发帖
回复
[资料]
电流模式变换器输出LC滤波器对反馈环影响
547
查看
8
回复
楼主
分享到：
峰值电流模式的变换器由于具有优点，特别是它的单阶的系统特性，使反馈环的设计简单，动态特征好，响应速度快，因此电源系统中使用更为广泛。在电源的系统板上，通常一个输出会给在不同位置的负载芯片供电，由于主功率回路的布线较长，在实际的应用中，通常会在负载芯片供电管脚的输入端，串入LC滤波器，也就是相当于在Buck降压型变换器的输出端接入了LC滤波器。
通常在设计过程中，尤其是反馈补偿的设计过程中，不考虑输出的LC滤波器的影响。如果输出的LC滤波器传输特性会插入到系统的反馈环中，当反馈补偿设计不合适的时候，从而影响到系统的稳定。本文将讨论输出的LC滤波器的影响，并给出相应的设计要求。
1、输出阻抗特性
对于电流模式的Buck降压变换器的输出负载，输出不带LC滤波器和带LC滤波器的电路图如图1所示。
其中：Ro为输出负载电阻，Co为输出电容。
从上式可以看，输出负载电阻Ro和输出电容Co形成一个主极点产生-20dB/10倍频的衰减的下降斜率。主极点的频率为：
其中，L为滤波器及线路的寄生电感的总和。
上式中，如果Ro·Co<<1，则有：
使用AOZ1021H配置的Buck变换器进行测试，如图2所示，输入电压15V，输出：1.8V/1A，开关频率：500KHz，电感L=4.7uH，输入电容：5uF陶瓷电容，输出电容：Co=22uF陶瓷电容，反馈补偿元件：Rc=24K， Cc1=3.3nF，Cc2=0，RFB1并联0.22nF前馈电容。输出分成两路，每路的滤波磁珠阻抗：0.01Ohm/5A。环路测量仪器：频率响应分析仪Venable3120。
当输出滤波磁珠短路时，从图4(a)的开关节点LX的波形可以的看到，系统工作在正常的开关频率500KHz，没有次谐波振荡，反馈管脚COMP的电压波形也正常，不是正弦波。从相位/增益裕量来看，系统在穿越频率即增益为0处，有足够的增益裕量，同时相移为0时，增益裕量也较大，因此是一个稳定的系统。
可以得出结论，如果LC滤波器的谐振的双极点频率接近穿越频率，双极点将进入到反馈环，系统有可能变得不稳定。同样的，对于一定的双极点频率，也可以降低穿越频率，即降低系统的带宽，保证系统稳定。
RFB1并联前馈电容可能提高带宽，因此如果输出带滤波磁珠，去掉前馈电容，可以增加系统的稳定性。仿真的结果如图5所示。
(1) 电流模式的变换器输出端的LC或磁珠滤波器会形成二阶的双极点，进入到系统的反馈环，那么系统不稳定。
(2) 提高二阶的双极点的谐振频率，降低系统增益或去除馈电容从而降低系统的带将宽，可以提高系统的稳定性。
(3) 温度越低，电压误差放大器的增益越大，带宽增加，系统的稳定性降低。
通常在设计过程中，尤其是反馈补偿的设计过程中，不考虑输出的LC滤波器的影响。如果输出的LC滤波器传输特性会插入到系统的反馈环中，当反馈补偿设计不合适的时候，从而影响到系统的稳定。本文将讨论输出的LC滤波器的影响，并给出相应的设计要求。
1、输出阻抗特性
对于电流模式的Buck降压变换器的输出负载，输出不带LC滤波器和带LC滤波器的电路图如图1所示。
(a) 输出不带LC (b) 输出带LC
图1：输出特性
如果输出没有LC滤波器，输出使用陶瓷电容，不考虑电容ESR，电流模式Buck变换器的输出阻抗特性为：
从上式可以看，输出负载电阻Ro和输出电容Co形成一个主极点产生-20dB/10倍频的衰减的下降斜率。主极点的频率为：
如果输出带有LC滤波器，输出使用陶瓷电容，不考虑电容ESR，电流模式Buck变换器的输出阻抗特性为：
上式中，如果Ro·Co<<1，则有：
从公式的分子可以看，滤波电感L和负载电阻Ro形成一个零点，零点的频率为：
在这样的条件下，滤波电感L和负载电阻Ro形成的零点可以抵消滤波电感L和电容Co形成二阶极点中的一个极点。事实上，由于下面公式的限制条件，因些无法抵消二阶的极点。
2、两种状态下的测量使用AOZ1021H配置的Buck变换器进行测试，如图2所示，输入电压15V，输出：1.8V/1A，开关频率：500KHz，电感L=4.7uH，输入电容：5uF陶瓷电容，输出电容：Co=22uF陶瓷电容，反馈补偿元件：Rc=24K， Cc1=3.3nF，Cc2=0，RFB1并联0.22nF前馈电容。输出分成两路，每路的滤波磁珠阻抗：0.01Ohm/5A。环路测量仪器：频率响应分析仪Venable3120。
图2：测量主电路
先测试输出带有滤波磁珠的状态，然后将输出的滤波磁珠短路再进行测量，相关的开关波形和相位/增益裕量如图3和图4所示。
(a) 开关波形 (b) 相位/增益裕量
图3：输出带滤波磁珠的开关波形和相位/增益裕量
(a) 开关波形 (b) 相位/增益裕量
图4：输出不带滤波磁珠的开关波形和相位/增益裕量
输出带滤波磁珠，从图3(a)的开关节点LX的波形可以的看到，系统工作在250KHz的频率，而系统正常的开关频率为500KHz，明显的为次谐波振荡，从反馈管脚COMP的波形也证明了这一点，COMP的波形为振荡特性的正弦波。从相位/增益裕量来看，系统虽然在穿越频率即增益为0处，有足够的相位裕量，但是相移为0时，增益裕量远远不够，因此不是一个稳定的系统。同时从图形可以明显的看到二阶的双极点特性，即以-40dB/10倍频的斜率衰减，相移在谐振频率处向上突起。当输出滤波磁珠短路时，从图4(a)的开关节点LX的波形可以的看到，系统工作在正常的开关频率500KHz，没有次谐波振荡，反馈管脚COMP的电压波形也正常，不是正弦波。从相位/增益裕量来看，系统在穿越频率即增益为0处，有足够的增益裕量，同时相移为0时，增益裕量也较大，因此是一个稳定的系统。
可以得出结论，如果LC滤波器的谐振的双极点频率接近穿越频率，双极点将进入到反馈环，系统有可能变得不稳定。同样的，对于一定的双极点频率，也可以降低穿越频率，即降低系统的带宽，保证系统稳定。
RFB1并联前馈电容可能提高带宽，因此如果输出带滤波磁珠，去掉前馈电容，可以增加系统的稳定性。仿真的结果如图5所示。
(a) 带前馈电容 (b) 不带前馈电容
图5：前馈电容的影响
通过低温的测试，发现温度越低的时候，系统越不容易稳定，其原因在于，对于内部的误差放大器，通常温度降低时，增益增加，因此系统的带宽增加，越不容易稳定。使用Rc=24K，Cc1=3.3nF，有前馈电容，输出有滤波磁珠的，在-10度时系统是不稳定的。如果降低系统的带宽，使用Rc=10K，Cc1=3.3nF，去掉前馈电容，结果如图6所示，系统稳定。
a) 开关波形 (b) 相位/增益裕量
图6：低带宽输出带滤波磁珠的开关波形和相位/增益裕量
3、结论(1) 电流模式的变换器输出端的LC或磁珠滤波器会形成二阶的双极点，进入到系统的反馈环，那么系统不稳定。
(2) 提高二阶的双极点的谐振频率，降低系统增益或去除馈电容从而降低系统的带将宽，可以提高系统的稳定性。
(3) 温度越低，电压误差放大器的增益越大，带宽增加，系统的稳定性降低。
(0 )
(0 )
回复
举报
-
- xiaomiking
-
1147 发帖6357 回复18609 积分
- 私信他 +关注
发表回复
版
块
导
航
块
导
航
举报
请选择举报类别
- 广告垃圾
- 违规内容
- 恶意灌水
- 重复发帖
