圖 1. 紋波注入網(wǎng)絡(luò) R_r、C_r 和 C_ac

 

LM5017 是一款支持恒定導(dǎo)通時間 (COT) 控制的 100V 同步降壓穩(wěn)壓器，特別適合 Fly-Buck。COT 不需要補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，可簡化 Fly-Buck 設(shè)計，而且 Fly-Buck 的設(shè)計流程與普通降壓設(shè)計或多或少有些相似。LM5017 產(chǎn)品頁面上有很多設(shè)計實(shí)例。不過，有個問題還是會被經(jīng)常問起：如何設(shè)計穩(wěn)定的 COT Fly-Buck？答案可能很簡單，但背后的解釋可能則會很復(fù)雜。我們將通過兩篇文章加以說明：本文我們將重點(diǎn)討論技術(shù)分析，第二篇文章則將針對設(shè)計進(jìn)行逐步指導(dǎo)。

 

 

顧名思義，占空導(dǎo)通時間是在給定輸入電壓下進(jìn)行 COT 控制時的固定常數(shù)。關(guān)斷時間可通過反饋引腳電壓 (V_fb) 紋波來調(diào)制：當(dāng) V_fb 低于內(nèi)部參考電壓 (V_ref) 時，就會觸發(fā)下一個周期開關(guān)。紋波注入網(wǎng)絡(luò)（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(zhuǎn)換器中變壓器的磁化電流與降壓穩(wěn)壓器中的三角波形相同，因此設(shè)計 Fly-Buck 的紋波注入網(wǎng)絡(luò)與降壓轉(zhuǎn)換器的相關(guān)設(shè)計相同。

 

關(guān)斷時間會隨 V_fb 紋波信號變化而變化，以對 COT 控制輸出進(jìn)行穩(wěn)壓，因此它不能被視為恒定頻率控制系統(tǒng)。在電流模式與電壓模式控制法中將系統(tǒng)近似為非時變的經(jīng)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(shù)不能像其它控制法那樣被明確導(dǎo)出的原因所在。在文獻(xiàn)中，描述函數(shù)的方法可用來對 COT 控制進(jìn)行建模。偏移問題相當(dāng)復(fù)雜，已超出了本文所討論的范圍，不過通過分析得到的穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)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(wěn)定的穩(wěn)壓效果。不過，添加至反饋信號的 AC 紋波會導(dǎo)致不良 DC 漂移，因此應(yīng)使其適當(dāng)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(biāo)準(zhǔn)要求。電感器通常由紋波電流和開關(guān)頻率等其它電源技術(shù)參數(shù)決定，而輸出電容可能更便于調(diào)節(jié)。應(yīng)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(wǎng)絡(luò)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(guān)穩(wěn)定性產(chǎn)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(yīng)該足夠低才能讓紋波通過。推薦的 Fc 值可設(shè)定為小于開關(guān)頻率的 1/10，即： 

 

 

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

 

簡而言之，采用 LM5017 COT 降壓穩(wěn)壓器的 Fly-Buck 設(shè)計可歸結(jié)為三個不等式，用以檢查穩(wěn)定性：

 

1. 穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)：

 

 

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(fā)生在最低 V_in 條件下。在實(shí)際 Fly-Buck 設(shè)計中，只有第一個穩(wěn)定性標(biāo)準(zhǔn)是關(guān)鍵項，應(yīng)留出一些裕量。在設(shè)計 Fly-Buck 時，先從紋波注入網(wǎng)絡(luò)的一些初始值開始，對以上三個不等式進(jìn)行檢查，然后對電路參數(shù)進(jìn)行相應(yīng)調(diào)節(jié)和迭代。在下一部分中，我們將針對在 Fly-Buck 設(shè)計中實(shí)施這些內(nèi)容進(jìn)行逐步指導(dǎo)。還有什么問題嗎？

 

參考資料：

 

1.EDN：產(chǎn)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(wěn)壓的隔離式輸出

2.應(yīng)用手冊《設(shè)計隔離式降壓 (Fly-Buck) 轉(zhuǎn)換器的 AN-2292》

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

4.德州儀器的寬泛 V_in DC/DC 電源解決方案

 

 

推薦閱讀：