。

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