反饋環(huán)路設計

1 1 ( 2IMI3.10倍麵雜-45—1 1 1 1 ( 2IMI3.10倍麵雜-45—1 1 vl_R-91)°卜\--B510.LU0.'1翥— 1晁toVi 1十sRC'-ItiRC增益按一20dB/10倍頻程下降，相位近似按一45710倍頻程下降。單零點響應：最大相移為一90°RVo_只1(1+sRC\Vi增益按20dB/10倍頻程上升，相位近似按45710倍頻程上升，最大總相移為90°反饋環(huán)路設計穩(wěn)定的反饋環(huán)路對開關電源來說是非常重要的，如果沒有足夠的相位裕度和幅值裕度，電源的動態(tài)性能就會很差或者出現(xiàn)輸出振蕩。下面先介紹了控制環(huán)路分析里面必須用到的各種零，極點的幅頻和相頻特性；然后對最常用的反饋調整器TL431的零,極點特性進行分析;TOPSWITCH是市場上廣泛應用的反激式電源的智能芯片，它的控制方式是比較復雜的電壓型控制，為了方便一般使用者，內部集成了一部分補償功能，所以很多工程師不清晰它的整個環(huán)路，最后運用上面的理論分析一個TOPSWITCH設計的電源，對它的環(huán)路的每一個部分進行了解剖，可以使工程師更好地應用TOPSWITCH及解決設計中遇到的環(huán)路問題.波特圖是分析開關電源控制環(huán)路的一個有力工具，它可以使復雜的幅頻和相頻響應的計算變成簡單的加減法，特別是使用漸近線近似以后，只需要計算漸近線改變方向點的值.單極點響應：20右半平面零點:Vi 2祕右半平面零點:Vi 2祕右半平面零點是反激和BOOST電路里面特有的現(xiàn)象。增益按2OdB/1O倍頻程上升，相位近似按一45710倍頻程下降，總相移為一90。,右半平面零點是幾乎無法補償?shù)?，做設計時盡量把其頻率提升或降低帶寬Vo_ 1ViI+ +G/妙）二Q值是電路的品質因數(shù)，過了諧振點后，增益按一40dB/10倍頻程下降，相位依Q值的不同有不同的變化率,Q值越大，相位變化越劇烈，在諧振點相位是一90°，最大總相移為一180。低Q值的雙椒點響應企當Q?0.5時sRIRbCsRIRbCQ值是電路的品質因數(shù)，R2是負載電阻,R1是電感的電阻，電容的ESR,整流管內阻，和代表磁心損耗和漏感損耗的合成電阻。大部分的AC/DC電源,由于損耗較高，一般Q值很難大于3。當Q值較低時（Q〈＜0.5），雙極點響應會退化為兩個單極點響應,如上圖所示。TL431用輸出供電時的零，極點特性TL431是開關電源次級反饋最常用的基準和誤差放大器件，其供電方式不同對它的傳遞函數(shù)有很大的影響,而以前的分析資料常常忽略這一點.下面分析常見的供電和輸出反饋接在一起時的傳遞函數(shù).交流分析等嫩電路lopfoR1Io］）to—■■0klhRJbr—1 1— HiR*VoR1把門帶入前面的公式：呵坦二1+^R+RDCT.lopto_1+5（J?+7?1）C /o把門帶入前面的公式：呵坦二吹1克D 'Vo

12用(R+7?1)C」」1疋2恥從上面的公式可以看到，在輸出直接給431供電的情況下，零點的位置在 ，即使沒有R,只接一個C的情況下，零點還是存在，如果R1遠大于R,零點的位置主要有反饋網(wǎng)絡的上分壓電阻決定。為了抑制輸出的開關紋波，有時在后面加一個LC濾波,如下面TOP245Y電源的L2,C8,其諧振頻率一般大約為開關頻率的1/10-120左右，這個頻率通常遠大于反饋回路的帶寬，其影響可以忽略。下面我們將用上面的基礎知識來分析一個典型的TOPSWITH電源的控制環(huán)路，這是一個寬范圍輸入，12V/2.5A輸出的一個反激電源，原理圖如下:llfllMSRiOiiXiL1IIAnr^n__Jt-IIff1鸚f-E7邱}"'ioRSww下面為反激電壓方式的反饋環(huán)路圖:llfllMSRiOiiXiL1IIAnr^n__Jt-IIff1鸚f-E7邱}"'ioRSww下面為反激電壓方式的反饋環(huán)路圖:Jti反激電屋控溜方式反規(guī)軒路其開環(huán)傳遞函數(shù)為K=(Kmod*Kpwr*Klc*Kfb)*Kea=K1*KeaKpwr是功率部分，Klc是輸出LC濾波部分,Kfb是反饋分壓部分，Kea是反饋補償部分和光耦部分，Kmod是調制器部分，在做補償設計以前，先計算出除Kea外各自部分的頻率特性，然后計算出K1=Kmod*Kpwr*Klc*Kfb的頻率特性，根據(jù)實際情況確定出需要的設計目標Kea，然后通過設計TL431的相應補償來完成Kea的要求。結合上面的原理圖我們來計算在115VAC輸入時各個部分的數(shù)值.已知數(shù)值：Vin=135V，Vout=12V，C6,C7ESR=50mC,負載R=4。80，n=81%由［2］可知：Np=58T,ra：Ns=6T由［2］可知：Np=58T,ra：Ns=6T，Lp=827uH，Vor=120V,Vds=5.2VVarVin+Vqv-Vds=0.48Vor是次級反射到初級的電壓，Lp為初級繞組電感，Ls為次級繞組電感，D為占空比。功率部分和輸出LC濾波部分小信號傳遞函數(shù)[3]KpwrKlc=絲二罕來KpwrKlc=絲二罕來—}(1+—)(1-—)\$』他1 涇近2]1+ +—血*QOJb'(1)11心礦而F7兀#嘰（2忙倔kHzb是電容自身的ESR.＜成時零點的頻率。(1_￡))叫厲勸= D屮L=303k;fz2=㈤莖乂2兀)=1否kHzfz2是右半平面零點的頻率,此頻率隨負載R,電感Ls,和占空比D而變化，在此設計中頻率是48k,高壓時頻率更高，AC/DC反激的帶寬通常只有幾k,遠小于此頻率的14,不會對控制帶寬設計產(chǎn)生影響.OX)-1-Dn—二4920;如殛?：□兀)=7：83HzQ值的確定，在開關電源里面要經(jīng)過試驗來確定。由于次級繞組的損耗，漏感的損耗，電容ESR的損耗及整流管內阻的損耗等，一般AC/DC電源，Q值相當?shù)?，在此電源中約0。15,由于Q=0。15〈＜0。5,LC振蕩轉變?yōu)閮蓚€雙極點：3P1=Q*30=0。15*4920=738;fo1=wP1/(2n)=117Hz3P2=30/Q=4920/0.15=32800；fo2=3P〃(2n)=5.22kHz把上述各個值帶入公式(1)得到Kpwr水Kpwr水Klc=503*1(“SPQq"—30300」Kmod部分小信號傳遞函數(shù)Kmod是PWM部分的傳遞函數(shù)，TOPSWITCH是個高度集成的功率芯片，除了傳統(tǒng)的PWM比較器外，芯片還外接啟動用的電容和電阻，其必然對環(huán)路有影響,另外內部集成了一個7K的極點。Kmod，即TOPSWITCH部分的傳遞函數(shù)為：Kinod=i-=DCytVWWWWW^ —Kinod=i-=DCytVWWWWW^ —Ic1+—'￡■￡ (!+-)(!+—-—)IcZc15kCZc15kC-r47uFDCreg是PWM部分的直流增益，由［4］查出典型值是230,3TOPSWITCH是7K.下面來確定3Z和3p.右圖是C腳的等效圖,C為外接啟動電容，在原理圖上是C3，R為外接電阻R5和電容C3內阻（2歐姆）之和,Zc為C腳動態(tài)內阻，由［4］查處為15歐姆，C4做抗干擾用，由于值很小，在幾KHz的有效帶寬內不足以對環(huán)路造成影響.C腳總阻抗為：07=1RC=2417, oz/(2tc)=385Hz;wf—1(Zc+R)C'=894, wp說兀戶142Hz把上述各個值帶入公式Q)Kinod=230 (1十十894 43960除補償部分外的小信號傳遞函數(shù)K1：在此設計中，由于上分壓電阻直接接到431基準端，所以Kfb=1〔1.+KJ^Kiuod1Kvvvi'_lKk'lxfl)-1J^OO'1 Q+—Q+-^) (1-—)(1十亠一)

?詣 .32800 894 43960如果要設計補償部分，可以先確定目標帶寬，然后再設計補償部分，使在目標帶寬時的相位裕量大于45。，在用TOPSWITCH設計的反激電源中，目標帶寬除受到一般反激電源的幾個限制外(帶寬要小于開關頻率的1/2；右半平面零點的1/4；運放增益限制，輸出電容類型的選擇等)，還受到內部7KHz極點的限制,一般不能太高，約1-2KHZ,對一般應用來說，已足夠了。本文是對一個實際電源的分析，所以略過這一步，如果需要了解這個過程，可以從結果反推出來運放的補償部分.FrequencyFrequencyTL431部分小信號傳遞函數(shù)：由于TL431用輸出供電，按第3部分所述，其傳遞函數(shù)為:E&&YTRJW時砂士s0.261函數(shù)有一個在原點的極爲：還有一絡零點1007=R6,R9大小決定了增益，由于R9由零點的位置而決定，所以整個增益的大小由調整R6來確定。CTR為光耦PC817C的實測電流傳輸比。補償部分的波特圖如下：Fcequency從圖上看補償部分只有一個極點和零點，它們和TOPSWITCH里面的7KHz極點共同組成了一個II型補償網(wǎng)絡。7KHz極點用來抵消輸出濾波電容零點,衰減噪音和開關紋波的干擾.總開環(huán)響應：整個環(huán)路的開環(huán)增益為K1和Kea的乘機，在波特圖上是兩部分的增益和相位的代數(shù)和。(1+^-)(1——-—) 1+—1+—K=Kri：Ken=28750：i：E0S03000養(yǎng) 2417 :,: 240(1+—)(1+^—) (1+—)(1+^—)738' 32800 894 43960 0.261整個環(huán)路的開環(huán)波特圖：50IOHe lOaHs 1.OKHe□DE(V(VO)/V(Vi)I5Pe(VO)/V(Vi))IOKHe IDOKHzim.0iTHHt16000Hxim.0iTHHt16000Hxe3總e