Buck变换器环路设计.docxVIP

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** ** ** ** Buck 变换器的环路设计 功率级传递函数 VinQ2 Vin Q2 ESR Cout buck 变换器功率级电路示意图 ViI Vi IL - Ic Vo - 1 R ? sL 1 1 1 s ? Cout ESR 其传递函数为 V  ESR ? C  s ? 1 o ? V L ? C i 1 out out s 2 ? (ESR ? R 1 ) ? C  out s ? 1 分子为一阶微分环节,有一个零点,其转折频率为 1 f zero ? 2? ESR ? C  out 分母为二阶积分环节, 其阻尼系数? ? ,其中 R ? R R2 R 2 C out L 1 ESR 当? ? 1时,系统为过阻尼状态,有两个不同的极点。当? ? 1时,系统为临界阻尼状态,有两个相同的极点。 当? ? 1 时,系统为欠阻尼状态,有两个共轭的复数极点。 在 DCDC 变换器中,为了获得较高的效率,会尽可能的减小R 的值,所以通常系统都是处在欠阻尼状态。 20 0 -20 -40 102  103 104 105 0 -50 -100 -150 -200 102  103 104 105 典型的 buck 变换器功率级幅频和相频特性曲线。 参数:Cout=100uF,L1=2.2uH,ESR=1mΩ,R1=10mΩ 在功率级的传函中,有一个由 ESR 和 Cout 构成的零点。当 ESR 比较小时,幅频曲线在转折频率后会以-40db/dec 衰减,相频曲线也会由0deg 急剧的下降为-180deg。在控制回路的环路补偿中就必须增加额外的相位超前补偿,否则不能满足要求的相位裕度。 当 ESR 较大时,由 ESR 和 Cout 组成的零点会抵消到一个极点,控制回路中不需要额外的相位超前补偿,就能满足要求的相位裕度。 下图为 ESR=100mΩ(其余参数相同)的幅频和相频特性曲线。可以看出,其相位最低降到 -100deg,尚有 80deg 的相位裕度。 10 0 -10 -20 -30 102  103  104  105 0 -20 -40 -60 -80 -100 102  103  104 105 PWM 控制级传递函数 在电压反馈系统中,PWM 控制器采用固定的三角波与反馈回来的电压比较,控制占空比。三角波的周期为T,上升段的时间为T1,幅值为△V,则, D 1 T K ? ? ? 1 PWM V comp ?V T T1? T 1 T 环路补偿 为获得比较高的稳态精度,系统总是要设计成为I 型系统,因为I 型系统的稳态误差为零。这样就可以获得比较高的负载调整率和电压调整率。这样就要在环路中引入一个积分环节, 使系统的直流增益变为无穷大。然而,由于积分环节的相位为-90deg,所以,同时由减小 了相位裕度,使带宽比较窄,或者系统变得不稳定。所以一般的会采用PI 调节器,使系统保持高的稳态精度的同时,还能有一个比较好的动态响应。 典型的PI 调节器的电路如下图所示。 R14 R1 4 Vi 2 1 Vo 3 + Vref 8 其传递函数如下, ?V R ? C ? o 2 1 s ?1 V R ? C ? s i 1 1 50 50 40 30 20 10 102 103 104 105 0 -20 -40 -60 -80 -100 102 103 104 105 典型的 PI 调节器幅频、相频特性曲线。参数值为R1=1K,R2=5.1K,C1=0.01uF 其转折频率为 1 f ? 2? ? R ? C 2 1 由功率极的传函可以看出,当 ESR 比较小时,相位会滞后 180deg。而单纯的 PI 调节器没有相位补偿的功能。而且还会造成一定程度的相位滞后。所以需要增加相位超前补偿电路。典型的相位超前补偿电路如下图所示。 R2C1 R2 C1 R3 C2 R1 4 Vi 2 1 3 + 8 U1A 虚线中的C1 与 R1+R2 会产生一个零点,C1 与R2 会产生一个零点。两个转折频率分别是, 1 f1 ? 2? ? C 1 ( R 1 R ) 2 1f 2 ? 2? ? C ? R 1 1 2 这部分的传函为 F (s) ? 1 (R 1 R ) ? C 2 1 s ? 1 R R ? C 1 2 1 s ? 1 整个环路补偿电路的传函为 Vo ? (R ? R 1 2 ) ? C 1 s ? 1 ? R3C2 s ? 1 V R ? C i 2 1 s ? 1 R C s 1 2 典型的幅频相频曲线如下图。 其中的参数R1=12.4k,R2=1k, C1=2.2nF, R3=8k, C2=0.01uF。 25 20 15 10 5 0 10

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