利用改進型CCM小信號模型預(yù)測UCC289X有源鉗位正向轉(zhuǎn)換器的環(huán)路穩(wěn)定性
摘要
本文中，我們利用連續(xù)電感器電流條件下有源鉗位正向轉(zhuǎn)換器的峰值電流模式(PCM)改進型小信號模型，預(yù)測UCC289X應(yīng)用的實際環(huán)路穩(wěn)定性。為了驗證計算結(jié)果的有效性，我們通過實際測量基于UCC2897 EVM樣機，并建立UCC2897A仿真模型來進一步證明。其結(jié)果表明，基于改進型小信號模型的計算結(jié)果也可以精確地預(yù)測實際環(huán)路穩(wěn)定性。
1、 引言
隨著電源可靠性評估的不斷發(fā)展，使用特定環(huán)路分析儀器進行環(huán)路穩(wěn)定性測試成為目前唯一必不可少的要求。但是，在實際開發(fā)過程中，工程師們常常在環(huán)路穩(wěn)定性功能調(diào)試上面花費太多的時間。例如，使用有源鉗位轉(zhuǎn)換器時，我們總是會碰到環(huán)路穩(wěn)定性問題，因為很難在大信號負載動態(tài)和小信號環(huán)路穩(wěn)定性之間實現(xiàn)一種較好的平衡，特別是在峰值電流控制模式下更是如此。在大信號負載動態(tài)優(yōu)化方面，MOS電壓應(yīng)力有巨大的影響力。為了獲得較好的優(yōu)化，工程師們通常會花費大量的時間重復調(diào)試環(huán)路穩(wěn)定性。
由于其小信號模型并不準確，因此對于這種計算方法是否適用于實際測量存在爭議，但是如果可以得到準確的小信號模型，則這個問題便可以迎刃而解。
本文的目標是建立一個計算平臺，根據(jù)UCC289X應(yīng)用所使用有源鉗位正向轉(zhuǎn)換器的改進型CCM小信號模型來驗證環(huán)路穩(wěn)定性。圖1顯示了實際EVM驗證舉例，另外，本文還將為你提供許多比較數(shù)據(jù)。最后，經(jīng)過證明，使用UCC289X應(yīng)用時，環(huán)路穩(wěn)定性計算對于開發(fā)期間的實際設(shè)計和調(diào)試都非常有用。
圖1 基于EVM的原理圖
2、 功率級傳輸函數(shù)計算
請參見圖1所示原理圖的BOM。下表列出了功率級參數(shù)。
|
功率級參數(shù)的定義 |
參數(shù) |
數(shù)值 |
|
輸入與輸出規(guī)范 |
|
|
|
輸入電壓 |
Vin |
48 |
|
輸出電壓 |
Vo |
3.3 |
|
輸出電流 |
I負載 |
30 |
|
變壓器匝比（Ns/Np） |
N |
0.1667 |
|
電源轉(zhuǎn)換效率 |
ή |
0.9 |
|
最大占空比設(shè)置 |
Dmax |
0.65 |
|
運行時間 |
T |
4u |
|
輸出級參數(shù) |
|
|
|
輸出電感 |
L |
2u |
|
輸出電感的等效電阻 |
RL |
5m |
|
輸出電容（兩個并聯(lián)330u） |
C |
660u |
|
輸出電容 ESR |
Rc |
5m |
|
一次諧振參數(shù) |
|
|
|
磁化電感 |
Lm |
100u |
|
諧振電容 |
Cc |
40n |
|
Fsw 下的等效有源電阻 |
Rw |
1 |
|
一次側(cè)電流檢測電路參數(shù) |
|
|
|
檢測電阻 |
Rs |
4.64 |
|
電流電感器 |
Nt |
100 |
|
UCC289X 斜率參數(shù) |
|
|
|
電阻1 的斜率補償 |
Rslope |
158K |
|
電阻2 的斜率補償 |
Rf |
1.82K |
求解工作占空比為：
輸出負載計算得到：
等效主檢測電阻為：
求解mc為：
由前面的一些參數(shù)，可使用MathCAD或者模擬軟件繪制出該傳輸函數(shù)的波特圖和相位特性圖
其中：
對于UCC289X應(yīng)用來說，系數(shù)KC由內(nèi)部分電阻器決定;它被設(shè)置為0.2，則控制到輸出傳輸函數(shù)的最終功率級傳輸函數(shù)為：
圖2顯示了計算結(jié)果：
圖2 控制到輸出傳輸函數(shù)的波特計算
3、 反饋環(huán)路的傳輸函數(shù)
在UCC2897X應(yīng)用中，電壓補償電路大多與圖3所示電路一起使用。
圖3 電壓補償電路
OPTO建模，對獲得反饋環(huán)路傳輸函數(shù)最為重要。正常情況下，準確建模取決于兩個參數(shù)。第一個參數(shù)為OPTO的CTR，它取決于其穩(wěn)定值，并可輕松求解得到。很多時候，第二個參數(shù)有些難以得到，因為其具有高頻特性。
圖4 開關(guān)時間對比SFH690BT相關(guān)負載電阻
但是，影響這種高頻特性的最重要參數(shù)為RL和Cin。Cin是指內(nèi)部電容;我們假設(shè)在電流控制電流源輸出端之間添加它，以進行瞬態(tài)分析。根據(jù)下列公式計算Cin：
在這種Ic為1mA的應(yīng)用中，我們可以假設(shè)Tr約為40u，則Cin為：
由上面結(jié)果，我們可以選擇Cin為10n。
則反饋傳輸函數(shù)為：
因此，閉合總傳輸函數(shù)為：
利用下列函數(shù)使環(huán)路閉合：
使用MathCAD繪制結(jié)果為：
圖5 閉合環(huán)路的總電壓環(huán)路穩(wěn)定性計算結(jié)果
4、 使用仿真驗證環(huán)路穩(wěn)定性
為了論證上面?zhèn)鬏敽瘮?shù)的有效性，我們基于EVM應(yīng)用方案創(chuàng)建典型電路基礎(chǔ)上建立了一個UCC2897A仿真模型。電路參數(shù)與EVM BOM的基本一致。
圖6 環(huán)路穩(wěn)定性驗證仿真電路
圖7到圖9顯示了計算與仿真之間的對比情況。
圖7 38Vdc輸入和3.3V/30A輸出工作狀態(tài)下計算與測量總電壓環(huán)路曲線圖比較
圖8 48Vdc輸入和3.3V/30A輸出工作狀態(tài)下計算與測量總電壓環(huán)路曲線圖比較
圖9 72Vdc輸入和3.3V/30A輸出工作狀態(tài)下計算與測量總電壓環(huán)路曲線圖比較
下列表顯示了比較情況：
它表明，計算結(jié)果可很好地匹配模擬結(jié)果。
5、 利用實際測量驗證環(huán)路穩(wěn)定性
為了進一步驗證計算得環(huán)路曲線圖，我們把48-Vdc輸入和75Vdc輸入時基于UCC2891EVM的計算結(jié)果與實際測量結(jié)果進行比較：
圖10 48Vdc輸入和3.3V/10A輸出工作狀態(tài)下計算與測量的總電壓環(huán)路曲線圖比較
圖11 75Vdc輸入和3.3V/10A輸出工作狀態(tài)下計算與測量的總電壓環(huán)路曲線圖比較
下列表列舉了比較情況：
它表明，計算結(jié)果可以很好地匹配測量結(jié)果。
請注意：測量結(jié)果的計算增益余量有些過大，這是因為，當頻率較高時，諧振寄生參數(shù)預(yù)測高度的復雜。
6、 結(jié)論
通過使用涉及UCC289X有源鉗位正向轉(zhuǎn)換器的改進型小信號模型來預(yù)測實際環(huán)路穩(wěn)定性，這對實際環(huán)路調(diào)試工作非常有用。工程師在對環(huán)路穩(wěn)定性進行調(diào)試時，使用這種方法可以實現(xiàn)更高效。
7、 參考文獻
1、《UCC289/1/2/3/4電流模式有源鉗位PWM控制器》，產(chǎn)品說明書(SLUS542)
2、《UCC2897A電流模式有源鉗位PWM控制器》，產(chǎn)品說明書(SLUS829D)
3、《UCC3580/-1/-2/-3/-4單端有源鉗位重置PWM》，產(chǎn)品說明書(SLUS292A)
4、《有源鉗位重置48V 到1.3-V、30A正向轉(zhuǎn)換器UCC2891EVM》，作者Steve Mappus，見于《UCC2891EVM使用用戶指南》(SLUU178)
5、《利用UCC2897A理解并設(shè)計有源鉗位電流模式控制轉(zhuǎn)換器》(SLUA535)
6、《UCC284X/UCC289X/LM5026適用PCM控制改進型CCM小信號模型》
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