[参考译文] OPA548：电流升压器设计和稳定性

您好、Anna、

 OPA548的数据表未指定该运算放大器的输出电阻...

OPA548的输出阻抗非常小，即 Zo_ol/(1+T)，其中 T 是环路增益或 β Aol。 在此配置中、闭环 Zo 约为 -16.5dB 或0.15Ω@15kHz。  

e2e.ti.com/.../OPA548-Closed-Loop-Output-Impedance.TSC

-10V <=Vout<=16V @ 15Hz - 15kHz (或尽可能接近这个完整频率范围)。  您可以为此电路建议补偿值、还是为我们的设计提供更合适的运算放大器 PN？  

实际负载是多少？ 是1Ω μ s 吗？ 根据配置、由于1/(2 * pi*sqrt (LC))、输出在大约5.25kHz 时的 Q 值为20dB、输出的频率在-40dB/十倍频程的5.25kHz 双极点之后开始衰减。 因此它将衰减约 15kHz 时为-17dB 或0.141*Vin。 (仿真扩展数量为5 10uf、1MΩ μ F ESR 电容器)。  

e2e.ti.com/.../OPA548-LCR-load-11222021.TSC

如果您想阐明您的实际负载和设计要求、我可以组合一个补偿方案并检查电路中的环路稳定性。 是的、它应该起作用。  

BTW、您不必将 OPA548用于应用。 您可以在驱动应用中使用任何具有低输入失调电压的36V 精密运算放大器。 如果应用必须驱动大容性负载或复杂负载、我将镜像 V-I 分支左侧的电流、并驱动第二个分支或级上的容性负载、这与下面的链接类似。 运算放大器不喜欢驱动大容性负载、这将在闭环中产生额外的极点、并导致运算放大器不稳定。  

https://www.ti.com/lit/ug/slau502/slau502.pdf?ts=1637598438660&ref_url=https%253A%252F%252Fwww.google.com%252F

最棒的

Raymond

您好、Raymond、  

非常感谢您的详细回答。 系统中的电流负载最大介于20A 至30A 之间、因此我们需要此设计来处理高达30A 的电流。 我只使用1欧姆负载对其进行仿真、以了解其在较低电流负载下的反应、结果显然比我在500欧姆负载电阻下进行的仿真结果更差、以实现输出稳定性。 如果你能把一个补偿方案组合在一起，对我们来说真的是一个很大的帮助。   一般而言，如果补偿可以用于我们的整个频率范围(15Hz-15kHz)，这将是令人惊叹的，尽管我不确定这是不可能的。

同时、我将尝试模拟您建议的另一种选择、它是否完全取代了对补偿网络的需求？  

顺便说一下、我们将使用的 BJT 也可以被替换。 您是否有我们可以获得的高功率、高电压选项？ 由于我们的高功率应用、我认为晶体管也适合高温更好。  

此致、

安娜

您好、Anna、

封装中是一个高达30A V 至 I 转换器的示例。 该电路经过补偿、可在高达15kHz 或更高频率下保持稳定。 电路的带宽约为115kHz、相位裕度为60.5度。  

e2e.ti.com/.../currentbooster-E2E-Transient--11223021.TSC

我们将使用的 BJT 也可以被替换。 您是否有我们可以获得的高功率、高电压选项？ 由于我们的高功率应用、我认为晶体管也适合高温更好。  

是的、上述电路中的所有组件都可能会发生变化。 例如、我们可以将 OPA548替换为 OPA192或类似的低 Vos 精密运算放大器。 我们可以使用 MOSFET 替代 BJT、并将5 BJT 减少到2个或3个 MOSFET、从而简化设计。 我们甚至可以 稍微降低电源电压、以降低晶体管等的功率耗散。  

我不知道您手头有哪些组件、因此我使用您提供的部件。 请告诉我您使用的应用类型、我们可能会从此处着手。  

最棒的

Raymond

您好、Anna、

下面是一个替代的 V-I 驱动电路示例。 它可以简化您的设计。  

e2e.ti.com/.../OPA192-Currentbooster-E2E-Transient--11242021.TSC

如果不了解您的具体要求、我就没有花太多时间来优化这一点。 例如、如果您将 OPA192或类似的精密运算放大器用作 V 至 I 转换器、则可以简化运算放大器驱动电路。 OPA548设计用于直接驱动高电流应用。 您还可以简单地进行 BJT 设计、我在其中选择了我们的 MOSFET 驱动器之一。 您可能需要并联多个 MOSFET 以减少散热、并使用散热器/气流来降低其散热。  

下面是选择 N-MOSFET 驱动器的链接。   

https://www.ti.com/power-management/mosfets/n-channel-transistors/products.html#p267=40;110&p2748=0.82;500&sort=p267;desc

如果您有其他问题、请告诉我。  

最棒的

Raymond  

您好、Raymond、

非常感谢您的详细回答。 这将是我们的测试设备的一项附加功能、因此应用将是实验室测试。  

由于输出功率较高、我想它应该是汽车产品、因此所有组件 都具有高功率耗散属性和低电阻非常重要。  

您提供的替代产品是否适用于我们的高输出功率？ 您认为一个 FET 就足够了吗？ 我们想要使用多个 BJT 的原因是、我们希望在它们之间分配电流、并且空间没有问题(因为它是用于测试目的的电路板)。

此致、  

安娜

您好、Anna、

您提供的替代产品是否适用于我们的高输出功率？ 您认为一个 FET 就足够了吗？

一个 MOSFET 将不会处理30A 负载应用的热耗散。 在静态负载应用中、假设 Vin=13V @30A、晶体管(BJT 或 MOSFET)上的电压将在20V 电源轨下下降7V。 晶体管上的热耗散 V*I = 7V*30A=210W，这将是一个问题。

无论您要在 BJT 和 MOSFET 中使用什么、您都可以考虑降低电源电压以降低晶体管的热耗散。 是的、您将需要多个 BJT 或 MOSFET 来适应应用、并且您将需要实施重负荷散热器+气流/液体冷却块等 以降低晶体管的工作温度。  

如果您能够为我提供最坏的情况、我可以对其进行仿真并提供一些建议。 由于这是一个实验室应用、因此最好在过度冷却的情况下处理应用(最坏的情况可能会在晶体管上散发大量热量、接近200W+)。 如果您能够降低20V 电源轨、例如17Vdc、则可以将热耗散从210W 降低到120W、如上所示、这种方法更易于管理。   

最好将 OPA548替换为 OPA192或类似的精密运算放大器、以满足应用需求。 OPA192是 RRIO 运算放大器、可与较低电压轨配合使用、以控制 V 至 I 应用。  

最棒的

Raymond

您好、Raymond、

此电路将产生的信号是10V-16V 正弦波。 电源电压直接来自电源、因此降低电源电压不是问题-但 信号达到的最高电压为16V  、因此 电源电压需要足够高、以使 BJT/FET 始终保持开路(在使用测试板时)。 测试本身不应超过1分钟。 在这种情况下、您有什么建议？ 如果您需要更多信息、请随时咨询、您的意见对我们非常有帮助。   

谢谢、

安娜

您好、Anna、

如果您在实验室中使用测试板、我认为进行任何更改都没有优势。  假设 Pavg = 110W 超过5至3 BJT、每个 BJT 的耗散约为22W。 在结至外壳温度为0.5C/W 的情况下、结温将比室温升高11°C。 我建议使用单个散热板进行3型安装、如果您有这些、即使它运行时间很短。   

e2e.ti.com/.../Pavg-currentbooster-E2E-Transient--Avg-Pwr-11272021.TSC

如果将应用放置在 PCB (SMD 中)上、则 OPA192 + NMOSFET 设计具有一些优势、因为其尺寸紧凑。 在 BJT 驱动器中、您无法将 OPA548替换为 OPA192、因为需要使用运算放大器来驱动更大的 VBE 电流。  

如果您有其他问题、请告诉我。

最棒的

Raymond

e2e.ti.com/.../Pavg-OPA192-Currentbooster-E2E-Transient--11272021.TSC

您好、Raymond、  

抱歉、我给您写了一条回复、但显然没有发送。 我们非常感谢您的帮助、您的实施已在我们团队的流程中、您对我们提供了很多帮助。 如果您有详细的薪酬申请单或个人计算、请在此处分享。 我们尝试在使用您的帮助之前提供补偿值、但我们无法获得您提供的稳定输出。

此致、  

安娜

您好、Anna、

封装是我的补偿所基于的小信号注入模型。 您可以计算 R1和 C1的补偿值并检查环路增益稳定性。 NPN 863-2N5686G PSpice 模型 、是我在"Get-Go"中使用的模型。  

e2e.ti.com/.../currentbooster-E2E-AC-Analysis-11302021.TSC

以下是采用 OPA192和 CSD18540Q5B N-MOSFET 的型号。 由於我不知道你使用的是甚么，所以我在答覆中都附上了。  

e2e.ti.com/.../Pavg-OPA192-AC-Analysis-E2E-Transient--11302021.TSC

如果您需要更多助手、请向我发送示波器照片、这可能会有所帮助。 我对 TI 的 PSpice 模型非常有信心、但我无法说第三方模型。  

最棒的

Raymond

您好、Raymond、  

感谢您分享。 我在将您的模型连接到我们的输入滤波器时遇到了问题、该滤波器已连接到我发送给您的初始仿真文件中。 正如我说过的、电阻负载不是恒定的、但滤波器是非常真实的、这正是我们在电路板中所拥有的、drive.it 上这个滤波器所需要的、似乎不能提供我们所需的10V-16V 纹波。

e2e.ti.com/.../1374.currentbooster.TSC

此致、  

安娜

您好、Anna、

我需要知道您的负载是多少。 我之前的电路假设负载在本质上是电阻的、即533mΩ Ω。 您正在使用533mΩ Ω 负载来生成高达30A 的恒定电流。  

如果负载显示在下方、且 C、L 和 R 较大、则驱动电路将不适用于应用。 这是一个复杂负载、运算放大器无法使用我提供的电路(>15kHz 带宽)直接驱动此类负载。 以下电路是复数负载。  

BTW、如果上面的电路是实际负载、则 Rload 频率只能在高达5kHz 的频率下运行(请参阅我之前的答复)。 输出在5kHz 后开始衰减。   

在上一次的答覆中，我提到了以下的电路。 如果上述负载很复杂、则必须使用类似的电路(见下文)在第二级创建电流镜、以驱动高达30A 的负载。 请告诉我、您的负载特性是 L、R 和 C  

最棒的

Raymond

您好、 Raymond、

我们的电容负载正是仿真文件所具有的值、即1370uF。

电感为1uH。

我没有恒定的电阻值可以为您提供、电路的输出应在高达30A 的电流下工作。  

在这种情况下、您有什么建议？ 如果它将在5kHz 之前正常工作、这对我们也是很好的。

谢谢、  

安娜

您好、Anna、

根据您的说明、您需要将以下负载驱动至30A、如下面的仿真所示。 换句话说、负载不是恒定电流源。 仿真得到的输入电压 VG1介于10V 到16Vdc 之间、复数负载的输出摆幅介于18.53A 到30A 之间。  

e2e.ti.com/.../OPA548-Driving-Complex-Load-12012021.TSC

封闭的是负载仿真。 如果我正确理解要求、请告诉我。  

最棒的

Raymond

您好、Raymond、

是的、正确。 电流的摆幅可能会更低、从大约高一点的20A 到最大电流30A、 但它不应影响设计、而是负载不恒定、放大器应能够驱动高达30A 的电流。  除此之外、您正确理解了要求。 很抱歉、如果我之前不够清楚。

谢谢、  

安娜

您好、Anna、

了解您的要求后、我发现具有电流升压器电路的运算放大器无法驱动这种较大的1320uf 电容负载。 换言之、运算放大器将不稳定、我无法补偿大容性负载。 即使我能够找到补偿解决方案、补偿也将在所需5kHz 带宽的大部分范围内使用。   

如 上所示、如果 OPA548的驱动电路能够绕过负载上的 μ π 滤波器、我可以尝试使用 OPA548、但我没有作出任何承诺。  

在此类负载应用中、通常通过直流/交流转换器来完成。  在直流侧、电源输入驱动器必须生成高频 PWM 调制正弦波、π Δ Σ 滤波器将滤除谐波并通过 LPF 生成所需的正弦波。  

如果您有其他问题、请告诉我。  

最棒的

Raymond  

明白了、再次非常感谢您的帮助-这一点非常重要、我们非常感谢您的努力。  

遗憾的是、我们无法绕过滤波器。 我们将探讨一种合适的测试设备的选择。  

您可以关闭此主题。  

此致、  

安娜

您好、Raymond、

我们决定从我们的负载中移除2*330uF (如您在附加的仿真文件中所见)。 现在、在稳定状态下、它运行良好。  

您是否认为 即使 没有20m Ω 的发射极电阻、BJT 也能够非常均等地共享电流？  

问题在于、这些电阻器的额定功率应非常高、并且在温度升高时、功率耗散能力将下降。   

e2e.ti.com/.../7180.currentbooster.TSC

谢谢！

安娜

您好、Anna、

您是否认为 即使 没有20m Ω 的发射极电阻、BJT 也能够非常均等地共享电流？  

您可以移除这些电阻器；无论如何、大部分电压都会在 VCE 上下降。 20m Ω 电阻器的热耗散约为4^2*0.02Ω= 0.32W、@20A 的总负载。 如果将所有晶体管保留在单个散热板上、它们应更好地共享电流。  

关于移除2x330uf 电容器后的运算放大器稳定性、我不认为电路是稳定的。 是的、它的工作效果会比以前好、但电路仍然没有所需的相位裕度(>45度)。 如果输入以方波运行、阶跃函数或输出端存在负载脉冲等、则将显示振荡。  

最棒的

Raymond

您好、Raymond、  

你是对的-它只适用于特定的频率、而对于其他频率仍然不稳定。  

除此之外、遗憾的是、我们无法移除整个滤波器。

感谢 您的快速响应。  

安娜

您好、Anna、

请尝试按如下所示插入5kΩ。 如果频率大于~1kHz 范围、它将更好地使电路稳定。 因此、如果应用以更高的频率运行、则电路将保持稳定。 输出信号将在大约6kHz 范围后开始衰减。  

如果 输入信号频率较低、例如<500Hz、您可能会看到振荡、但电路将有条件地工作。 这是由与负载串联的 LC 滤波器造成的。  低频时的噪声。 1uH 闭合为短路、这将在输出端放置600uF 的容性负载、这将在闭环的反馈内引入另一个极点。   

最棒的

Raymond

您好、Raymond、  

f=5k 时、运算放大器似乎无法驱动负载、它需要太多的电流、而运算放大器达到其限值并进入饱和状态。  遗憾的是、由于滤波器的原因、在此频率下的负载非常小-因此它需要太多的电流。 在这种情况下、输出电流会非常大、远远大于30A。

我们非常感谢您在此设计方面的帮助。  

谢谢、  

安娜  

您好、Anna、

如果 f=5k、则运算放大器似乎无法驱动负载...

建议的电路与您拥有的电路非常相似。 5kΩ Ω 或10kΩ Ω 是电路反馈电阻器。  我建议5kΩ Δ I 为您提供 更高的 BW。  10kΩ Ω 在带宽较低的情况下也应正常工作(如果我正确召回、则范围约为70-80kHz)。   

关于电路的频率响应，LC 滤波器确定衰减的位置或1/(2*pi*sqrt (LC))。   

最棒的

Raymond