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TI电源培训电子书系列 II -【降压稳压器基础架构】

Other Parts Discussed in Thread: UC3842, TMS570LS20216, HALCOGEN, LM3485

降压稳压器是一种能使输出电压降低,然后通过连接到误差放大器反相输入端的分压电阻采样,误差放大器的同相输入端连接到一个参考电压的稳压器。降压稳压器应用在电缆调制解调器、等离子电子、数据设备通信、机器人、DC/DC电源、FPGA电源、机顶盒、LCD监控器、路由器、工业应用、医疗和自动化测试设备等许多方面。


降压稳压器由调压电路、控制电路、及伺服电机等组成,当输入电压或负载变化时,控制电路进行取样、比较、放大,然后驱动伺服电机转动,使调压器碳刷的位置改变,通过自动调整线圈匝数比,从而保持输出电压的稳定。容量较大的降压稳压器,还采用电压补偿的原理工作。


《降压稳压器基础架构》电子书共分为六章,从最简单的一种开关电源结构--降压开关稳压器开篇,述及多相降压稳压器、迟滞降压稳压器、恒定导通时间(COT)降压稳压器、电流/仿真电路模式降压稳压器、电压模式稳压器共六个类型稳压器的结构与原理。

目录

第一章降压稳压器基础架构概述

1.1概述………………………………………………………………………1

1.2非同步降压转换器………………………………………………………1

1.3降压拓扑电流和电压波形………………………………………………2

1.4轻负载操作:CCM和DCM……………………………………………..3

1.5同步降压的直通…………………………………………………………4

1.6死区时间…………………………………………………………………4

1.7控制模式………………………………………………………………….5

第二章多相降压稳压器

2.1多相概述………………………………………………………………...7

2.2功率FET及其驱动器……………………………………………………7

2.3输出滤波器………………………………………………………………9

2.4采用COT的多相优势实例……………………………………………...10

2.5电感器尺寸改善…………………………………………………………11

2.6直通改善…………………………………………………………………12

2.7输入电容器……………………………………………………………....12

2.8均流……………………………………………………………………....13

2.9总结………………………………………………………………………14

第三章迟滞降压稳压器

3.1迟滞降压稳压器架构…………………………………………………15

3.2迟滞稳压器波形…………………………………………………………15

 

3.3LM3485架构………………………………………………………………17

3.4LM3485迟滞控制器………………………………………………………17

3.5计算开关频率……………………………………………………………...18

3.6迟滞控制的优缺点…………………………………………………….......19

3.7LM3475/85的输出电容…………………………………………………...19

第四章恒定导通时间降压稳压器

4.1恒定导通时间(COT)降压稳压器架构…………………………………22

4.2工作效率…………………………………………………………………23

4.3典型例子…………………………………………………………………24

4.4注意事项…………………………………………………………………27

第五章电流/仿真电路模式降压稳压器

5.1电流模式………………………………………………………………....29

5.2电流模式降压稳压器架构………………………………………………30

5.3CMC次谐波振荡…………………………………………………………31

5.4调制器增益………………………………………………………………32

5.5输出滤波器………………………………………………………………32

5.6误差放大器………………………………………………………………33

5.7控制环路增益…………………………………………………………......33

5.8误差放大器+输出滤波器………………………………………………...34

5.9控制环路考虑因素………………………………………………………..34

5.10电流模式负载瞬变–性能折衷………………………………………….34

5.11电流模式输入电压瞬变–性能折衷…………………………………....35

5.12电流模式控制示例–LM284x…………………………………………...35

5.13仿真电流模式(ECM) 降压稳压器………………………………………35

 

5.14仿真电流模式工作原理………………………………………………...36

5.15仿真电流模式工作波形………………………………………………...37

5.16输入电压与工作频率的关系……………………………………………37

5.17可靠的过流保护……………………………………………………......38

第六章电压模式稳压器

6.1电压模式降压稳压器…………………………………………………....39

6.2调制器增益………………………………………………………………40

6.3输出滤波器………………………………………………………………40

6.4误差放大器………………………………………………………………41

6.5内部Type III电压模式补偿(LM367x)…………………………………...43

降压稳压器PDF文档(完整版).pdf
  • 对于降压变压器, 一般有同步整流和非同步整流的降压稳压器,在同步整流的降压稳压器中,如果负载在轻到一定程度的时候,电感电流会进入DCM模式,电感能量释放完后电流反向,从输出→电感→续流MOS管→地。

    而在非同步的情况下则不会出现这一情况,因为续流二极管这时处于反偏状态,根据负载的不同,电感电流会在这两种情况之间变化,连续模式中功率级部分的小信号特性和断续模式里是完全不一样的,所以在非同步稳压器中的环路补偿设计需要特别关注这一点。

    对于同步降压需要保证死区时间, 以免场产生直通. 损坏功率器件.

  • 电流模式降压稳压器架构的优势

    · 电源设备增益可提供一种单极点滚降,补偿器只需要一个简单的单极点网络就能实
    现高带宽、高增益的特性,因此动态响应快,稳定性高;
    · 具有抑制输入扰动能力;
    · 逐周期电流限制保护;
    · 能够很方便实现均流,在多个并联的时候只需要保持误差放大器输出的控制电压保
    持一致即可。

  • 电流模式降压稳压器架构的劣势
    · 因为它是逐周期的限制电流,所以对噪声比较敏感;
    · 由于续流二极管的反向恢复特性会导致MOS管开通时会叠加前沿尖峰电流,当占空
    比减少到一定程度时就无法判断是真实电流波形还是尖峰电流;
    · 需要检测电阻器。

  • 5.9控制环路考虑因素
    经验法则
    · 穿越频率位于1/5 开关频率,并具有45˚ 的相位裕量
    · 穿越频率的提高会引致瞬态响应速度的加快,以及出现不稳定的可能性的增加
    · 穿越频率的降低会引致瞬态响应速度的减缓,以及 实现稳定的可能性的增加

  • 5.10电流模式负载瞬变–性能折衷
    · 电流模式控制的作用就像一个驱动输出电容器的电流源
    · 一个闭环系统的输出阻抗为:

    · 针对高频负载瞬变(tSLEW≤1/fCROSSOVER) 的经验法则是:∆VOUT =ZOUT*∆IOUT 其
    中,ZOUT是输出电容器在穿越频率下的阻抗。

  • 电流模式输入电压瞬变–性能折衷
    · 输入电压的骤变可通过使用一个大输入电容来减轻由于内含输入电压前馈的缘故,
    因此响应性能较好
    · 是电流模式的固有特性使用多个并联电容器可减小 ESR,这也起到了改善性能的作

    · 高穿越频率使控制环路能快速适应系统中的扰动

  • 电压模式降压稳压器

    如图为电压控制模式的应用框图,它可以分成三大部分,分别是误差放大器和反馈网络
    构成的反馈调节部分;第二部分是调节器,这一部分没有采样电流的波形,而是内部产生一
    个三角波,让它和误差放大器的输出进行比较来得出PWM;第三部分是输出滤波器,负载和
    输出滤波是密不可分的一部分,所以在计算时要充分考虑输出负载带来的影响。

  • 电压模式降压稳压器的优势 

    · 稳定的调制/对噪声不太敏感
    · 单一反馈路径
    · 能在很宽的占空比范围内工作

  • 电压模式降压稳压器的劣势
    · 环路增益与VIN成正比
    · 双极点LC 常常需要Type III 补偿
    · CCM 与DCM 的差异– 补偿难题
    · 对输入电压变化的响应速度缓慢
    · 必须单独实施电流限制

  • 对于环路设计心得,目前电源越来越流行采用数字控制,或者数模混合控制,因为有了数字控制之后,会使得整个电源系统设计更加灵活和简洁,这里简单介绍一下TI的28032 DSP芯片进行数字环路的设计,对于目前比较流行的LLC谐振拓扑,采用DSP进行环路设计师一个非常不错的选择。众所周知,LLC属于调频控制方式,至今未在公开资料中发现其小信号模型,也就是说,控制对象的传递函数在设计之初是未知的,这给环路设计带来了很大的困难。

    所以对于LLC环路的调试,基本上都是先扫出一个BODE图,然后再根据现有的BODE图设计补偿器进行环路补偿,目前对于LLC环路补偿,一般需要采取双零双极的3型补偿电路进行补偿之,DSP控制是非常灵活的,解决了传统的模拟控制的瓶颈。

  • 误差放大器

    这是一个跨导型的误差放大器,它只能用在电流模式的控制器中,如果在电压模式中使
    用则不能进行III型补偿。由于电流模式只需要II型补偿即可实现输出稳定,因此可以采
    用这种低成本的跨导型的误差放大器。

  • 误差放大器+输出滤波器 

    上图是一个经过补偿的输出滤波器的波特图,我们主要考虑高ESR和低ESR两种情况所需要加入的零点。当ESR比较高的时候它产生零点的频率点比较高,所以进行补偿的零点频率也比较高,当输出ESR比较低的情况我们需要在与它相近的地方加入补偿零点。

  • 控制环路考虑因素
    经验法则
    · 穿越频率位于1/5 开关频率,并具有45˚ 的相位裕量
    · 穿越频率的提高会引致瞬态响应速度的加快,以及出现不稳定的可能性的增加
    · 穿越频率的降低会引致瞬态响应速度的减缓,以及 实现稳定的可能性的增加

  • 电流模式负载瞬变–性能折衷
    · 电流模式控制的作用就像一个驱动输出电容器的电流源
    · 一个闭环系统的输出阻抗为:

    · 针对高频负载瞬变(tSLEW≤1/fCROSSOVER) 的经验法则是:∆VOUT =ZOUT*∆IOUT 其
    中,ZOUT是输出电容器在穿越频率下的阻抗。

  • 电流模式输入电压瞬变–性能折衷

    · 输入电压的骤变可通过使用一个大输入电容来减轻由于内含输入电压前馈的缘故,
    因此响应性能较好
    · 是电流模式的固有特性使用多个并联电容器可减小 ESR,这也起到了改善性能的作

    · 高穿越频率使控制环路能快速适应系统中的扰动

  • 仿真电流模式(ECM) 降压稳压器
    为什么采用仿真电流模式?

    在前面提到过电流模式控制会有一个前沿脉冲尖峰产生的问题,我们一般的做法是加一
    个前沿尖峰消隐的措施,但在消隐的时间里控制器是不可控的。所以我们就需要一种方法来
    解决这种问题,也就是仿真电流模式控制。

  • 仿真电流模式工作原理


    这种方式主要是通过另外一种方式来采样电流。传统的电流模式控制中电流采样实际上
    是采样流经电感上的纹波电流,那么我们可以换一种方式来的得到这个电流的斜坡来进行采
    样,从而得到一个干净的电流信号。电感纹波电流的上升斜坡等于di/dt = (Vin - Vout)
    / L1,如果把稳压器的输入和输出都引入芯片,然后用它们的差值产生一个受控的恒流源对
    外接电容进行充放电,当压差高时恒流源电流大,压差低时恒流源电流小,只要选择准确的
    电容,就能通过这种方式精确的模拟出电感上的纹波电流,得出公式:dv/dt = (Vin - Vout)
    / CRAMP,最后通过检测二极管续流阶段的电流量并保持它,让它作为连续模式波形中下一
    周期的连续分量,再进行叠加,从而完整的模拟出电感的整个电流波形。

  • 仿真电流模式工作波形 

    它的工作波形其实和传统的电流模式控制是相类似的,仿真电流模式只是用一种仿真的
    方式模拟出电感上的电流,也就是第四组波形。这种方式完全消除了前沿尖峰带了的问题。

  • 非常感谢你的分享   好资料

  • 学习到了很多,刚刚看完结合自己以前用的电路,发现自己学习的路还很长!谢谢!