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开关电源的建模和环路补偿设计方案

开关电源的建模和环路补偿设计方案

点击数:7277 次   录入时间:03-04 12:01:58   整理:http://www.55dianzi.com   稳压-电源电路

    ,其中 X 是 DC 稳态的工作点,而

线性AC 小信号建模


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    图 6 显示,线性小信号 AC 部分可以与 DC 工作点 (OP) 部分分开。两个 AC 小信号变量 (线性AC 小信号建模线性AC 小信号建模) 的乘积可以忽略,因为这是更加小的变量。按照这一概念,平均式 PWM 开关单元可以重画为如图 7 所示的电路。

     

图 7:建模步骤 2:通过展开两个变量的乘积给 AC 小信号建模

图 7:建模步骤 2:通过展开两个变量的乘积给 AC 小信号建模

    通过将上述两步建模方法应用到降压型转换器上 (如图 8 所示),该降压型转换器的功率级就可以建模为简单的电压源

线性AC 小信号建模

    ,其后跟随的是一个 L/C 二阶滤波器网络。

     

图 8:将降压型转换器变成平均式、AC 小信号线性电路


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    函数 Gdv(s) 显示,该降压型转换器的功率级是一个二阶系统,在频率域有两个极点和一个零点。零点 sZ_ESR由输出电容器 C 及其 ESR rC产生。谐振双极点图 8:将降压型转换器变成平均式、AC 小信号线性电路由输出滤波器电感器 L 和电容器 C 产生。

    既然极点和零点频率是输出电容器及其 ESR 的函数,那么函数 Gdv(s) 的波德图随所选择电源输出电容器的不同而变化,如图 9 所示。输出电容器的选择对该降压型转换器功率级的小信号特性影响很大。如果该电源使用小型输出电容或 ESR 非常低的输出电容器,那么 ESR 零点频率就可能远远高于谐振极点频率。功率级相位延迟可能接近 –180°。结果,当负压反馈环路闭合时,可能很难补偿该环路。

     

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图 9:COUT电容器变化导致功率级 Gdv(s) 相位显著变化

    升压型转换器的小信号模型

    利用同样的 3 端子 PWM 开关单元平均式小信号建模方法,也可以为升压型转换器建模。图 10 显示了怎样为升压型转换器建模,并将其转换为线性 AC 小信号模型电路。

     

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图 10:升压型转换器的 AC 小信号建模电路

    升压型转换器功率级的转移函数 Gdv(s) 可从等式 5 中得出。它也是一个二阶系统,具有 L/C 谐振。与降压型转换器不同,升压型转换器除了 COUTESR 零点,还有一个右半平面零点 (RHPZ) 。该 RHPZ 导致增益升高,但是相位减小 (变负)。等式 6 也显示,这个 RHPZ 随占空比和负载电阻不同而变化。既然占空比是 VIN的函数,那么升压型转换器功率级的转移函数 Gdv(s) 就随 VIN和负载电流而变。在低 VIN和大负载 IOUT_MAX时,RHPZ 位于最低频率处,并导致显著的相位滞后。这就使得难以设计带宽很大的升压型转换器。作为一个一般的设计原则,为了确保环路稳定性,人们设计升压型转换器时,限定其带宽低于其最低 RHPZ 频率的 1/10。其他几种拓扑,例如正至负降压 / 升压、反激式 (隔离型降压 / 升压)、SEPIC 和 CUK 转换器,所有都存在不想要的 RHPZ,都不能设计成带宽很大、瞬态响应很快的解决方案。

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