昂宝开关电源环路设计与计算

OnOn--Bright confidentialBright confidential 1 开关电源环路设计与计算 On-Bright Electronics (Shanghai) Co. Ltd On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 2 内容 „ 开关电源简介 „ 开关电源环路分析(以反激变换器为例) „ 开关电源的环路补偿(以反激变换器为例) „ 一个基于OB2263的12W电源环路设计实例 „ 讨论 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 3 „ 用途：AC/DC， DC/DC， DC/AC (inverter) „ 基本拓扑结构： ¾ 非隔离型：Buck， Boost， Buck-Boost…… ¾ 隔离型： Forward, Flyback, Half Bridge, Full Bridge, Push-Pull ¾ 整流型： 全桥型整流 全波型整流 同步整流(SR) 开关电源简介 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 4 开关电源简介 „ 调制方式 ¾ PWM (pulse width modulation) ¾ PFM (pulse frequency modulation) ¾ 其它衍生调制方式 „ 控制模式 ¾ 电压模式 ¾ 电流模式 „ 开关电源系统可分为两大块 ¾ 负反馈回路(feedback loop) ¾ 保护功能(OVP, OCP, OTP ……)On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 5 开关电源系统基本组成部分 (Voltage Mode PWM System) On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 6 开关电源环路分析和设计流程 „ 确定环路基本组成模块， 辨认环路。 ¾ EA (error amplifier) ¾ Compensation network ¾ Power Stage ¾ PWM Stage „ 画出环路的信号流程图, 确定环路的小信号传输函数 „ 确定环路的带宽, 设计补偿网络 „ 根据实际应用，设计和调整外围参数 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 7 开关电源环路的小信号传函 „ EA (例如TL431)及其补偿网络的传函 „ PWM Stage传函 „ Power Stage 传函 (可参考[1]) ¾ CCM small signal model ¾ DCM small signal model „ 考虑斜率补偿后的Power stage 传函 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 8 Flyback 系统控制流程图 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 9 TL431 及其等效模型 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 10 Power Stage小信号模型建立流程 1. 建立Power Stage中电感，电容等器件的时域微分方程组 2. 对方程组作状态空间平均化(state space averaging)， 也就 是对一个开关周期内作平均 3. 微扰(perturbation)， 即对方程组作小信号扰动 4. 对方程组作线形化(linearization) 5. 得到等效的小信号模型 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 11 Flyback PWM Stage小信号模型(CCM) „ Power Stage传函: 2'2 1 2'2 221 2 1 ) )1( 1)(1( ')( )( Dn LCs RDn Ls DRn DsLCsR nD V sd sv os o o m o g ++ −−+≈Λ Λ CR w o z 1 1=„ 负载电容ESR 零点: DL DRnw m o rz 22 )1( −=„ 系统右半平面零点: On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 12 右半平面零点(RHZ)的直观理解 „ RHZ在boost, buck-boost, flyback(占空比由输入输出电压和匝比决 定)CCM中都存在,而DCM中没有RHZ。 „ 负载突然增加→输出电压下降→EA+PWM 反应→占空比增大(Wrong Way)→反激时间减小→输出电流减小(通过输出diode)→输出电压下降更多 (临时)。此即典型RHZ响应特性。 „在DCM中，占空比增大导致输出电流增大，故不存在此RHZ On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 13 PWM Stage 的小信号建模 „ 写出时域方程 „ 微扰和线性化 „ 直流方程组、交流小信号方程组 „ PWM Stage小信号模型 ( ) ( ) ( ) pkc pk c VtVfor V tVtd ≤≤= 0 pk c V VD = ( ) ( ) pk c V tvtd )) = ( )tvV cc )+ ( )tdD )+ ( ) ( ) ( ) ( ) ( ) ( )⎪⎪ ⎪ ⎩ ⎪⎪ ⎪ ⎨ ⎧ +=+ += += pk cc ccc V tvVtdD tdDtd tvVtv )) ) ) On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 14 考虑斜率补偿后的Power Stage 传函 „ 电流模式工作的PWM系统的电压环路内嵌入一个局部的电 流环，从而改善系统的瞬态响应 „ 电流模式PWM系统当D>50%时，存在Sub-harmonic震荡 „ 斜率补偿能够消除此震荡 „ 电流环小信号模型 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 15 1 )( −= ssT s e e sTsH „ 采用电流模式控制，等 效在电压环路内引入超 前相位补偿，相当于引 入微分函数He(s): 考虑斜率补偿后的Power Stage传函(CCM) On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 16 „ CCM模式Flyback的斜率补偿 „ Fm: L nVmm L nVm L V m korr o g 22 2 2 1 == = = ( ) sm TmmF 21 1 += 考虑斜率补偿后的Power Stage传函(CCM) On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 17 „ 存在一个与负载等效电阻有关的滤波极点 „ 存在一个电容ESR引起的零点 „ 存在一个右半平面零点，该零点与输入电压、负载、电感量有 关，很难补偿，设计时应该使环路带宽应该远离这个零点，以 减小其影响 ( ) D sCR DRn DsLCsR RVnV VnR sv svsG o m o sensego go FB ++ −−+ +≈= Λ Λ 1 1 ) )1( 1)(1( )2()( )( 0 221 考虑斜率补偿后的Power Stage传函(CCM) On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 18 考虑斜率补偿后的Power Stage传函(CCM) „ 输入电压越低，右半平面 零点频率越低→低压输入 时有不稳 定倾向！ „ 满载条件下的右半平面零 点低于轻载状态→满载有 不稳定倾向！On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 19 DCM模式下Power Stage 小信号传函 ( ) ( ) sCR SCR V V sv sv oo oo FB FB 2 1 1 1 110 + +⋅≈Λ Λ 11 1 /1 2 ooz oo p CRw CR w = = „ 由于Power Stage 无右半 平面零点(RHPZ)，所以相 对于CCM而言，DCM Flyback系统更容易补偿！ On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 20 电流模式与电压模式的直观理解 „ 电压模式是占空比直接调制，变压器电感是开环状态，在外围电压回路 中引入一个DC极点(s=0) „ 电流模式是占空比间接调制，变压器电感是闭环状态。 „ 反激变换器类似于buck-boost架构，以buck-boost为例分析。 „ 无论是电压还是电流模式，CCM中RHZ始终存在，且频率相同。 ( ) ( ) OOIOIL VDVVDVDVV −+=−−= 1 ( ) ( ) ( )dVVDvdVVv OIOOIL ˆ1ˆˆˆ +≅−−+= ( )DII LO −= 1 ( ) dIDii LLO ˆ1ˆˆ −−= sLvi LL /ˆˆ = On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 21 电压模式的信号流程图 ( )siLˆ offdˆ ∫ ( ) dIDii LLO ˆ1ˆˆ −−= dˆ dId sL Vi LIO ˆˆˆ −= On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 22 电流模式的信号流程图 ( )siLˆ offdˆ Vi 1/sL ∫ Vo Gpwm-1 Don→Doff ( ) dIDii LLO ˆ1ˆˆ −−= Variable Gain, is a function of FB and slope compensation FBdˆ ( ) ( )OI L LLO VV IsLiDii + ×−−= ˆ1ˆˆ Rs On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 23 负反馈环路稳定性 „ 环路增益[loop gain T(s) T(s)包含了系统稳定性信息] „ 幅频-相频曲线，波特图 „ 单位增益带宽(frequency @ T=0dB) „ 相位裕量(Phase margin) >45° „ 增益裕量(Gain margin) >-12dB On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 24 1.左半平面极点: 增益衰减，引起-90度相移 右半平面极点: 不稳定，导致系统震荡 左半平面零点： 增益增大，引起90度相移 右半平面零点: 增益增大，引起-90度相移 2.负反馈系统DC固有180度相移， 系统的剩下的零极点将对 系统稳定性产生影响。 3.系统的环路补偿必须使系统满足稳定性条件，而且要考虑 所有负载和所有电压输入的情形。 4.在flyback系统中，为了减小右半平面零点影响，可取单 位增益带宽为1/6-1/10fs(开关频率) 零极点对环路稳定性的影响及环路带宽选择标准 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 25 环路的补偿考虑 „ 环路需要补偿以获得足够的相位裕量(Phase margin) 和增益 裕量(Gain margin)，因为环路存在很多零极点， 低频的或 者高频的。 „ 环路补偿的目的是：在带宽内等效为单极点系统. 环路单 位增益带宽内只有一个极点(一个导致90°相移， 从而系 统有180-90=90°相位裕量)， 或者一个极点和一个零极点 对(这样等效为环路带宽内只有一个极点)... „ 通常补偿网络放在EA (error amplifier, 例如TL431)的输入输 出跨接，或者输出到地。在环路的其他地方，根据实际情 况也可以适当引入一些零点或者极点以抵消环路带宽外的 一些高频极点或者零点。O n- Bri gh t C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 26 环路的补偿方法(1): 单极点补偿 „ 补偿网络产生一个s=0(DC)极点 „ 把控制带宽拉低，在功率部分或加有其他补偿的部分相位达 到180度以前使其增益降到0dB „ 补偿所需元器件少，但闭环带宽小，暂态响应慢O n- Bri gh t C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 27 环路的补偿方法(2): 极点-零点补偿 „ 常用的补偿方式.补偿网络产生一个s=0(DC)极点，而且通常 负载及其滤波电容会产生一个低频极点， 所以补偿网络需 要产生一个零点，而且位于系统带宽之内以稳定系统。 „ 补偿网络的高频极点抵消输出滤波电容的ESR零点。O n- Bri gh t C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 28 „ 复杂，适用于输出带LC滤波的拓扑结构中. „ 补偿网络产生一个s=0(DC)极点，以及两个零点和两个极点， 其中两个零点补偿输出LC滤波引起的双极点。补偿网络的高 频极点抵消输出滤波电容的ESR零点。 „ 系统带宽在一定频率范围内稳定 环路的补偿方法(3): 双极点-双零点补偿 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 29 反激变换器反馈回路的设计[采用补偿方法(2)] „ 确定环路带宽fc：对于CCM工作模式，应将fc设定在低于1/3 右半平面(RHP)零点的频率上， 以最大限度地减小RHP零点 的影响。对于DCM模式，可将fc设定在较高的频率上，因为 此时没有RHP零点。 „ 当采用附加LC滤波器时，应将fc设定在低于1/3LC滤波谐振 频率的地方以减小其影响，因为LC滤波器会导致系统电压回 路有180°相移。 „ 确定EA及其补偿网络的中频增益以抵消fc处的Power Stage增 益。 „ 将EA补偿网络产生的零点设置在fc/3附近。 „ 将EA补偿网络产生的极点设置在3fc以上。O n- Bri gh t C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 30 Power Stage Gain Gain of EA with Compensation Network Total Loop Gain 采用补偿方法(2) 的系统增益图 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 31 一个基于OB2263的12W反激变换器的控制 回路设计案例 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 32 OB2263简介 „ OB2263是昂宝电子推出的“绿色引擎”系列芯片之一的 适用于中低功率的高性能、高度集成的电流模式PWM控 制器。 „ 相对于OB2262， OB2263内置了昂宝电子专利的频谱扩展 技术以降低传导EMI。 „ 内置的Duty Cycle OCP补偿减小系统外围器件。 „ 昂宝电子专利的“Extended Burst mode”技术能大大提高 系统待机时的效率。 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 33 OB2263 控制芯片内部模块图 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 34 OB2263 控制芯片典型应用图 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 35 OB2263 系统控制流程图 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 36 基于OB2263的12W反激变换器控制回路设计实例 已知参数： ¾ 输入电压：90-264Vac ¾ 输入频率：47-63Hz ¾ 输出12V/1A（Po=12W），最低0.3A(CCM) ¾ 效率> 75%（Pin=12W） ¾ 初级电感量2.6mH ¾ 初级匝数140T 次级匝数 23T ¾ 输出滤波电容 220+470=690uF ¾ ESR=55mΩ/470UF ¾ 开关频率 fs=50kHz ¾ 电流检测电阻Rs=1.5欧姆 ¾ 占空比Dmax=0.48 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 37 Power Stage传递函数 采用极点-零点补偿放大器，传递函数 (参看附录) 1) 确定Power Stage直流增益 D sCR DRn DsLCsR RVnV VnR sv svsG o m o sensego go FB ++ −−+ +≈= Λ Λ 1 1 ) )1( 1)(1( )2()( )()( 0 221 25 15 113 1 11 2 CsR CsR CsRR RK v v FB o FB + +⋅⋅⋅ ⋅−=Λ Λ dB RD DnR RVnV VnR A sense o sensego go DC 7.241.175.148.1 52.01209.6 )1( )1( )2( =≈× ××=+ −=+= 基于OB2263的12W反激变换器控制回路设计实例 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 38 2) 确定最大的闭环系统单位增益带宽fc ¾ 右半平面零点频率 ¾ 开关频率fs=50kHz，所以选择单位增益带宽fc=1.5K 3) 确定输出滤波器极点。电源负载最轻时，输出滤波器极点位置最低 4) 确定在fc处使Power Stage增益提升到0dB所需要增加的增益 量 K DL DRnf m o RHPZ 77.1448.0107.22 52.01209.6 2 )1( 3 2222 =××× ××=−= −ππ Hz CR f oL fp 77.5 10690 3.0 122 1 2 1 6 = ××× == −ππ dBG f fG DC fp xo xo 6.237.248.3 1500lg20lg20 =−=−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= 1.1510 20 == ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ xoG xoA 基于OB2263的12W反激变换器控制回路设计实例 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 39 5) 确定EA补偿网络的零点和极点的位置 6) 计算EA补偿网络的参数 已知TL431参考电位Vref=2.5V，光藕PC817A传输比为K≈1，导通压压 降为Vfd=1.2V，最大工作电流为Ifmax=10mA， 计算R1, R2, R3, R4, C1, C2, C5 1. 取为R2=9.3K，则R1为 取R1=51K 2. 根据PC817A的最大工作电流选择R3，TL431的最小工作电流选择R4 Ifbmax=5V/Rfb=5/6K=0.83mA Ifbmin=(5-Vfb)/Rfb=(5-4.2)/6K=0.13mA k Vref VRR o 22.50121 =−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛= 基于OB2263的12W反激变换器控制回路设计实例 KHzff Hzff cep cez 5.43 5003/ => == ( ) 830 10 5.22.112)(3 max =−−=+−≥ mAI VVVo R f refFD 取 KHzfep 5= On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 40 取R3=1k R4=1k 3. 计算EA补偿网络参数C1, C2, C5 取C1=4700pF, C2=470pF, R5=84K 误差放大器提升的相位量如下： 基于OB2263的12W反激变换器控制回路设计实例 k mA mAk I K IRV R KA FB FD 33.1 1 1 13.012.1)3( 4 min min = ⋅+ = ⎟⎠ ⎞⎜⎝ ⎛ ⋅+ ≤ nF kRf C ez 7.3 6.855002 1 2 1 5 1 =××== ππ K k kk RK RRAR FB xo 6.8563 51121.152 135 =× ×××=⋅ ⋅⋅= nF KkRf C ep 37.0 6.8552 1 2 1 5 2 =××=××= ππ 00 5.69)90(90 =⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−−⎟⎟⎠ ⎞ ⎜⎜⎝ ⎛−≈ c RHPZ c ex Boost f farctg f farctg οϕOn -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 41 补偿后环路带宽以及实际零极点频率分布为： 1) 补偿网络产生的s=0 (DC)极点 2) 输出滤波极点: f=5.8Hz (轻载） 3) 补偿网络产生的零点: f=394Hz (C1=4.7nF) 4) 单位增益带宽: fc=1.5KHz 5) 输出滤波电容ESR产生的零点： 6) 补偿网络产生的高频极点：f=4KHz (C2=470pF) 7) Flyback系统Power Stage 右半平面零点：f=14.77KHz 8) 其他高频极点：比如FB端口的RC产生的极点，等等 基于OB2263的12W反激变换器控制回路设计实例 KHzf ESRz 2.41069010552 1 63min)( =××××≈ −−− π On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 42 附录: 431及其补偿网络传函的推导(补偿方法2) 整理上式，则传递函数为 6K ( ) sCR sCR sCRR vI R sCR sCR sCR vv I CCif sCR sCR sCR vv R vVv I IkI RIv oLED o o LED o z zfo LED LEDFB FBFBFB 25 15 113 3 25 15 11 21 25 15 11 3 1 11 1 1 1 1 + +⋅⋅≈ + +⋅+ = >>+ +⋅−≈ +−= ⋅= ⋅−= sCR sCR sCRR RK v v FB o FB 25 15 113 1 11 + +⋅⋅⋅−=Λ Λ On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 43 1) 以反激变换器为例讨论了开关电源环路分析方法 2) 以反激变换器为例讨论了开关电源环路补偿方法 3) 一个基于OB2263的12W系统的环路参数设计实例 总结 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 44 1. “Fundamentals of Power Electronics”, Second Edition, Robert W Erickson, Dragan Maksimovic, University of Colorado, Kluwer Academic Publishers. ISBN 0-7923-7270-0, 2000 2. OB2263 datasheet 参考文献 On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao OnOn--Bright confidentialBright confidential 45 Thank you Any Questions？ On -B rig ht C on fid en tia l to Te np ao