開關模式電源的建模和環(huán)路補償設計
引言
如今的電子系統(tǒng)變得越來越復雜，電源軌和電源數(shù)量都在不斷增加。為了實現(xiàn)最佳電源解決方案密度、可靠性和成本，系統(tǒng)設計師常常需要自己設計電源解決方案，而不是僅僅使用商用磚式電源。設計和優(yōu)化高性能開關模式電源正在成為越來越頻繁、越來越具挑戰(zhàn)性的任務。
電源環(huán)路補償設計常常被看作是一項艱難的任務，對經(jīng)驗不足的電源設計師尤其如此。在實際補償設計中，為了調整補償組件的值，常常需要進行無數(shù)次迭代。對于一個復雜系統(tǒng)而言，這不僅耗費大量時間，而且也不夠準確，因為這類系統(tǒng)的電源帶寬和穩(wěn)定性裕度可能受到幾種因素的影響。本應用指南針對開關模式電源及其環(huán)路補償設計，說明了小信號建模的基本概念和方法。本文以降壓型轉換器作為典型例子，但是這些概念也能適用于其他拓撲。本文還介紹了用戶易用的 LTpowerCAD™ 設計工具，以減輕設計及優(yōu)化負擔。
確定問題
一個良好設計的開關模式電源 (SMPS) 必須是沒有噪聲的，無論從電氣還是聲學角度來看。欠補償系統(tǒng)可能導致運行不穩(wěn)定。不穩(wěn)定電源的典型癥狀包括：磁性組件或陶瓷電容器產(chǎn)生可聽噪聲、開關波形中有抖動、輸出電壓震蕩、功率 FET 過熱等等。
不過，除了環(huán)路穩(wěn)定性，還有很多原因可能導致產(chǎn)生不想要的震蕩。不幸的是，對于經(jīng)驗不足的電源設計師而言，這些震蕩在示波器上看起來完全相同。即使對于經(jīng)驗豐富的工程師，有時確定引起不穩(wěn)定性的原因也是很困難。圖 1 顯示了一個不穩(wěn)定降壓型電源的典型輸出和開關節(jié)點波形。調節(jié)環(huán)路補償可能或不可能解決電源不穩(wěn)定問題，因為有時震蕩是由其他因素引起的，例如 PCB 噪聲。如果設計師對各種可能性沒有了然于胸，那么確定引起運行噪聲的潛藏原因可能耗費大量時間，令人非常沮喪。
圖 1：一個 “不穩(wěn)定” 降壓型轉換器的典型輸出電壓和開關節(jié)點波形
對于開關模式電源轉換器而言，例如圖 2 所示的 LTC3851 或LTC3833 電流模式降壓型電源，一種快速確定運行不穩(wěn)定是否由環(huán)路補償引起的方法是，在反饋誤差放大器輸出引腳 (ITH) 和 IC 地之間放置一個 0.1μF 的大型電容器。(或者，就電壓模式電源而言，這個電容器可以放置在放大器輸出引腳和反饋引腳之間。) 這個 0.1μF 的電容器通常被認為足夠大，可以將環(huán)路帶寬拓展至低頻，因此可確保電壓環(huán)路穩(wěn)定性。如果用上這個電容器以后，電源變得穩(wěn)定了，那么問題就有可能用環(huán)路補償解決。
圖 2：典型降壓型轉換器 (LTC3851、LTC3833、LTC3866 等)
過補償系統(tǒng)通常是穩(wěn)定的，但是帶寬很小，瞬態(tài)響應很慢。這樣的設計需要過大的輸出電容以滿足瞬態(tài)調節(jié)要求，這增大了電源的總體成本和尺寸。圖 3 顯示了降壓型轉換器在負載升高 / 降低瞬態(tài)時的典型輸出電壓和電感器電流波形。圖 3a 是穩(wěn)定但帶寬 (BW) 很小的過補償系統(tǒng)的波形，從波形上能看到，在瞬態(tài)時有很大的 VOUT 下沖 / 過沖。圖 3b 是大帶寬、欠補償系統(tǒng)的波形，其中 VOUT 的下沖 / 過充小得多，但是波形在穩(wěn)態(tài)時不穩(wěn)定。圖 3c 顯示了一個設計良好的電源之負載瞬態(tài)波形，該電源具備快速和穩(wěn)定的環(huán)路。
(a) 帶寬較小但穩(wěn)定
(b) 帶寬較大但不穩(wěn)定
(c) 具快速和穩(wěn)定環(huán)路的最佳設計
圖 3：典型負載瞬態(tài)響應 ━ (a) 過補償系統(tǒng);(b) 欠補償系統(tǒng);(c) 具快速和穩(wěn)定環(huán)路的最佳設計
PWM 轉換器功率級的小信號建模
開關模式電源 (SMPS)，例如圖 4 中的降壓型轉換器，通常有兩種工作模式，采取哪種工作模式取決于其主控開關的接通 / 斷開狀態(tài)。因此，該電源是一個隨時間變化的非線性系統(tǒng)。為了用常規(guī)線性控制方法分析和設計補償電路，人們在 SMPS 電路穩(wěn)態(tài)工作點附近，應用針對 SMPS 電路的線性化方法，開發(fā)了一種平均式、小信號線性模型。
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