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Buck环路的设计分析

eeDesigner 2023-04-06 14:50 次阅读

1. 基本概念介绍。
buck电路是我们开关电源中应用较为广泛的拓扑结构,在实际应用的过程中,我们要求不管是输入电压发生变化还是负载电流发生变化,其输出都是要保持相对稳定。如何实现buck在各种负载条件下正常输出,其背后的环路设计的重要性就显得不言而喻。
一个buck电路就是一个电源系统,系统要实现稳定必须依靠内在的控制环路来实现,以峰值电流模式控制的buck电路为例,其负反馈系统可以时刻保持对输出进行采样,通过比较器进行PWM调节,使得输出保持稳定,对于一个buck电路而言,其反馈网络的等效框图可以用下图进行表示:

poYBAGQud7aAGSyYAAAsHiOTMUE353.jpg

其中输入电压代表给定Rs,输出电压代表Cs,环路的增益就可以表示为T(s)=X(s)G(s)H(s),环路的增益包含了功率级的传递函数和补偿环节的传递函数,对于一个具体buck电路系统而言,其补偿环节,功率级,又是如何与等效结构框图相对应的呢?

2.buck

电路功率级和补偿环节介绍。

如图所示Buck环路的功率级主要与输入,输出电容C,电感L 相对应的,其功率级所对应的传递函数可以理解为系统本身所固有的传递函数,电容电感的取值,不同的控制方式,以及负载电流的大小,都可以对功率级传递函数产生影响。补偿环节:主要与comp比较器,上下分下电阻,等反馈环路有关,其决定的系统的补偿传递函数用于调节系统的性能。

poYBAGQryLaAQE4mAABokSqjBeI752.png

3.buck 电路环路设计的目标
环路设计的目标是要有足够的相位裕量,适当带宽和高直流增益(如下图所示)以次满足系统对稳定性、良好的动态响应的要求。

pYYBAGQryLeAQnl1AAAdK54srIM782.png


4.buck****电路功率级等效模型的建立及其波特图分析
在分析buck功率级回路的时候,我们采用小信号建模法,可以将buck电路的功率级等效为电感作为电流源的控制回路,如下图所示。并且根据传递函数 PS_((S) )= v_0(s) /v_c(s) =R/R_i (1+sR_c C)/(1+sRC) 绘制出其波特图。其中Rc表示输出电容的esr,Ri是电流的感应增益。单纯看buck电路的功率级,其初始的增益很低不能满足系统相应的准确性,除此外其带宽,以及相角都不能满足设计的要求。

pYYBAGQueBeAMJsyAAAlat_YnZ0757.jpg


5. Type- Ⅱ补偿网络。
为了弥补buck功率级,我们就需要采用补偿网络对环路进行补偿,这里以我们常用的 电压型Type-Ⅱ补偿网络为例。

pYYBAGQryL-AJsDUAAAtGvYgh00580.pngpoYBAGQryMKABL6fAAAWQh-Yq_I248.png

可以得到Type-Ⅱ补偿网络的传递函数为

pYYBAGQryMSATwowAAAEMYhBWD0890.png

由传递函数可知该补偿环节有一个零极和两个极点,画出其波特图,分析其幅频和相频特性可知补偿网络有较高的直流增益,同时相位裕量提高到最大90度,这种特性可以满足绝大部分电源应用的需求。
6. 环路设计。
在充分认识和了解buck电路的功率级和我们常用的Type-Ⅱ补偿网络之后,下面将介绍如何放置Type-Ⅱ补偿环节的零极点对buck环路的功率级的零极点进行改造,使得两者叠加后达到我们环路设计的要求。
如下图所示即为控制环路补偿示意图,其中|PS|是buck环路功率级的波特图,与前文提到的不同之处这里是考虑了电感、斜率补偿和采样保持等因素从而得到的更为精确的模型的波特图。 |EA|则代表的是Type-Ⅱ补偿网络的波特图,最终通过两者的叠加我们可以得到最终的buck环路的波特图|T|。

poYBAGQryMaADrKbAAAVj6vXOvk756.png


通常将Ⅱ型补偿网络的低频零点放置于功率级的低频零点附近,使得补偿后的环路在中频段以-20dB/Dec衰减;补偿网络的高频极点放置于功率级电解电容ESR的高频零点附近,使得补偿后的环路在高频段继续衰减设计使得穿越频率PSFc位于1/20 Fsw。

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