圖 1. 紋波注入網絡 R_r、C_r 和 C_ac

 

LM5017 是一款支持恒定導通時間 (COT) 控制的 100V 同步降壓穩壓器，特別適合 Fly-Buck。COT 不需要補償網絡，可簡化 Fly-Buck 設計，而且 Fly-Buck 的設計流程與普通降壓設計或多或少有些相似。LM5017 產品頁面上有很多設計實例。不過，有個問題還是會被經常問起：如何設計穩定的 COT Fly-Buck？答案可能很簡單，但背后的解釋可能則會很復雜。我們將通過兩篇文章加以說明：本文我們將重點討論技術分析，第二篇文章則將針對設計進行逐步指導。

 

 

顧名思義，占空導通時間是在給定輸入電壓下進行 COT 控制時的固定常數。關斷時間可通過反饋引腳電壓 (V_fb) 紋波來調制：當 V_fb 低于內部參考電壓 (V_ref) 時，就會觸發下一個周期開關。紋波注入網絡（如圖 1 所示）通常用來生成 V_fb 紋波，因為它不僅可避免對輸出紋波的依賴，而且還允許將低 ESR 陶瓷電容器用作輸出電容器。注入紋波可仿真電感器電流紋波，其幅值約為： 。由于在 Fly-Buck 轉換器中變壓器的磁化電流與降壓穩壓器中的三角波形相同，因此設計 Fly-Buck 的紋波注入網絡與降壓轉換器的相關設計相同。

 

關斷時間會隨 V_fb 紋波信號變化而變化，以對 COT 控制輸出進行穩壓，因此它不能被視為恒定頻率控制系統。在電流模式與電壓模式控制法中將系統近似為非時變的經典小信號模型在這里并不適用。這就是為什么 COT 控制的傳輸函數不能像其它控制法那樣被明確導出的原因所在。在文獻中，描述函數的方法可用來對 COT 控制進行建模。偏移問題相當復雜，已超出了本文所討論的范圍，不過通過分析得到的穩定性標準可簡化為：

 

 

這個不等式不是很直觀，但能看出幾個問題。R_r×C_r 項與注入紋波幅值成反比，說明大量紋波可帶來穩定的穩壓效果。不過，添加至反饋信號的 AC 紋波會導致不良 DC 漂移，因此應使其適當保持為較小值。對于 LM5017 而言，在反饋引腳位置需要最低 25mV 的紋波。此外，從不等式還可以看出，增大電感和輸出電容有助于滿足該標準要求。電感器通常由紋波電流和開關頻率等其它電源技術參數決定，而輸出電容可能更便于調節。應采用足夠的電容，而且不能忽略 DC 偏置對降低陶瓷電容的影響。

 

紋波注入網絡的第三個組件是 AC 耦合電容器 C_ac。它可為 FB 引腳旁路生成紋波的 AC 組分，而且它不是一個會對開關穩定性產生影響的重要組件。C_ac 和反饋電阻分壓器 R_FBT 與 R_FBB 可形成高通濾波器，其截止頻率 (F_c) 應該足夠低才能讓紋波通過。推薦的 Fc 值可設定為小于開關頻率的 1/10，即： 

 

 

較小的 C_ac 有助于獲得更快的瞬態，建議將 C_ac 設定為小于 C_r。同樣，這里的影響很小，而且 C_ac 值在設計中并不是關鍵所在。

 

簡而言之，采用 LM5017 COT 降壓穩壓器的 Fly-Buck 設計可歸結為三個不等式，用以檢查穩定性：

 

1. 穩定性標準：

 

 

2. 紋波電壓要求：

 

 

3. 紋波 AC 耦合要求：

 

 

請注意，T_on(max) 和 D_max 都發生在最低 V_in 條件下。在實際 Fly-Buck 設計中，只有第一個穩定性標準是關鍵項，應留出一些裕量。在設計 Fly-Buck 時，先從紋波注入網絡的一些初始值開始，對以上三個不等式進行檢查，然后對電路參數進行相應調節和迭代。在下一部分中，我們將針對在 Fly-Buck 設計中實施這些內容進行逐步指導。還有什么問題嗎？

 

參考資料：

 

1.EDN：產品指南：Fly-Buck 無需光耦合器即可為降壓電路提供具有良好穩壓的隔離式輸出

2.應用手冊《設計隔離式降壓 (Fly-Buck) 轉換器的 AN-2292》

3.Tian, S，《陶瓷電容器恒定導通時間 V2 控制的小信號分析與設計》碩士論文，佛吉尼亞理工大學 2012 年

4.德州儀器的寬泛 V_in DC/DC 電源解決方案

 

 

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