开关电源环路设计与计算

OnOn--BrightconfidentialBrightconfidential1开关电源环路设计与计算On-BrightElectronics(Shanghai)Co.LtdOn-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential2内容„开关电源简介„开关电源环路分析(以反激变换器为例)„开关电源的环路补偿(以反激变换器为例)„一个基于OB2263的12W电源环路设计实例„讨论On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential3„用途：AC/DC，DC/DC，DC/AC(inverter)„基本拓扑结构：¾非隔离型：Buck，Boost，Buck-Boost……¾隔离型：Forward,Flyback,HalfBridge,FullBridge,Push-Pull¾整流型：全桥型整流全波型整流同步整流(SR)开关电源简介On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential4开关电源简介„调制方式¾PWM(pulsewidthmodulation)¾PFM(pulsefrequencymodulation)¾其它衍生调制方式„控制模式¾电压模式¾电流模式„开关电源系统可分为两大块¾负反馈回路(feedbackloop)¾保护功能(OVP,OCP,OTP……)On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential5开关电源系统基本组成部分(VoltageModePWMSystem)On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential6开关电源环路分析和设计流程„确定环路基本组成模块，辨认环路。¾EA(erroramplifier)¾Compensationnetwork¾PowerStage¾PWMStage„画出环路的信号流程图,确定环路的小信号传输函数„确定环路的带宽,设计补偿网络„根据实际应用，设计和调整外围参数On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential7开关电源环路的小信号传函„EA(例如TL431)及其补偿网络的传函„PWMStage传函„PowerStage传函(可参考[1])¾CCMsmallsignalmodel¾DCMsmallsignalmodel„考虑斜率补偿后的Powerstage传函On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential8Flyback系统控制流程图On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential9TL431及其等效模型On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential10PowerStage小信号模型建立流程1.建立PowerStage中电感，电容等器件的时域微分方程组2.对方程组作状态空间平均化(statespaceaveraging)，也就是对一个开关周期内作平均3.微扰(perturbation)，即对方程组作小信号扰动4.对方程组作线形化(linearization)5.得到等效的小信号模型On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential11FlybackPWMStage小信号模型(CCM)„PowerStage传函:2'212'222121))1(1)(1(')()(DnLCsRDnLsDRnDsLCsRnDVsdsvosoomog++−−+≈ΛΛCRwoz11=„负载电容ESR零点:DLDRnwmorz22)1(−=„系统右半平面零点:On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential12右半平面零点(RHZ)的直观理解„RHZ在boost,buck-boost,flyback(占空比由输入输出电压和匝比决定)CCM中都存在,而DCM中没有RHZ。„负载突然增加→输出电压下降→EA+PWM反应→占空比增大(WrongWay)→反激时间减小→输出电流减小(通过输出diode)→输出电压下降更多(临时)。此即典型RHZ响应特性。„在DCM中，占空比增大导致输出电流增大，故不存在此RHZOn-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential13PWMStage的小信号建模„写出时域方程„微扰和线性化„直流方程组、交流小信号方程组„PWMStage小信号模型()()()pkcpkcVtVforVtVtd≤≤=0pkcVVD=()()pkcVtvtd))=()tvVcc)+()tdD)+()()()()()()⎪⎪⎪⎩⎪⎪⎪⎨⎧+=++=+=pkcccccVtvVtdDtdDtdtvVtv))))On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential14考虑斜率补偿后的PowerStage传函„电流模式工作的PWM系统的电压环路内嵌入一个局部的电流环，从而改善系统的瞬态响应„电流模式PWM系统当D50%时，存在Sub-harmonic震荡„斜率补偿能够消除此震荡„电流环小信号模型On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential151)(−=ssTseesTsH„采用电流模式控制，等效在电压环路内引入超前相位补偿，相当于引入微分函数He(s):考虑斜率补偿后的PowerStage传函(CCM)On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential16„CCM模式Flyback的斜率补偿„Fm:LnVmmLnVmLVmkorrog22221====()smTmmF211+=考虑斜率补偿后的PowerStage传函(CCM)On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential17„存在一个与负载等效电阻有关的滤波极点„存在一个电容ESR引起的零点„存在一个右半平面零点，该零点与输入电压、负载、电感量有关，很难补偿，设计时应该使环路带宽应该远离这个零点，以减小其影响()DsCRDRnDsLCsRRVnVVnRsvsvsGomosensegogoFB++−−++≈=ΛΛ11))1(1)(1()2()()(0221考虑斜率补偿后的PowerStage传函(CCM)On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential18考虑斜率补偿后的PowerStage传函(CCM)„输入电压越低，右半平面零点频率越低→低压输入时有不稳定倾向！„满载条件下的右半平面零点低于轻载状态→满载有不稳定倾向！On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential19DCM模式下PowerStage小信号传函()()sCRSCRVVsvsvooooFBFB2111110++⋅≈ΛΛ111/12oozoopCRwCRw==„由于PowerStage无右半平面零点(RHPZ)，所以相对于CCM而言，DCMFlyback系统更容易补偿！On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential20电流模式与电压模式的直观理解„电压模式是占空比直接调制，变压器电感是开环状态，在外围电压回路中引入一个DC极点(s=0)„电流模式是占空比间接调制，变压器电感是闭环状态。„反激变换器类似于buck-boost架构，以buck-boost为例分析。„无论是电压还是电流模式，CCM中RHZ始终存在，且频率相同。()()OOIOILVDVVDVDVV−+=−−=1()()()dVVDvdVVvOIOOILˆ1ˆˆˆ+≅−−+=()DIILO−=1()dIDiiLLOˆ1ˆˆ−−=sLviLL/ˆˆ=On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential21电压模式的信号流程图()siLˆoffdˆ∫()dIDiiLLOˆ1ˆˆ−−=dˆdIdsLViLIOˆˆˆ−=On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential22电流模式的信号流程图()siLˆoffdˆVi1/sL∫VoGpwm-1Don→Doff()dIDiiLLOˆ1ˆˆ−−=VariableGain,isafunctionofFBandslopecompensationFBdˆ()()OILLLOVVIsLiDii+×−−=ˆ1ˆˆRsOn-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential23负反馈环路稳定性„环路增益[loopgainT(s)T(s)包含了系统稳定性信息]„幅频-相频曲线，波特图„单位增益带宽(frequency@T=0dB)„相位裕量(Phasemargin)45°„增益裕量(Gainmargin)-12dBOn-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential241.左半平面极点:增益衰减，引起-90度相移右半平面极点:不稳定，导致系统震荡左半平面零点：增益增大，引起90度相移右半平面零点:增益增大，引起-90度相移2.负反馈系统DC固有180度相移，系统的剩下的零极点将对系统稳定性产生影响。3.系统的环路补偿必须使系统满足稳定性条件，而且要考虑所有负载和所有电压输入的情形。4.在flyback系统中，为了减小右半平面零点影响，可取单位增益带宽为1/6-1/10fs(开关频率)零极点对环路稳定性的影响及环路带宽选择标准On-BrightConfidentialtoTenpaoOnOn--BrightconfidentialBrightconfidential25环路的补偿考虑„环路需要补偿以获得足够的相位裕量(Phasemargin)和增益裕量(Gainmargin)，因为环路存在很多零极点，低频的或者高频的。„环路补偿的目的是：在带宽内等效为单极点系统.环路单位增益带宽内只有一个极点(一个导致90°相移，从而系统有180-90=90°相位裕量)，或者一个极点和一个零极点对(这样等效为环路带宽内只有一个极点)...„通常补偿网络放在EA(erroramplifier,例如TL431)的输入输出跨接，或者输出到地。在环路的其他地方，根据实际情况也可以适当引入一些零点或者极点以抵消环路带宽外的一些高频