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Buck環路的設計分析

eeDesigner ? 2023-04-06 14:50 ? 次閱讀

1. 基本概念介紹。
buck電路是我們開關電源中應用較為廣泛的拓撲結構,在實際應用的過程中,我們要求不管是輸入電壓發生變化還是負載電流發生變化,其輸出都是要保持相對穩定。如何實現buck在各種負載條件下正常輸出,其背后的環路設計的重要性就顯得不言而喻。
一個buck電路就是一個電源系統,系統要實現穩定必須依靠內在的控制環路來實現,以峰值電流模式控制的buck電路為例,其負反饋系統可以時刻保持對輸出進行采樣,通過比較器進行PWM調節,使得輸出保持穩定,對于一個buck電路而言,其反饋網絡的等效框圖可以用下圖進行表示:

poYBAGQud7aAGSyYAAAsHiOTMUE353.jpg

其中輸入電壓代表給定Rs,輸出電壓代表Cs,環路的增益就可以表示為T(s)=X(s)G(s)H(s),環路的增益包含了功率級的傳遞函數和補償環節的傳遞函數,對于一個具體buck電路系統而言,其補償環節,功率級,又是如何與等效結構框圖相對應的呢?

2.buck

電路功率級和補償環節介紹。

如圖所示Buck環路的功率級主要與輸入,輸出電容C,電感L 相對應的,其功率級所對應的傳遞函數可以理解為系統本身所固有的傳遞函數,電容電感的取值,不同的控制方式,以及負載電流的大小,都可以對功率級傳遞函數產生影響。補償環節:主要與comp比較器,上下分下電阻,等反饋環路有關,其決定的系統的補償傳遞函數用于調節系統的性能。

poYBAGQryLaAQE4mAABokSqjBeI752.png

3.buck 電路環路設計的目標
環路設計的目標是要有足夠的相位裕量,適當帶寬和高直流增益(如下圖所示)以次滿足系統對穩定性、良好的動態響應的要求。

pYYBAGQryLeAQnl1AAAdK54srIM782.png


4.buck****電路功率級等效模型的建立及其波特圖分析
在分析buck功率級回路的時候,我們采用小信號建模法,可以將buck電路的功率級等效為電感作為電流源的控制回路,如下圖所示。并且根據傳遞函數 PS_((S) )= v_0(s) /v_c(s) =R/R_i (1+sR_c C)/(1+sRC) 繪制出其波特圖。其中Rc表示輸出電容的esr,Ri是電流的感應增益。單純看buck電路的功率級,其初始的增益很低不能滿足系統相應的準確性,除此外其帶寬,以及相角都不能滿足設計的要求。

pYYBAGQueBeAMJsyAAAlat_YnZ0757.jpg


5. Type- Ⅱ補償網絡。
為了彌補buck功率級,我們就需要采用補償網絡對環路進行補償,這里以我們常用的 電壓型Type-Ⅱ補償網絡為例。

pYYBAGQryL-AJsDUAAAtGvYgh00580.pngpoYBAGQryMKABL6fAAAWQh-Yq_I248.png

可以得到Type-Ⅱ補償網絡的傳遞函數為

pYYBAGQryMSATwowAAAEMYhBWD0890.png

由傳遞函數可知該補償環節有一個零極和兩個極點,畫出其波特圖,分析其幅頻和相頻特性可知補償網絡有較高的直流增益,同時相位裕量提高到最大90度,這種特性可以滿足絕大部分電源應用的需求。
6. 環路設計。
在充分認識和了解buck電路的功率級和我們常用的Type-Ⅱ補償網絡之后,下面將介紹如何放置Type-Ⅱ補償環節的零極點對buck環路的功率級的零極點進行改造,使得兩者疊加后達到我們環路設計的要求。
如下圖所示即為控制環路補償示意圖,其中|PS|是buck環路功率級的波特圖,與前文提到的不同之處這里是考慮了電感、斜率補償和采樣保持等因素從而得到的更為精確的模型的波特圖。 |EA|則代表的是Type-Ⅱ補償網絡的波特圖,最終通過兩者的疊加我們可以得到最終的buck環路的波特圖|T|。

poYBAGQryMaADrKbAAAVj6vXOvk756.png


通常將Ⅱ型補償網絡的低頻零點放置于功率級的低頻零點附近,使得補償后的環路在中頻段以-20dB/Dec衰減;補償網絡的高頻極點放置于功率級電解電容ESR的高頻零點附近,使得補償后的環路在高頻段繼續衰減設計使得穿越頻率PSFc位于1/20 Fsw。

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