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设计反激变换器:补偿电路设计

专家
2020-07-20 08:27:41     打赏

开关电源系统是典型的闭环控制系统,设计时,补偿电路的调试占据了相当大的工作量。目前流行于市面上的反激控制器,绝大多数采用峰值电流控制控制模式。峰值电流模式反激的功率级小信号可以简化为一阶系统,所以它的补偿电路容易设计。通常,使用Dean Venable提出的Type II 补偿电路就足够了。
在设计补偿电路之前,首先需要考察补偿对象(功率级)的小信号特性。如图8 所示,从IC 内部比较器的反相端断开,则从控制到输出的传递函数(即控制对象的传递函数)为:
图片19.png
图片18.png
附录分别给出了CCM模式和DCM模式反激变换器的功率级传递函数模型。NCP1015工作在DCM 模式,从控制到输出的传函为:
图片17.png
其中:
图片16.png
Vout1 为主路输出直流电压,k 为误差放大器输出信号到电流比较器输入的衰减系数(对NCP1015 而言,k=0.25),m 为初级电流上升斜率,ma 为斜坡补偿的补偿斜率(由于NCP1015内部没有斜坡补偿,即ma=0),Idspeak 为给定条件下初级峰值电流。于是我们就可以使用Mathcad(或Matlab)绘制功率级传函的Bode 图:
图片15.png
在考察功率级传函Bode 图的基础上,我们就可以进行环路补偿了。
前文提到,对于峰值电流模式的反激变换器,使用Dean Venable Type II 补偿电路即可,典型的接线方式如下图所示:
图片14.png
通常,为降低输出纹波噪声,输出端会加一个小型的LC 滤波器,如图 10 所示,L1C1B 构成的二阶低通滤波器会影响到环路的稳定性,L1C1B 的引入,使变换器的环路分析变得复杂,不但影响功率级传函特性,还会影响补偿网络的传函特性。然而,建模分析后可知:如果L1C1B 的转折频率大于带宽fcross 5 倍以上,那么其对环路的影响可以忽略不计,实际设计中,建议L1 不超过4.7μH。于是我们简化分析时,直接将L1直接短路即可,推导该补偿网络的传递函数G(s)为:
图片13.png
其中:
图片12.png
CTR 为光耦的电流传输比,Rpullup 为光耦次级侧上拉电阻(对应NCP1015Rpullup=18kΩ),Cop 为光耦的寄生电容,与Rpullup 的大小有关。图 13(来源于Sharp PC817 的数据手册)是光耦的频率响应特性,可以看出,当RL(即Rpullup)为18kΩ时,将会带来一个约2kHz左右的极点,所以Rpullup 的大小会直接影响到变换器的带宽。
图片11.png
k Factork 因子法)是Dean Venable 20 世纪80 年代提出来的,提供了一种确定补偿网络参数的方法。
图片10.png
如图 14 所示,将Type II 补偿网络的极点wp 放到fcross k 倍处,将零点wz 放到fcross1/k 处。图 12 的补偿网络有三个参数需要计算:RLedCzCpole,下面将用k Factor 计算这些参数:
图片9.png
-------确定补偿后的环路带宽fcross:通过限制动态负载时(△Iout)的输出电压过冲量(或下冲量)△Vout,由下式决定环路带宽:
图片8.png
-------考察功率级的传函特性,确定补偿网络的中频带增益(Mid-band Gain):
图片7.png
-------确定Dean Venable 因子k:选择补偿后的相位裕量PM(一般取55°80°),由公式 32 得到fcross 处功率级的相移(可由Mathcad 计算)PS,则补偿网络需要提升的相位Boost 为:
图片6.png
k 由下式决定:
图片5.png
-------补偿网络极点(wp)放置于fcross k 倍处,可由下式计算出Cpole:
图片4.png
-------补偿网络零点(wz)放置于fcross 1/k 倍处,可由下式计算出Cz图片3.png图片2.png图片1.png






关键词: 设计     反激     变换器     补偿     电路设计    

高工
2020-07-21 21:37:38     打赏
2楼

设计的相当不错


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