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[導(dǎo)讀]Buck變換器由于具有效率高的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、GPS、MP3等移動(dòng)多媒體設(shè)備上,目前很多電源管理芯片制造廠商都推出了不同電流能力的Buck變換器,這類變換器雖然在電流能力和保護(hù)功能方面存在一些差異,但是他們

Buck變換器由于具有效率高的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、GPS、MP3等移動(dòng)多媒體設(shè)備上,目前很多電源管理芯片制造廠商都推出了不同電流能力的Buck變換器,這類變換器雖然在電流能力和保護(hù)功能方面存在一些差異,但是他們電路的主框架結(jié)構(gòu)是基本一致的,主要可以分為兩個(gè)部分:一是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的主功率部分,另一部分是實(shí)現(xiàn)負(fù)反饋控制的控制電路,如圖1所示。


圖1 Buck變換器電路主框圖。


對(duì)于不同廠商設(shè)計(jì)的Buck變換器芯片,外圍電路所需要的器件會(huì)有所不同,這是因?yàn)樾酒募啥扔胁町?,比如,有的廠商會(huì)把功率管集成在芯片內(nèi)部;有的廠商會(huì)把控制部分的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)集成在芯片內(nèi)部。集成度越高的芯片,外圍電路所需要的器件就越少,因此對(duì)于客戶來(lái)說(shuō),外圍器件的選擇需要根據(jù)具體芯片來(lái)決定。然而,對(duì)于任何一個(gè)輸出可以調(diào)節(jié)的Buck變換器芯片,選擇合適的反饋電阻是必不可少的。圖2是BCD半導(dǎo)體公司的Buck變換器AP3406的典型應(yīng)用圖,由于該芯片集成度很高,外圍只需要輸入電容、輸出電感、輸出電容和反饋電阻,本文就以此為例對(duì)反饋電阻的作用做簡(jiǎn)要分析,為如何選擇反饋電阻提供參考。


圖2 Buck變換器芯片典型應(yīng)用圖。


設(shè)置輸出電壓


反饋電阻Rf1和Rf2的第一個(gè)作用是設(shè)置Buck電路的輸出電壓值,如圖2所示,穩(wěn)態(tài)時(shí),運(yùn)算放大器的反相輸入端和同相輸入端電壓是相等的,于是可以得到輸出電壓計(jì)算公式:


其中VREF是芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓(本例中為0.6V)。

影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)


為了實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)的抗干擾能力,Buck變換器除了主功率部分以外,還會(huì)有相應(yīng)的負(fù)反饋控制電路,補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是反饋控制電路的一部分。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的加入可以提高環(huán)路的低頻增益,從而提高抗干擾能力;同時(shí)補(bǔ)償網(wǎng)路使系統(tǒng)擁有足夠的相位裕度,從而保證系統(tǒng)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài),不會(huì)振蕩。圖2中黃色框內(nèi)的部分就是補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)部分,補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中包括 R1,C1,C2和Rf1(注:Rf2在環(huán)路分析中不起作用),補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)可以表示為:

                
從上式可以看出補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了兩個(gè)極點(diǎn),其中一個(gè)極點(diǎn)在0點(diǎn),另一個(gè)極點(diǎn)為,


同時(shí)還產(chǎn)生了一個(gè)零點(diǎn),   

在mathcad中做出Gc(s)的幅頻特性和相頻特性,如圖3和圖4所示,Rf1在補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的作用是改變中頻段增益,對(duì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的零極點(diǎn)不會(huì)有影響,在圖3和圖4中的表現(xiàn)就是隨著Rf1的改變,補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Gc(s)的幅頻特性上下平移,相頻特性不變。

圖3 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)幅頻特性。


圖4 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)相頻特性。


因此,當(dāng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)入系統(tǒng)環(huán)路之后,Rf1的作用是使環(huán)路增益的幅頻特性上下平移,同時(shí)環(huán)路增益的相頻特性保持不變。

圖5 Buck變換器環(huán)路增益測(cè)試結(jié)果1


圖6 Buck變換器環(huán)路增益測(cè)試結(jié)果2

圖5和圖6是用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行AP3406環(huán)路增益測(cè)試的結(jié)果。由圖可以看出,當(dāng)Rf1從300k變化到470k,再變化到750k,系統(tǒng)的環(huán)路增益的幅頻特性不斷向下移動(dòng),同時(shí)相頻特性基本不變。于是系統(tǒng)的帶寬和相位裕度都有較大改變,測(cè)試結(jié)果如表1所示。

表1 AP3406環(huán)路增益測(cè)試結(jié)果

系統(tǒng)的帶寬是影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)的重要因素,相位裕度是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。如果選擇不同的Rf1,系統(tǒng)的帶寬和相位裕度會(huì)產(chǎn)生變化,也就是動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性會(huì)發(fā)生變化。具體以表1來(lái)分析,當(dāng)Rf1從300k變到750k,系統(tǒng)地帶寬從51.1kHz變到26.1kHz,因此系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)相應(yīng)的變差,而由于相位裕度都是足夠的,因此系統(tǒng)都處于穩(wěn)定工作的狀態(tài)。圖7和圖8是做負(fù)載切換的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果,從測(cè)試結(jié)果可以看出環(huán)路響應(yīng)速度變慢,導(dǎo)致輸出電壓過(guò)沖變大,動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果變差。


圖7 動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果(Rf1=300k)


圖8 動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果(Rf1=750k)


從以上分析可以看出,選擇合適的反饋電阻Rf1和Rf2對(duì)AP3406及同類補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的Buck變換器有很重要的作用。選擇反饋電阻時(shí),不能只考慮穩(wěn)態(tài)時(shí),輸出電壓是否符合要求,還應(yīng)該考慮,反饋電阻對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。

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