开关电源环路设计要点

Type-3的使用要点在于将两个零点置于LC谐振频率附近， 一个极点放在变换器本身的零点附近，最后一个零点放在高频 处已提供足够的幅值余量。
All rights reserved.
电压型控制的基本框图
1. Gvd(s)对应着变换器本身的特征，我们在功率设计的时候已经确 定了，Fm对应ramp信号的斜率，Gea(s)是补偿网络。
Zo
vˆo ⋅ D + Vo ⋅ dˆ
RL
iˆL
Lfs
1 C fs
R load
Z o1
I L ⋅ dˆ + iˆL ⋅ D
Rc
dˆ
dˆ
iˆL
=
IL
⋅ dˆ
+
iˆL
⋅D
+
vˆo Zin
Zo ⋅ iˆL = vˆo ⋅ D + Vo ⋅ dˆ − vˆo
Gvd
=
vˆo dˆ
=
Vin D′2
⋅
(1−
s
⋅
Le R
2.简单的说，电流型控制降低了所需要补偿网络的阶数，从二阶系 统降低到一阶系统（在一些我们感兴趣的频段内）。
3.电流型控制并不能消除右边平面零点。
All rights reserved.
电压型与电流型控制模式功率级的对比
电压模式与电流模式的功率级对比可以看到，电压模式双极点的影响在 电流模式里大大简化了。电流模式带来了更容易补偿的特性.
vˆ in
电压源短路
iˆL
1
iˆo = 0
Vin ⋅ dˆ + vˆin ⋅ D
Cˆo
电流源短路
Io ⋅ dˆ + iˆL ⋅ D
d
dˆ
Lf s iˆL Vin ⋅ dˆ
Zo (s)
Step1:
Step2:
iˆL (s)
=
vˆo Zo(s)
1
Vin
⋅ dˆ
=
vˆo Zo (s)
Boost 功率级小信号传递函数 Gvd
D1
RL
iL
Lf
v in1
S1
Cf
Rload
vo
Rc
vˆo
vˆo ⋅ D + Vo ⋅ dˆ
RL iˆL L f s
1
Cf s
Rload
iˆo
vˆin1 EMI filter
IL ⋅ dˆ + iˆL ⋅ D
Rc
d
令输入电压扰动和负载扰动为0 Z in
vˆ o
2. 对于一般使用的变换器来说，buck, boost(buck_boost)是最基本 的拓扑。一般的正激（双管正激）对应着buck模型，flyback拓扑是 对应着buck_boost模型。半桥和全桥拓扑如果副边是center-type 的，依然对应着buck模型。这些都是二阶系统。
3. 复杂的拓扑如ACF(有源钳位正激)，Sepic的小信号传递函数会比 较复杂，ACF的励磁电感和钳位容会带来一个四阶系统，建模会相 对复杂。
受控电压源 d × vg
Io ⋅ dˆ + iˆL ⋅ D
Lf s
RL
iˆL
1
vˆ in
Cf s
iˆo vˆo
Vin ⋅ dˆ + vˆin ⋅ D Rc Rload
dˆ
All rights reserved.
Buck 功率级小信号传递函数 Gvd
Io ⋅ dˆ + iˆL ⋅ D
Lf s
RL
vˆin = 0
40 40
20 log( Gvd(f , 10 , 0 , 0) )
30
arg(Gvd(f , 10 , 0 , 0))⋅ 180 ⋅ 10 20 π 45
20 log( Gvd(f , 10 , 0 , 0.02) )
10
arg(Gvd(f , 10 , 0 , 0.02))⋅ 180 ⋅ 10 0 π 45
20 log( Gvd(f , 10 , 0 , 0.05) )
10
arg(Gvd(f , 10 , 0 , 0.05))⋅ 180 ⋅ 10 20 π 45 30
− 40 40 1 .103 1000
1 .104
All rights reserved.
考虑电感的DCR
DCR增加
1 .105 f
1 .106 300⋅k
All rights reserved.
电流型 or 电压型
电流型的优点 1. 电流型在低频部分类似于单极点系统，更容易满足相位余量，简化
了设计 2. 电流型控制本身提供了单个周期的过流保护（或者可以说过功率保
护），提高了模块的可靠性。 3. CCM to DCM的主功率环路更加一致，电压模式下CCM to DCM
4. CCM模式和DCM模式对应的功率级小信号函数式不同的。由于实 际中CCM更加难以补偿，这里主要讨论CCM模式
All rights reserved.
功率级小信号传递函数H(S)-平均模型
受控电流源 d × iL
vˆo = Gvd × dˆ + Gvg × vˆg − Zout × iˆo
dˆ
20 log( Gvd(f , 10 , 0 , 0) )
10
arg(Gvd(f , 10 , 0 , 0))⋅ 180 ⋅ 10 π 45
20
30
40 100
1 .103
All rights reserved.
负载增加
1 .104 f
1 .105
Buck 功率级小信号传递函数 Gvd
vˆo
=
dˆ ⋅Vin ZL(s) +
dˆ ⋅Vin
⋅ Cf
+s⋅
Lf R
+1
60
50
20 log( Gvd(f , 0.1 , 0 , 0) )
40
arg(Gvd(f , 0.1 , 0 , 0))⋅ 180 ⋅ 10 π 45
30
20 log( Gvd(f , 5 , 0 , 0) )
20
arg(Gvd(f , 5 , 0 , 0))⋅ 180 ⋅ 10 10 π 45 0
的主功率环路变化时很大的。 4. 全桥电路中良好的电流型控制可以去除隔直电容。 5. 更适合并联应用。
电流型的缺点
1. 两个环路（电压环+电流环）让设计更加复杂。 2. 次谐波问题-由于电流型控制自身的问题，当占空比大于50%就会
带来次谐波的问题，需要斜坡补偿。 3. 电流信号做为产生duty cycle的一部分，对电流信号的控制要求很
考虑电容的ESR
ESR增加
1 .104
1 .105 f
1 .106 300⋅ k
All rights reserved.
Buck 功率级小信号传递函数 Gvd
vˆo
=
dˆ ⋅Vin ZL(s) +
1
=
Zo (s)
s2 ⋅ Lf
⋅ Cf
dˆ ⋅Vin
+
s ⋅ (Lf R
+
RL
⋅ Cf
) + (1+
RL ) R
GPL
(s)
=
1
+
Rs
Fm ⋅ Gvd ⋅ H e ⋅ Fm
⋅
Gid
=
Fm ⋅ Gvd 1+ Ti
电流型模式的功率特性（包含了电流内 环），这里忽略了输入，输出的影响 （影响很小）
电压型模式的功率级特性
1.从对比的公式可以看到，对应同样的（功率级）Gpl (s) 来说，电流型 比电压要复杂的多，其中Gvd,Gid都可以从平均模式或其它方法推 导得 到。He(s)是一个采样保持函数，可以参考ridley的具体文章。Fm是由斜 坡补偿和采样电流斜率决定的。
All rights reserved.
实际的bode图（电压型-闭环）
18Vin NL Phase=70.7deg Gain=-20.28dB
18Vin FL Phase=24.72deg Gain=-8.557dB
All rights reserved.
实测的bode图（电流型-闭环）
18Vin NL Phase=73deg Gain=-16dB
声的干扰，电流信号由于实际还会做逐波限流，一般都不超过 1V/0.5V 3. 多路输出情况下更好的交叉调整率。 电压型的缺点 1. 对于输入和负载的变化都要体现在输出电压反应，响应较慢。 2. 双极点补偿比较苦难，带宽必需远小于双极点，受功率级影响较大。 3. 不同输入，不同负载范围下功率级函数变化较大，不利于补偿。
2. 可以看到，电压型控制是相对简单的，功率级我们通过建模得到 Gvd, 只需设计反馈部分Gea(s)
All rights reserved.
峰值电流控制基本框图
电流模式与电压模式的关键在于电流模式加入了电流内环Ti(s)， 设计会更加复杂
All rights reserved.
电压型与电流型控制模式功率级的对比
All rights reserved.
电源系统的基本特征
电源系统
主电路： 无论输入电压和负载如何变化，都要 得到稳定的输出电压
控制电路：检测到输出电压变化 时，调节占空比
脉宽调制电路 补偿电路
All rights reserved.
电源系统的基本特征
电源系统
主功率电路：H(s) 控制电路：G(s) 我们需要关注的部分，T(s)，这个决定了我们的系统是 否稳定
Gvd = Gd 0
ωz
2
s ⎛s⎞
1+
Q
⋅ ωo
+
⎜⎜ ⎝
ωo
⎟⎟ ⎠
输入电压对输出的扰动 标准形式
Gvg = Gg0
1
2
s ⎛s⎞
1+ Q ⋅ ωo + ⎜⎜⎝ ωo ⎟⎟⎠
All rights reserved.
右半平面的零点-容易导致系统振荡
s G(s) = 1−
ω0
占空比增加的瞬间，输出电压是下降的。 Boost 和 Buckboost 的带宽没有buck宽， 相位的跌落会影响相角裕量。
⋅ ZL(s) + vˆo
Cfs
Rload
vˆo
vˆo
=
dˆ ⋅Vin ZL(s) +
1
=
Zo (s)
s2
⋅ Lf
dˆ ⋅Vin
⋅ Cf
+
s
⋅
Lf R
+1
All rights reserved.
Buck 功率级小信号传递函数 Gvd
vˆo
=
dˆ ⋅Vin ZL(s) +
1
=
Zo (s)
s2
⋅ Lf
开关电源环路设计要点
2012/07/12
议程
1. 电源系统的基本特征。 2. 电源系统的环路框图。
2.1 主功率的小信号模型H(S)。 2.2 补偿部分常见网络G(S)。 3. 常见的控制方式。 3.1 电压型控制方式。 3.2 电流型控制方式。 3.3 电压型控制方式与电流型控制方式的对比。 4. 电流型控制方式实际设计要点。 4.1 电流控制的次谐波与斜坡补偿。 4.2 电流型补偿中的实际设计要点。 5. 隔离电源环路中TL431与运放在电源环路设计中的要点。 5.1 TL431应用要点。 5.2 运放的应用要点。 6. 仿真及其它
All rights reserved.
常见的三种环路补偿网络G(S)
All rights reserved.
Type-3的波特图
Type-3补偿器在实际应用广泛使用，尤其在电压模式控制中 更加多见，实际在电流模式中我们也经常使用来增加灵活性。
All rights reserved.
Type-3闭环后的特性
1
=
Zo (s)
s2
dˆ ⋅ Vin ⋅ (1+ Rc ⋅ Cf ⋅ s)
⋅
Lf
⋅ Cf
(1+
Rc R
)
+
s
⋅
Lf R
+1
40 40
20 log( Gvd(f , 10 , 0.001 , 0) ) 30
arg (Gvd(f , 10 , 0.001 , 0))⋅ 180 ⋅ 10 20 π 45
20 log( Gvd(f , 10 , 0.005 , 0) )
All rights reserved.
环路设计的目标
1.高的低频增益，带来足够的输出控制精度 2.足够的Phase margin和Gain margin，带来足够的稳定性。 3.高带宽，良好快速的动态响应
All rights reserved.
功率级小信号传递函数H(S)
1. 取得功率级小信号传递函数的方法是多种多样的，常见的方法有 状态空间法和平均模型法，其它的有电感电流法等。
高，容易受到电源本身的谐振干扰。 4. 负载电流很小的时候提供的电流信号太小。
18Vin FL Phase=68 deg Gain=-11dB
以上对比时基于同样的功率级拓扑来进行补偿的结果，可以看出电流型 环路更容易补偿.
All rights reserved.
电流型 or 电压型 电压型的优点
1. 容易设计和分析过程 2. Ramp信号可以取到较大（相对于电流型来说）从而不容易受到噪
10
arg (Gvd(f , 10 , 0.005 , 0))⋅ 180 ⋅ 10 0 π 45
20 log( Gvd(f , 10 , 0.01 , 0) )
10
arg (Gvd(f , 10 , 0.01 , 0)) ⋅ 180 ⋅ 10 20 π 45 30
− 40 40 1 .103 1000
)
s2
⋅ Le
⋅ Cf
+
s⋅
Le R
+1
其中：
Le
=
Lf D′2
All rights reserved.
Boost 功率级小信号传递函数 Gvd
Gvd
=
vˆo dˆ
=
Vin D′2
⋅
(1−
s
⋅
Le R
)
s2
⋅ Le
⋅ Cf
+
s⋅
Le R
+1
其中：
Le
=
Lf D′2
占空比对输出的扰动 标准形式
s
1−