




版權(quán)說明:本文檔由用戶提供并上傳,收益歸屬內(nèi)容提供方,若內(nèi)容存在侵權(quán),請(qǐng)進(jìn)行舉報(bào)或認(rèn)領(lǐng)
文檔簡(jiǎn)介
開關(guān)電源的建模和環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)上如今的電子系統(tǒng)變得越來越復(fù)雜,電源軌和電源數(shù)量都在不斷增加。為了實(shí)現(xiàn)最佳電源解決方案密度、可靠性和成本,系統(tǒng)設(shè)計(jì)師常常需要自己設(shè)計(jì)電源解決方案,而不是僅僅使用商用磚式電源。設(shè)計(jì)和優(yōu)化高性能開關(guān)模式電源正在成為越來越頻繁、越來越具挑戰(zhàn)性的任務(wù)。電源環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)常常被看作是一項(xiàng)艱難的任務(wù),對(duì)經(jīng)驗(yàn)不足的電源設(shè)計(jì)師尤其如此。在實(shí)際補(bǔ)償設(shè)計(jì)中,為了調(diào)整補(bǔ)償組件的值,常常需要進(jìn)行無數(shù)次迭代。對(duì)于一個(gè)復(fù)雜系統(tǒng)而言,這不僅耗費(fèi)大量時(shí)間,而且也不夠準(zhǔn)確,因?yàn)檫@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(yīng)用指南針對(duì)開關(guān)模式電源及其環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì),說明了小信號(hào)建模的基本概念和方法。本文以降壓型轉(zhuǎn)換器作為典型例子,但是這些概念也能適用于其他拓?fù)?。本文還介紹了用戶易用的LTpowerCAD設(shè)計(jì)工具,以減輕設(shè)計(jì)及優(yōu)化負(fù)擔(dān)。確定問題一個(gè)良好設(shè)計(jì)的開關(guān)模式電源(SMPS)必須是沒有噪聲的,無論從電氣還是聲學(xué)角度來看。欠補(bǔ)償系統(tǒng)可能導(dǎo)致運(yùn)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(guān)波形中有抖動(dòng)、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(dǎo)致產(chǎn)生不想要的震蕩。不幸的是,對(duì)于經(jīng)驗(yàn)不足的電源設(shè)計(jì)師而言,這些震蕩在示波器上看起來完全相同。即使對(duì)于經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師,有時(shí)確定引起不穩(wěn)定性的原因也是很困難。圖1顯示了一個(gè)不穩(wěn)定降壓型電源的典型輸出和開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形。調(diào)節(jié)環(huán)路補(bǔ)償可能或不可能解決電源不穩(wěn)定問題,因?yàn)橛袝r(shí)震蕩是由其他因素引起的,例如PCB噪聲。如果設(shè)計(jì)師對(duì)各種可能性沒有了然于胸,那么確定引起運(yùn)行噪聲的潛藏原因可能耗費(fèi)大量時(shí)間,令人非常沮喪。圖1:一個(gè)“不穩(wěn)定”降壓型轉(zhuǎn)換器的典型輸出電壓和開關(guān)節(jié)點(diǎn)波形對(duì)于開關(guān)模式電源轉(zhuǎn)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(yùn)行不穩(wěn)定是否由環(huán)路補(bǔ)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(gè)0."F的大型電容器。(或者,就電壓模式電源而言,這個(gè)電容器可以放置在放大器輸出引腳和反饋引腳之間。)這個(gè)0.3F的電容器通常被認(rèn)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(gè)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(bǔ)償解決。SEM5E仃6的】LicaasaLTG3356SEM5ESEMSE-圖2:典型降壓型轉(zhuǎn)換器(LTC3851、LTC3833、SEMSE-LTC3866等)過補(bǔ)償系統(tǒng)通常是穩(wěn)定的,但是帶寬很小,瞬態(tài)響應(yīng)很慢。這樣的設(shè)計(jì)需要過大的輸出電容以滿足瞬態(tài)調(diào)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(zhuǎn)換器在負(fù)載升高/降低瞬態(tài)時(shí)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(bǔ)償系統(tǒng)的波形,從波形上能看到,在瞬態(tài)時(shí)有很大的VOUT下沖/過沖。圖3b是大帶寬、欠補(bǔ)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(shí)不穩(wěn)定。圖3c顯示了一個(gè)設(shè)計(jì)良好的電源之負(fù)載瞬態(tài)波形,該電源具備快速和穩(wěn)定的環(huán)路。TIME⑶(a)TIME⑶(a)帶寬較小但穩(wěn)定413 4擰TII^E413 4擰TII^E蟒MV,*(b)帶寬較大但不穩(wěn)定413 427TIME聞413 427TIME聞MlAMOi(c)具快速和穩(wěn)定環(huán)路的最佳設(shè)計(jì)圖3:典型負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)一(a)過補(bǔ)償系統(tǒng);(b)欠補(bǔ)償系統(tǒng);(c)具快速和穩(wěn)定環(huán)路的最佳設(shè)計(jì)PWM轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的小信號(hào)建模開關(guān)模式電源(SMPS),例如圖4中的降壓型轉(zhuǎn)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(guān)的接通/斷開狀態(tài)。因此,該電源是一個(gè)隨時(shí)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(shè)計(jì)補(bǔ)償電路,人們?cè)赟MPS電路穩(wěn)態(tài)工作點(diǎn)附近,應(yīng)用針對(duì)SMPS電路的線性化方法,開發(fā)了一種平均式、小信號(hào)線性模型。JUV1也b)LDiJUV1也b)LDi洸ha『qltigMade(Q1Oil)a)LChargingMado(QiOn)PWMCELL圖4:降壓型DC/DC轉(zhuǎn)換器及其在一個(gè)開關(guān)周期TS內(nèi)的兩種工作模式建模步驟1:通過在TS平均,變成不隨時(shí)間變化的系所有SMPS電源拓?fù)洌òń祲盒?、升壓型或降?升壓型轉(zhuǎn)換器)都有一個(gè)典型的3端子PWM開關(guān)單元,該單元包括有源控制開關(guān)Q和無源開關(guān)(二極管)D。為了提高效率,二極管D可以用同步FET代替,代替以后,仍然是一個(gè)無源開關(guān)。有源端子“a”是有源開關(guān)端子。無源端子“p”是無源開關(guān)端子。在轉(zhuǎn)換器中,端子a和端子p始終連接到電壓源,例如降壓型轉(zhuǎn)換器中的VIN和地。公共端子“c”連接至電流源,在降壓型轉(zhuǎn)換器中就是電感器。為了將隨時(shí)間變化的SMPS變成不隨時(shí)間變化的系統(tǒng),可以通過將有源開關(guān)Q變成平均式電流源、以及將無源開關(guān)(二極管)D變成平均式電壓源這種方式,應(yīng)用3端子PWM單元平均式建模方法。平均式開關(guān)Q的電流等于d?iL,而平均式開關(guān)D的電壓等于d?vap,,如圖5所示。平均是在一個(gè)開關(guān)周期TS之內(nèi)進(jìn)行的。既然電流源和電壓源都是兩個(gè)變量的乘積,那么該系統(tǒng)仍然是非線性系統(tǒng)。
圖5:建模步驟圖5:建模步驟1:將3端子PWM開關(guān)單元變成平AVERAGINGtIRtATriASAVARIABLE)d:ounCYCLE均式電流源和電壓源建模步驟2:線性AC小信號(hào)建模下一步是展開變量的乘積以得到線性AC小信號(hào)模型。例如,變量,其中X是型。例如,變量,其中X是DC穩(wěn)態(tài)的工作點(diǎn),而是AC小信號(hào)圍繞X的變化。因此,兩個(gè)變量x?是AC的積可以重寫為:x*y=(x+Xi-(y+Y)-x*Y+X-y+X^"V*J¥3MRLL51GNALA匚DC(OPJIGNORE圖6:為線性小信號(hào)AC部分和DC工作點(diǎn)展開兩個(gè)變量的乘積
圖6顯示,線性小信號(hào)AC部分可以與DC工作點(diǎn)III盧(OP)部分分開。兩個(gè)AC小信號(hào)變量(?)的乘積可以忽略,因?yàn)檫@是更加小的變量。按照這一概念,平均式PWM開關(guān)單元可以重畫為如圖7所示的電路。AVERAGEMODEL岫1相用7AVERAGEMODEL岫1相用7ap圖7:建模步驟2:通過展開兩個(gè)變量的乘積給AC小信號(hào)建模通過將上述兩步建模方法應(yīng)用到降壓型轉(zhuǎn)換器上(如圖8所示),該降壓型轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)就可以建模為簡(jiǎn)單的電壓源,其后跟隨的是一個(gè)L/C二階濾波器網(wǎng)絡(luò)。
ASSUMINGVj^iSCONSTAAITtAVERAGE2.KEEPSMALLACSIGIUALASSUMINGVj^iSCONSTAAITtAVERAGE2.KEEPSMALLACSIGIUAL圖8:將降壓型轉(zhuǎn)換器變成平均式、AC小信號(hào)線性電以圖8所示線性電路為基礎(chǔ),既然控制信號(hào)是占空比d,輸出信號(hào)是vOUT,那么在頻率域,該降壓型轉(zhuǎn)換器就可以用占空比至輸出的轉(zhuǎn)移函數(shù)Gdv(s)來描述:
S2ESR⑴1/HF電源S2ESR⑴1/HF電源power.21i^.eoiri%E5 '1+^^函數(shù)Gdv(s)顯示,該降壓型轉(zhuǎn)換器的功率級(jí)是一個(gè)二階系統(tǒng),在頻率域有兩個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)。零點(diǎn)sZ_ESR由輸出電容器C及其ESRrC產(chǎn)生。諧振雙極點(diǎn)’……由輸出濾波器電感器L和電容器C產(chǎn)生。既然極點(diǎn)和零點(diǎn)頻率是輸出電容器及其ESR的函數(shù),那么函數(shù)Gdv(s)的波德圖隨所選擇電源輸出電容器的不同而變化,如圖9所示。輸出電容器的選擇對(duì)該降壓型轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的小信號(hào)特性影響很大。如果該電源使用小型輸出電容或ESR非常低的輸出電容器,那么ESR零點(diǎn)頻率就可能遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于諧振極點(diǎn)頻率。功率級(jí)相位延遲可能
接近-180°。結(jié)果,當(dāng)負(fù)壓反饋環(huán)路閉合時(shí),可能很難補(bǔ)償該環(huán)路。Anqur■”? ' —,?’?Anqur■”? ' —,?’?100 M03 1?1爐 1?1。5同即亨二翠工FREQUENCY(HzJ REFDES監(jiān)N:Cqvj3X470"TANTALUMCARESRrc=30mii INSYSTEM:Gout2X220pFPOlYMERMPESft哈圖9:COUT電容器變化導(dǎo)致功率級(jí)Gdv(s)相位顯著變化升壓型轉(zhuǎn)換器的小信號(hào)模型利用同樣的3端子PWM開關(guān)單元平均式小信號(hào)建模方法,也可以為升壓型轉(zhuǎn)換器建模。圖10顯示了怎樣為升壓型轉(zhuǎn)換器建模,并將其轉(zhuǎn)換為線性AC小信號(hào)模型電路。圖10:升壓型轉(zhuǎn)換器的AC小信號(hào)建模電路升壓型轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的轉(zhuǎn)移函數(shù)Gdv(s)可從等式5中得出。它也是一個(gè)二階系統(tǒng),具有L/C諧振。與降壓型轉(zhuǎn)換器不同,升壓型轉(zhuǎn)換器除了COUTESR零點(diǎn),還有一個(gè)右半平面零點(diǎn)(RHPZ)。該RHPZ導(dǎo)致增益升高,但是相位減小(變負(fù))。等式6也顯示,這個(gè)RHPZ隨占空比和負(fù)載電阻不同而變化。既然占空比是VIN的函數(shù),那么升壓型轉(zhuǎn)換器功率級(jí)的轉(zhuǎn)移函數(shù)Gdv(s)就隨VIN和負(fù)載電流而變。在低VIN和大負(fù)載IOUT_MAX時(shí),RHPZ位于最低頻率處,并導(dǎo)致顯著的相位滯后。這就使得難以設(shè)計(jì)帶寬很大的升壓型轉(zhuǎn)換器。作為一個(gè)一般的設(shè)計(jì)原則,為了確保環(huán)路穩(wěn)定性,人們?cè)O(shè)計(jì)升壓型轉(zhuǎn)換器時(shí),
溫馨提示
- 1. 本站所有資源如無特殊說明,都需要本地電腦安裝OFFICE2007和PDF閱讀器。圖紙軟件為CAD,CAXA,PROE,UG,SolidWorks等.壓縮文件請(qǐng)下載最新的WinRAR軟件解壓。
- 2. 本站的文檔不包含任何第三方提供的附件圖紙等,如果需要附件,請(qǐng)聯(lián)系上傳者。文件的所有權(quán)益歸上傳用戶所有。
- 3. 本站RAR壓縮包中若帶圖紙,網(wǎng)頁內(nèi)容里面會(huì)有圖紙預(yù)覽,若沒有圖紙預(yù)覽就沒有圖紙。
- 4. 未經(jīng)權(quán)益所有人同意不得將文件中的內(nèi)容挪作商業(yè)或盈利用途。
- 5. 人人文庫網(wǎng)僅提供信息存儲(chǔ)空間,僅對(duì)用戶上傳內(nèi)容的表現(xiàn)方式做保護(hù)處理,對(duì)用戶上傳分享的文檔內(nèi)容本身不做任何修改或編輯,并不能對(duì)任何下載內(nèi)容負(fù)責(zé)。
- 6. 下載文件中如有侵權(quán)或不適當(dāng)內(nèi)容,請(qǐng)與我們聯(lián)系,我們立即糾正。
- 7. 本站不保證下載資源的準(zhǔn)確性、安全性和完整性, 同時(shí)也不承擔(dān)用戶因使用這些下載資源對(duì)自己和他人造成任何形式的傷害或損失。
最新文檔
- 煤礦企業(yè)智能化營(yíng)銷策略
- 中國(guó)區(qū)域教育機(jī)器人工廠建設(shè)的可行性研究報(bào)告
- 解析行業(yè)動(dòng)態(tài):鄰里幫工需求平臺(tái)深度市場(chǎng)分析報(bào)告
- 2025至2030果蔬清洗劑行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)分析與未來投資戰(zhàn)略咨詢研究報(bào)告
- 2025至2030中國(guó)人才獲取套件軟件行業(yè)項(xiàng)目調(diào)研及市場(chǎng)前景預(yù)測(cè)評(píng)估報(bào)告
- 2025至2030中國(guó)自流平混凝土行業(yè)發(fā)展趨勢(shì)分析與未來投資戰(zhàn)略咨詢研究報(bào)告
- 2025至2030中國(guó)自動(dòng)除濕機(jī)行業(yè)市場(chǎng)占有率及投資前景評(píng)估規(guī)劃報(bào)告
- 2025至2030中國(guó)自動(dòng)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)軟件行業(yè)產(chǎn)業(yè)運(yùn)行態(tài)勢(shì)及投資規(guī)劃深度研究報(bào)告
- 2025至2030中國(guó)自動(dòng)售貨機(jī)行業(yè)市場(chǎng)發(fā)展現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢(shì)與投資前景預(yù)測(cè)報(bào)告
- 2025至2030中國(guó)脈沖波治療超聲設(shè)備行業(yè)產(chǎn)業(yè)運(yùn)行態(tài)勢(shì)及投資規(guī)劃深度研究報(bào)告
- 2019-2020鞍山八年第二學(xué)期語文期末考試帶答案
- 心臟粘液瘤超聲診斷
- 國(guó)家開放大學(xué)電大2022年春季期末考試《商務(wù)英語閱讀》試題試卷代號(hào)4050
- 2023年音樂考試真題
- NB/T 10751-2021礦用往復(fù)式氣動(dòng)注漿泵
- 裝卸搬運(yùn)課件
- GB/T 18391.2-2009信息技術(shù)元數(shù)據(jù)注冊(cè)系統(tǒng)(MDR)第2部分:分類
- GB/T 16924-2008鋼件的淬火與回火
- 基礎(chǔ)護(hù)理學(xué):肌內(nèi)注射
- 藥品電子監(jiān)管碼管理sop
- 2018年上海高考?xì)v史試題及答案
評(píng)論
0/150
提交評(píng)論