多環(huán)開關(guān)電源增益分析與穩(wěn)定性評估

1、多環(huán)開關(guān)電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性分析作者：Stphanie Conseil, Nicolas Cyr, Christophe BASSO安森美半導(dǎo)體公司目錄：環(huán)路穩(wěn)定性分析通常從開環(huán)波特圖開始，先提取出相位和增益數(shù)據(jù)，然后是確認(rèn)補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)，最后是分析總環(huán)路增益及補(bǔ)償器之前的電源部分，確保環(huán)路閉合時(shí)補(bǔ)償器上的極點(diǎn)/零點(diǎn)能夠保持穩(wěn)定。本文探討了將這種技術(shù)運(yùn)用于含多路反饋通道的電源轉(zhuǎn)換器的不同方法。采用簡單的數(shù)學(xué)運(yùn)算整合單獨(dú)測量的環(huán)路結(jié)果方法能適合各種應(yīng)用場合。測量多環(huán)開關(guān)電源的頻率響應(yīng)可說是一項(xiàng)艱巨的挑戰(zhàn)，尤其是在所有穩(wěn)壓電路都處于次級時(shí)。環(huán)路穩(wěn)定性分析通常從被研究的電源部分的開環(huán)波特圖開始。據(jù)此設(shè)計(jì)人員

2、能夠提取出感興趣的頻率范圍內(nèi)的相位和增益數(shù)據(jù)。然后是確認(rèn)補(bǔ)償器結(jié)構(gòu)，可以生成受正確相位裕量影響的選定交叉頻率。最后研究總環(huán)路增益及補(bǔ)償器之前的電源部分，證明一旦環(huán)路閉合補(bǔ)償器上的極點(diǎn)/零點(diǎn)能夠確保穩(wěn)定。涉及實(shí)現(xiàn)加權(quán)反饋的轉(zhuǎn)換器時(shí)，這種操作將變得非常復(fù)雜。本文將探討這種技術(shù)運(yùn)用于含多路反饋通道的電源轉(zhuǎn)換器的不同方法。用TL431構(gòu)建的多環(huán)系統(tǒng)TL431能夠單獨(dú)被建模為一個(gè)多環(huán)反饋系統(tǒng)。圖1采用經(jīng)典2類配置連線的TL431。從這個(gè)原理圖可以識別所謂的慢通道(slow lane和快通道(fast lane。 Primary sideSecondary side圖1：采用經(jīng)典配置連線的TL431，可觀

3、測轉(zhuǎn)換器的直流電壓。1. 快通道 2. 慢通道 3. 初級 4. 次級這種系統(tǒng)的環(huán)路增益可以通過在初級反饋點(diǎn)處(如光耦集電極斷開環(huán)路進(jìn)行測量。遺憾的是，根據(jù)轉(zhuǎn)換器配置的不同，這種解決方案有時(shí)候很難實(shí)現(xiàn)。最好的做法是從次級測量環(huán)路增益。然而，在某些應(yīng)用中，通常會在快通道輸入和慢通道輸入之間插入1個(gè)LC 濾波器，以消除有害的通常來自反激式轉(zhuǎn)換器的高頻尖峰脈沖(圖2。 圖2： LC濾波器將兩個(gè)通道分離開來。在這種配置情況下，交流激勵信號將在兩條通道之間分離，從而導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)果。幸運(yùn)的是，由于這是線性系統(tǒng)，因此能夠運(yùn)用疊加原理。首先掃描慢通道，同時(shí)保持快通道連接至與輸出電壓完全斷開的某個(gè)偏置電平?？梢?/p>

4、采用外部電源提供直流電壓，如圖3a 所示。Vout 圖3a：快速通道在交流特性上是與電路斷開的，只是慢通道接收激勵信號。5V 電源的精度此時(shí)并不重要，因?yàn)樗鼉H用于偏置目的。交流電源實(shí)際上代表著通常用于環(huán)路穩(wěn)定性研究的注入變壓器。探頭A 和B 連接至網(wǎng)絡(luò)分析儀，由網(wǎng)絡(luò)分析儀計(jì)算1020B log A (1，并顯示等于(121G s sR C (2的環(huán)路增益。在保存了這個(gè)波特圖之后，這種配置需要改變到其它輸入端，如圖3b 建議的那樣。在圖3b 所示電路中，上面的R 2端子連接至直流電壓，其電壓值必須等于穩(wěn)壓電壓，盡管這時(shí)的快通道輸入處于交流掃描狀態(tài)。由于TL431引起的開環(huán)增益以及外部偏置的敏感度

5、問題，直流調(diào)節(jié)可能會有點(diǎn)困難。網(wǎng)絡(luò)分析儀仍將為快通道計(jì)算出 1020B log A ，但這次它得出的環(huán)路增益等于(1G s 。 圖3b：這里的快通道處于交流掃描狀態(tài)，慢通道采用的是簡單直流偏置。將信號組合在一起一旦在屏幕上獲得慢通道和快通道的環(huán)路波特圖，該如何將它們組合起來呢？能否只將增益和相位圖相加，并分別采用dB 和度來表示？當(dāng)然不行，因?yàn)檫@種方法只適用于級聯(lián)增益模塊，但不適用于并行通道。需要將兩個(gè)輸出信號進(jìn)行矢量相加，并重構(gòu)最終信號，使其能夠表述兩個(gè)環(huán)路的組合。這樣，在歐拉(Euler符號的幫助下，可以通過受模數(shù)A 1和相位1影響的旋轉(zhuǎn)矢量來表述慢通道信號：(, 111cos sin o

6、ut slow V A j =+uuuuuur(3使用類似的符號，可以得出下面的快通道表達(dá)式：(, 222cos sin out fast V A j =+uuuuuu r(4為了對組合這些信號(一旦所有環(huán)路閉合后在反饋引腳上觀測到的信號的最終增益曲線進(jìn)行重構(gòu)和繪圖，需要分離兩條通道的實(shí)數(shù)和虛數(shù)部分，并將它們相加：(1122Re cos cos FB V A A X =+=uuu r(5(1122Im sin sin FB V A A Y =+=uuu r(6最后獲得的旋轉(zhuǎn)矢量將是下面的形式：www.eetchina .comFB V X jY =+(7從中可以提取出模數(shù)和輻角：FB =uuu

7、 r (81arg tan FB Y V X =uuu r (9根據(jù)對等式8進(jìn)行20log 10求解的結(jié)果和等式9返回的相位進(jìn)行繪圖就可以得出所期望的波特圖。將網(wǎng)絡(luò)分析儀與數(shù)據(jù)組合在一起的一個(gè)真實(shí)案例為了驗(yàn)證假設(shè)的有效性，本文基于傳統(tǒng)的UC3843控制器構(gòu)建了一個(gè)65 W電源。該電源的內(nèi)部運(yùn)算放大器通過上拉電阻連接至參考電壓而被禁用。圖4就是這個(gè)65 W電源的原理圖：T186H-62320.18 : 1 : 0.25 圖4：基于UC3843控制器并在次級采用TL431的19V/3A電源適配器原理圖。先開始掃描慢通道，而快通道通過直流電壓源偏置至19 V(輸出電壓值，如圖5a 所示。www.ee

8、tchina .comLfilt 圖5a：慢通道單獨(dú)偏置，第二個(gè)環(huán)路采用交流掃描。注入電壓源采用1個(gè)寬帶隔離器件和1個(gè)33電阻來實(shí)現(xiàn)。電壓探頭用于測量相對于地的環(huán)路輸入和輸出信號。網(wǎng)絡(luò)分析儀直接計(jì)算1020log Ch B Ch A 。圖5b 給出了相應(yīng)的波特圖。 -100-80-60-40-200204060801001. 05Fr eq (Hz482684圖5b：用網(wǎng)絡(luò)分析儀獲得的慢通道環(huán)路響應(yīng)。鑒于(R upper = R 12+R 10, C zero = C 6所形成的原極點(diǎn)，慢通道環(huán)路增益起始斜率為-1。功率級極點(diǎn)頻率f p 約為20 Hz，對應(yīng)于：1p load outf R C

9、 =，其中是R load 是輸出負(fù)載電阻，C out是電容C 5a 和C 5b 之和。經(jīng)過極點(diǎn)頻率f p 之后，功率級增益以-2的斜率下降，直至它達(dá)到由2類補(bǔ)償器的(R pullup , C pole 所形成的8 kHz極點(diǎn)：12pc pullup pole f R C =。至此已獲得了慢通道環(huán)路波特圖，接下來就能夠?qū)⒕W(wǎng)絡(luò)分析儀數(shù)據(jù)導(dǎo)出至電子表格。該表格共有3列，分別是頻率(Hz、幅值(dB和相位(度。然后使用歐拉符號即可計(jì)算出慢通道矢量的實(shí)數(shù)和虛數(shù)部分：(, 11111cos sin out slow V A j x j y =+=+uuuuuur(10電子表格將計(jì)算下列等式：1/20111

10、0cos 180A x =(11a 和1/201110sin 180A y =(12a對應(yīng)這些等式的電子表格語法是：(11110; /20PI(/180x POWER A COS = (13(11110; /20PI(/180y POWER A SIN =(14在完成慢通道測量后，還必須針對快通道環(huán)路進(jìn)行相同的操作。先向快通道注入交流信號，同時(shí)慢通道斷開與輸出電壓的連接，并采用直流電壓源進(jìn)行偏置。這個(gè)直流電壓必須手動調(diào)節(jié)以固定對應(yīng)于所采用的輸出負(fù)載的工作點(diǎn)。由于TL431對微小的電壓變化非常敏感，可以在直流源和電阻分壓器之間使用一個(gè)電阻來調(diào)節(jié)輸出電壓(見圖6a。 圖6a：針對快通道掃描，慢通道

11、要從轉(zhuǎn)換器輸出端進(jìn)行交流去耦。圖6b 詳細(xì)給出了快通道環(huán)路響應(yīng)。功率級極點(diǎn)頻率f p 約為20 Hz，對應(yīng)于：1p load outf R C =。經(jīng)過f p 之后，功率級增益以-1的斜率下降，直到它達(dá)到由2類補(bǔ)償器的(R pullup , C pole 所形成的8kHz 極點(diǎn)：12pc pullup pole f R C =。在圖4所示原理圖中，C pole 對應(yīng)C 11，而上拉電阻R pullup 對應(yīng)的是R 7。 -100-80-60-40-200204060801001. 05Fr eq (Hz180144108723662840圖6b：利用網(wǎng)絡(luò)分析儀獲得的快通道環(huán)路響應(yīng)，慢通道采用直

12、流電源進(jìn)行外部偏置。一旦網(wǎng)絡(luò)分析儀數(shù)據(jù)導(dǎo)出至電子表格，就可以計(jì)算快通道環(huán)路矢量的實(shí)數(shù)和虛數(shù)部分：2/202210cos 180A x =(11b2/202210sin 180A y =(12b然后將實(shí)數(shù)和虛數(shù)部分相加，獲得總環(huán)路矢量： (2121FB V x x j y y X jY =+=+uuu r(15最后，通過在電子表格中輸入公式8和9，就可以提取出最終環(huán)路增益和相位：(2022;10gain Loop LOG SQRT X Y =+ (16(/phase Loop DEGREES ATAN Y X =(17圖7是重構(gòu)的環(huán)路增益和相位波特圖。L o o p g a i n a n d

13、p h a se 10100100010000100000Fr e q (H z 圖7：結(jié)合從各個(gè)單個(gè)環(huán)路測量中獲得的信息得到的最終波特圖。1. 環(huán)路增益和相位2. 最終Mag 3. 最終相位正激轉(zhuǎn)換器上的加權(quán)反饋可以在多輸出電源中運(yùn)用相似的方法。在這種多輸出電源應(yīng)用中，兩個(gè)不同電壓輸出采用公共的TL431并使用加權(quán)和配置進(jìn)行穩(wěn)壓(見圖8。在考慮了反饋中每路輸出的相對加權(quán)值情況下，可以計(jì)算將每個(gè)輸出連接至TL431參考引腳的電阻。Vout 2Vout 1 Primary sideSecondary side圖8：采用兩路輸出加權(quán)反饋配置連線的TL431。通過將加權(quán)值應(yīng)用于精度或負(fù)載約束比其它路

14、更為重要的特定輸出，這種技術(shù)提供了一種改善多輸出轉(zhuǎn)換器中交叉穩(wěn)壓問題的方法。當(dāng)然，所有加權(quán)值之和最后必須等于100%。在ATX 電源領(lǐng)域，在所謂的“銀盒”中經(jīng)常會遇到加權(quán)反饋現(xiàn)象，圖13給出了這種轉(zhuǎn)換器的簡化雙路輸出版本。在這個(gè)雙開關(guān)正激轉(zhuǎn)換器中，兩路輸出(5V和12V 也會通過各自輸出電感耦合。每路輸出在采用了具有2類補(bǔ)償特性的TL431的控制環(huán)路中各占50%。 1u圖9：采用TL431進(jìn)行加權(quán)反饋的雙開關(guān)正激電源原理圖。需要測量的環(huán)路有兩個(gè)：一個(gè)是觀測+12V輸出的快通道和慢通道組合，另一個(gè)是通過慢通道進(jìn)入TL431的+5 V環(huán)路。前面已經(jīng)提到，在控制器的反饋輸入端測量環(huán)路并不實(shí)際。要正確

15、地測量反饋環(huán)路的增益和相位，必須在低阻抗節(jié)點(diǎn)(在電源輸出端和高阻抗節(jié)點(diǎn)(在控制端之間注入交流激勵信號。當(dāng)如上所述(即在電源輸出和反饋電路之間的交流激勵注入完成時(shí)，狀況將得到優(yōu)化：觀測點(diǎn)的輸出阻抗低，而反饋通道的輸入阻抗高。但如果想要將光耦合器和控制器反饋引腳之間的環(huán)路打開，狀況就不太有利了：光耦合器的輸出阻抗高(這是共射極配置中的上拉電阻，而反饋(FB引腳的輸入阻抗有時(shí)會受內(nèi)部分壓器或上拉電阻(本例中上拉電阻為5k的影響。雖然仍有可能使用分立緩沖器，如圖10所示，但它很明顯會使設(shè)置復(fù)雜化。然而，這種方法畢竟起作用，我們記錄下了測量結(jié)果以供參考。 圖10：NPN緩沖器允許在初級進(jìn)行環(huán)路測量。根據(jù)

16、上述介紹，接下來將單獨(dú)測量兩個(gè)環(huán)路中的一個(gè)，同時(shí)采用外部直流電源對另一個(gè)環(huán)路進(jìn)行偏置，就象之前所做的那樣。各個(gè)測量結(jié)果如圖11和圖12所示。最后，采用Excel 電子表格整合這兩個(gè)測試結(jié)果得到圖13所示的結(jié)果。 圖11：采用網(wǎng)絡(luò)分析儀獲得的快通道和12V 慢通道環(huán)路響應(yīng)。 Gain (dB 80 60 40 20 0 -20 -40 -60 -80 10 100 1000 10000 5 V slow lane gain 5 V slow lane phase Phase 180 135 90 45 0 -45 -90 -135 -180 100000 圖 12：采用網(wǎng)絡(luò)分析儀獲得的 5 V 慢通道響應(yīng)。 正如預(yù)料的那樣，雙環(huán)測量如今在整個(gè)頻率范圍內(nèi)都有效，低頻時(shí)的增益呈-20dB/10 倍頻的恒定斜率變化，而相位在交叉頻率之后保持下降。為了驗(yàn)證這種方法的有效 性，在圖 13 中增加了使用圖 10 中 NPN 緩沖器所獲得的測量結(jié)果。從圖 13 可以看出， 交叉頻率鄰近處的增益和相位曲線非常相似。 Combined loops - gain NPN buffer - gain Combined