Buck變換器環(huán)路設(shè)計(jì)方案

1、作者:Pan Hon glia ng僅供個(gè)人學(xué)習(xí)Buck變換器的環(huán)路設(shè)計(jì)1.功率級(jí)傳遞函數(shù)buck變換器功率級(jí)電路示意圖IoViIlIcVo其傳遞函數(shù)為 分子為一階微分環(huán)節(jié)，有一個(gè)零點(diǎn)，其轉(zhuǎn)折頻率為 分母為二階積分環(huán)節(jié)，其阻尼系數(shù)，其中當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)為過阻尼狀態(tài)，有兩個(gè)不同的極點(diǎn)。當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)為臨界阻尼狀態(tài)，有兩個(gè)相同的極點(diǎn)。當(dāng)時(shí)，系統(tǒng)為欠阻尼狀態(tài)，有兩個(gè)共軛的復(fù)數(shù)極點(diǎn)。在DCDC變換器中，為了獲得較高的效率，會(huì)盡可能的減小R的值，所以通常系統(tǒng)都是處在欠阻尼狀態(tài)。典型的buck變換器功率級(jí)幅頻和相頻特性曲線。參數(shù)：Cout=100uF , L1=2.2uH , ESR=1m Q 尺仁 10m Q在功

2、率級(jí)的傳函中，有一個(gè)由 ESR和Cout構(gòu)成的零點(diǎn)。當(dāng) ESR比較小時(shí)，幅頻曲線在轉(zhuǎn) 折頻率后會(huì)以-4Odb/dec衰減，相頻曲線也會(huì)由 Odeg急劇的下降為一180deg。在控制回路的 環(huán)路補(bǔ)償中就必須增加額外的相位超前補(bǔ)償，否則不能滿足要求的相位裕度。當(dāng)ESR較大時(shí)，由ESR和Cout組成的零點(diǎn)會(huì)抵消到一個(gè)極點(diǎn)，控制回路中不需要額外的 相位超前補(bǔ)償，就能滿足要求的相位裕度。下圖為ESR=100m Q （其余參數(shù)相同）的幅頻和相頻特性曲線?？梢钥闯觯湎辔蛔畹徒档?-100deg，尚有80deg的相位裕度。2.PWM控制級(jí)傳遞函數(shù)在電壓反饋系統(tǒng)中，PWM控制器采用固定的三角波與反饋回來的電壓

3、比較，控制占空比。 三角波的周期為T,上升段的時(shí)間為 T1，幅值V，則，3.環(huán)路補(bǔ)償為獲得比較高的穩(wěn)態(tài)精度，系統(tǒng)總是要設(shè)計(jì)成為I型系統(tǒng)，因?yàn)镮型系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)誤差為零。這樣就可以獲得比較高的負(fù)載調(diào)整率和電壓調(diào)整率。這樣就要在環(huán)路中引入一個(gè)積分環(huán)節(jié)， 使系統(tǒng)的直流增益變?yōu)闊o窮大。然而，由于積分環(huán)節(jié)的相位為一90deg,所以，同時(shí)由減小了相位裕度，使帶寬比較窄，或者系統(tǒng)變得不穩(wěn)定。所以一般的會(huì)采用PI調(diào)節(jié)器，使系統(tǒng)保持高的穩(wěn)態(tài)精度的同時(shí)，還能有一個(gè)比較好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)。典型的PI調(diào)節(jié)器的電路如下圖所示。其傳遞函數(shù)如下，典型的PI調(diào)節(jié)器幅頻、相頻特性曲線。參數(shù)值為R1= 1K, R2= 5.1K , C1=

4、 O.OluF其轉(zhuǎn)折頻率為由功率極的傳函可以看出， 當(dāng)ESR比較小時(shí)，相位會(huì)滯后180deg。而單純的PI調(diào)節(jié)器沒有 相位補(bǔ)償?shù)墓δ?。而且還會(huì)造成一定程度的相位滯后。 所以需要增加相位超前補(bǔ)償電路。 典 型的相位超前補(bǔ)償電路如下圖所示。虛線中的C1與R1 + R2會(huì)產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)，C1與R2會(huì)產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)。兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率分別是，這部分的傳函為整個(gè)環(huán)路補(bǔ)償電路的傳函為典型的幅頻相頻曲線如下圖。其中的參數(shù) R1=12.4k , R2=1k, C1=2.2nF, R3=8k, C2=0.01uF。buck變換器的環(huán)路設(shè)計(jì)步驟。1根據(jù)效率、紋波以及成本、加工工藝的要求，初步選定輸出濾波電感和電容。同時(shí)電容

5、的ESR和電感的DCR都已知，根據(jù) MOSFET的Rds (on)還有PCB的大小、形狀、銅箔 厚度等可以估算出 PCB的導(dǎo)通電阻。從而可以確定buck變換器功率級(jí)的基本參數(shù)。2根據(jù)輸出濾波電感 L和電容C,計(jì)算其復(fù)合極點(diǎn)頻率。計(jì)算由ESR引起的零點(diǎn)的頻率3. 初步確定帶寬，根據(jù)這兩個(gè)頻率點(diǎn)可以計(jì)算出整個(gè)環(huán)路的高頻增益K。當(dāng) < 時(shí)，當(dāng)時(shí)，4. 一般的分壓電阻 R1是通過要求的輸出電壓、 電壓基準(zhǔn)以及模塊的輸出電壓TRIM特性獲得的。通過 R1、Kpwm和輸入電壓 Vin，可以計(jì)算出 R3。5計(jì)算C2, C2與R3構(gòu)成一個(gè)零點(diǎn)，目的是增大低頻段的增益，而又不對(duì)高頻段的相位產(chǎn) 生影響。這個(gè)

6、零點(diǎn)的轉(zhuǎn)折頻率為要使其不對(duì)整個(gè)環(huán)路的相位裕度產(chǎn)生影響，<，但取得過小，會(huì)降低整個(gè)環(huán)路的低頻增益。所以一般的取=。通過上式，可以算出C2的值。6.至此，整個(gè)環(huán)路上的參數(shù)已經(jīng)基本上確定了?？筛鶕?jù)所得的參數(shù)繪制系統(tǒng)的幅頻曲線和相頻曲線，得到系統(tǒng)相位裕度和幅值裕度已經(jīng)穿越頻率。當(dāng) < 時(shí)，環(huán)路的幅值裕度和相位裕度基本上就能滿足要求。不需要再增加另外的補(bǔ)償。有時(shí)為了減小高頻干擾，提高系統(tǒng)的穩(wěn)定性（主要是提高其幅值裕度），會(huì)在C3的位置上加一個(gè)電容，使其轉(zhuǎn)折頻率滿足 <<<。取值的原則為盡量減小對(duì)相位裕度的影響，同時(shí)又盡可能 的提高環(huán)路的幅值裕度。通常為這兩個(gè)指標(biāo)的折衷。當(dāng)系

7、統(tǒng)的相位裕度較大，幅值裕度較小 時(shí)，宜取的小些，反之，宜取的大些。當(dāng)大于于時(shí)，相位裕度是滿足不了系統(tǒng)要求的相位裕度的。需要增加超前相位相位補(bǔ)償。抬高系統(tǒng)的相位裕度。假設(shè)兩個(gè)轉(zhuǎn)折頻率分別為和，超前補(bǔ)償抬高的幅值為，補(bǔ)償?shù)南辔粸椋?lt;20）,相位最高點(diǎn)的頻率為，根據(jù)抬高的幅值和需要補(bǔ)償?shù)南辔?，可以在系統(tǒng)環(huán)路的幅頻和相頻曲線上找到相位最高點(diǎn)，然后再通過式，計(jì)算出和。相位超前補(bǔ)償參數(shù)很難精確的計(jì)算出來。可以通過上面的分析，大概計(jì)算出和，在通過軟件進(jìn)行微調(diào)。經(jīng)過相位超前補(bǔ)償?shù)沫h(huán)路帶寬會(huì)增加，可以通過減小 R3的值，同時(shí)保持R3X C2的值不變，來降低系統(tǒng)的帶寬。并可以保持相頻曲線不變。更簡單的方法是

8、使=（復(fù)合極點(diǎn)）,（ESR與輸出電容C引起的零點(diǎn)），這樣一定可以使系統(tǒng)相 位裕度和幅值裕度滿足要求， 但同時(shí)也使系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)有所降低。 在對(duì)動(dòng)態(tài)響應(yīng)要求不苛 刻的情況下，可以使用這種方法，簡化環(huán)路的設(shè)計(jì)。版權(quán)申明本文部分內(nèi)容，包括文字、圖片、以及設(shè)計(jì)等在網(wǎng)上搜集整理。版權(quán)為潘宏亮個(gè)人所有This article in eludes someparts, in cludi ng text, pictures, and desig n. Copyright is Pan Hon glia ng's pers onal own ership.用戶可將本文的內(nèi)容或服務(wù)用于個(gè)人學(xué)習(xí)、研究或欣賞

9、，以及其他非商業(yè)性或非盈利性用途，但同時(shí)應(yīng)遵守著作權(quán)法及其他相關(guān)法律 的規(guī)定，不得侵犯本網(wǎng)站及相關(guān)權(quán)利人的合法權(quán)利。除此以外，將本 文任何內(nèi)容或服務(wù)用于其他用途時(shí)，須征得本人及相關(guān)權(quán)利人的書面 許可，并支付報(bào)酬。Users may use the contents or services of this articlefor pers onal study, research or appreciati on, and other non-commercial or non-profit purposes, but at the same time, they shall abide by t

10、he provisi ons of copyright law and other releva nt laws, and shall n ot infringe upon the legitimate rights of this website and its releva nt obligees. In additi on, when any content or service of this article is used for other purposes, writte n permissi on and remun erati on shall be obta ined from the pers on concerned and the releva nt obligee.轉(zhuǎn)載或引用本文內(nèi)容必須是以新聞性或資料性公共免費(fèi)信息為 使用目的的合理、善意引用，不得對(duì)本文內(nèi)容原意進(jìn)行曲解、修改， 并自負(fù)版權(quán)等法律責(zé)任。Reproducti on or quotatio n of the content of this articlemust be reas on able and good-faithcitati onfor the use of n ewsor in form