开关模式电源的建模和环路补偿设计
电流检测信号和噪声:
在电流模式电源中,为了最大限度地降低检测电阻器的功率损耗,最大电流检测电压一般非常低。例如,LTC3851A 可能有 50mV 最大检测电压。PCB 噪声有可能干扰电流检测环路,并导致开关表现不稳定。为了通过调试以确定是否确实是环路补偿问题,可以在 ITH 引脚到 IC 地之间放置一个大型 0.1µF 电容器。如果有了这个电容器电源仍然不稳定,那么下一步就是检查设计方案。一般而言,电感器和电流检测网络应该设计成,在 IC 电流检测引脚上至少有 10mV 至 15mV 峰值至峰值 AC 电感器电流信号。另外,电流检测走线可以用一对扭绞跨接线重新布设,以检查这样是否能解决问题。
对于 PCB 布局而言,有一些重要考虑因素 [6]。总之,通常需要用一对紧挨着布设、返回 SENSE+ 和 SENSE- 引脚的电流检测走线实现开尔文检测。如果某个 PCB 通孔用在 SENSE- 网中,那么要确保这个通孔不接触到其他 VOUT 平面。跨接 SENSE+ 和 SENSE- 的滤波器电容器应该通过直接走线连接,放置在尽可能靠近 IC 引脚的地方。有时需要滤波器电阻器,而且这些电阻器也必须靠近 IC。
控制芯片组件放置与布局:
控制 IC 周围组件的放置和布局也是至关重要的 [6]。如果可能,所有陶瓷去耦电容器都应该靠近其引脚。尤其重要的是,ITH 引脚电容器 Cthp 要尽可能靠近 ITH 及 IC 信号地引脚。控制 IC 应该从供电电源地 (PGND) 有一个单独的信号地 (SGND)。开关节点 (例如 SW、BOOST、TG 和 BG) 应该远离敏感的小信号节点 (例如电流检测、反馈和 ITH 补偿走线)。
总结
对于开关模式电源而言,人们常常认为环路补偿设计是一项富有挑战性的任务。对于具快速瞬态要求的应用而言,设计具大带宽和充足稳定性裕度的电源是非常重要的。这通常是一个非常耗时的过程。本文讲述了一些关键概念,以帮助系统工程师了解这项任务,使用 LTpowerCAD 设计工具可将电源环路设计和优化变得简单得多。
参考文献
[1] 《Opti-Loop Architecture Reduces Output Capacitance and Improves Transient Response》,
作者:J. Seago,凌力尔特公司《Application Note 76》,1999年5月。
[2] 《Simplified Analysis of PWM Converters Using the Model of the PWM Switch: Parts I and II》,
作者:V. Vorperian,《IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems》,1990年3月,26卷,第二册。
[3] 《An Accurate and Practical Small Signal Model for Current-Mode Control》,
作者:R. B. Ridley,www.ridleyengineering.com。
[4] 《Current-Mode Control: Modeling and its Digital Application》,作者:J. Li,美国弗吉尼亚理工大学博士论文,2009年4月。
[5] LTpowerCAD 设计工具和用户指南可在 www.linear.com.cn/LTpowerCAD 下载。
[6] 《PCB Layout Considerations for Non-Isolated Switching Power Supplies》,作者:H. Zhang,《Application Note 136》 可在 www.linear.com.cn 下载。
[7] 《Basic Concepts of Linear Regulator and Switching Mode Power Supplies》,
作者:H. Zhang,《Application Note 140》 可在 www.linear.com.cn 下载。
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