开关模式电源的建模和环路补偿设计

图 28:CTH 对转移函数和负载瞬态的影响

2)RTH 对负载阶跃瞬态的影响。图 29 显示,RTH 影响零点 fz1 和极点 fp2 的位置。更重要的是,RTH 越大,fz1 和 fp2 之间的 A(s) 增益就越高。因此 RTH 增大会直接提高电源带宽 fc,并在负载瞬态时降低 VOUT 的下冲 / 过冲。然而,如果 RTH 太大,电源带宽 fc 可能过高,相位裕度就不够了。

 

图 29:RTH 对转移函数和负载瞬态的影响

图 29:RTH 对转移函数和负载瞬态的影响

3) CTHP 对负载阶跃瞬态的影响。图 30 显示,CTHP 影响极点 fp2 的位置。CTHP 用作去耦电容器,降低 ITH 引脚的开关噪声,以最大限度减小开关抖动。如果电源带宽 fc > fp2,那么 CTHP 对负载瞬态影响就不太大。如果 CTHP 设计过度,导致 fp2 靠近 fc,那么它就可能减小带宽和相位裕度,导致瞬态下冲 / 过冲增大。

 

图 30:CTHP 对转移函数和负载瞬态的影响

图 30:CTHP 对转移函数和负载瞬态的影响

用 LTpowerCAD 设计工具设计一个电流模式电源

通过 LTpowerCAD 设计工具,用户可以非常容易地设计和优化凌力尔特电流模式电源的环路补偿及负载瞬态性能。很多凌力尔特产品都可用其环路参数准确地建模。首先,用户需要先设计功率级,在这一步,他们需要设计电流检测网络,确保为 IC 提供足够的 AC 检测信号。之后,在环路设计页面,用户可以通过简便地移动滑动条,观察总体环路带宽、相位裕度和相应的负载瞬态性能,依此调节环路补偿 R/C 值。就一个降压型转换器而言,用户通常需要设计低于 1/6 fSW 的带宽,有至少 45° (或 60°) 的相位裕度,在 ½ fSW 处至少有 8dB 的总体环路增益衰减。就一个升压型转换器而言,由于存在右半平面零点 (RHPZ),所以用户需要设计低于最差情况 RHPZ 频率 1/10 的电源带宽。LTpowerCAD 设计文件可以输出到 LTspice 进行实时仿真,以检查详细的电源动态性能,例如负载瞬态、加电 / 断电、过流保护 … 等等。

 

图 31:LTpowerCAD 设计工具减轻了环路补偿设计和瞬态优化负担

图 31:LTpowerCAD 设计工具减轻了环路补偿设计和瞬态优化负担

测量电源环路增益

LTpowerCAD 和 LTspice 程序不是用来取代真实电源的最终工作台环路增益测量。在将设计投入最终生产之前,总是有必要进行测量。尽管电源模型理论上是正确,但是这些模型不可能全面考虑到电路寄生性和组件非线性,例如输出电容器的 ESR 变化、电感器和电容器的非线性 … 等等。另外,电路 PCB 噪声和有限的测量准确度还可能引起测量误差。这就是为什么有时理论模型和测量结果可能相差很大的原因。如果发生这种情况,负载瞬态测试就可以用来进一步确认环路稳定性。

图 32 显示了用频率分析仪系统测量一个非隔离式电源的典型电源环路增益的测量配置。为了测量环路增益,在电压反馈环路中插入了一个 50Ω 至 100Ω 的电阻,并给这个电阻器加上了一个 50mV 隔离式 AC 信号。通道 2 连接到输出电压,通道 1 连接到这个电阻器的另一侧。环路增益由频率分析仪系统通过 Ch2/Ch1 计算。图 33 显示了测得的和 LTpowerCAD 计算得出的典型电流模式电源 LTC3851A 之环路波德图。在关键的 1kHz 至 100kHz 频率范围内,两条曲线吻合得非常好。

 

图 32:测量电源环路增益的测试配置

图 32:测量电源环路增益的测试配置

 

图 33:测得的和 LTpowerCAD 建模得到的电流模式降压型转换器之环路增益

图 33:测得的和 LTpowerCAD 建模得到的电流模式降压型转换器之环路增益

其他导致不稳定性的因素

工作条件:

如果在示波器上电源开关或输出电压波形看起来不稳定或有抖动,那么首先,用户需要确保电源是在稳态条件下工作的,没有负载或输入电压瞬态。对于非常小或非常大的占空比应用而言,如果进入脉冲跳跃工作模式,就要检查是否达到了最短接通时间或断开时间限制。对于需要外部同步信号的电源而言,要确保信号干净并位于控制器数据表给定的线性范围之内。有时还有必要调整锁相环 (PLL) 滤波器网络。

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