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如何設計具有COT的穩(wěn)定Fly-Buck轉換器(第1部分)

發(fā)布時間:2020-03-19 來源:德州儀器 Xiang Fang 責任編輯:wenwei

【導讀】Fly-Buck™ 轉換器拓撲被公認為是一種多功能的隔離式偏置電源,其在各類應用中得到了越來越多的關注。同步降壓轉換器可以配置成 Fly-Buck,但并非所有控制方法都能簡單應用于這種拓撲。
 
http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80037879
圖 1. 紋波注入網(wǎng)絡 Rr、Cr 和 Cac
 
LM5017 是一款支持恒定導通時間 (COT) 控制的 100V 同步降壓穩(wěn)壓器,特別適合 Fly-Buck。COT 不需要補償網(wǎng)絡,可簡化 Fly-Buck 設計,而且 Fly-Buck 的設計流程與普通降壓設計或多或少有些相似。LM5017 產(chǎn)品頁面上有很多設計實例。不過,有個問題還是會被經(jīng)常問起:如何設計穩(wěn)定的 COT Fly-Buck?答案可能很簡單,但背后的解釋可能則會很復雜。我們將通過兩篇文章加以說明:本文我們將重點討論技術分析,第二篇文章則將針對設計進行逐步指導。
 
http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80037879
 
顧名思義,占空導通時間是在給定輸入電壓下進行 COT 控制時的固定常數(shù)。關斷時間可通過反饋引腳電壓 (Vfb) 紋波來調制:當 Vfb 低于內部參考電壓 (Vref) 時,就會觸發(fā)下一個周期開關。紋波注入網(wǎng)絡(如圖 1 所示)通常用來生成 Vfb 紋波,因為它不僅可避免對輸出紋波的依賴,而且還允許將低 ESR 陶瓷電容器用作輸出電容器。注入紋波可仿真電感器電流紋波,其幅值約為: 。由于在 Fly-Buck 轉換器中變壓器的磁化電流與降壓穩(wěn)壓器中的三角波形相同,因此設計 Fly-Buck 的紋波注入網(wǎng)絡與降壓轉換器的相關設計相同。
 
關斷時間會隨 Vfb 紋波信號變化而變化,以對 COT 控制輸出進行穩(wěn)壓,因此它不能被視為恒定頻率控制系統(tǒng)。在電流模式與電壓模式控制法中將系統(tǒng)近似為非時變的經(jīng)典小信號模型在這里并不適用。這就是為什么 COT 控制的傳輸函數(shù)不能像其它控制法那樣被明確導出的原因所在。在文獻中,描述函數(shù)的方法可用來對 COT 控制進行建模。偏移問題相當復雜,已超出了本文所討論的范圍,不過通過分析得到的穩(wěn)定性標準可簡化為:
 
http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80037879
 
這個不等式不是很直觀,但能看出幾個問題。Rr×Cr 項與注入紋波幅值成反比,說明大量紋波可帶來穩(wěn)定的穩(wěn)壓效果。不過,添加至反饋信號的 AC 紋波會導致不良 DC 漂移,因此應使其適當保持為較小值。對于 LM5017 而言,在反饋引腳位置需要最低 25mV 的紋波。此外,從不等式還可以看出,增大電感和輸出電容有助于滿足該標準要求。電感器通常由紋波電流和開關頻率等其它電源技術參數(shù)決定,而輸出電容可能更便于調節(jié)。應采用足夠的電容,而且不能忽略 DC 偏置對降低陶瓷電容的影響。
 
紋波注入網(wǎng)絡的第三個組件是 AC 耦合電容器 Cac。它可為 FB 引腳旁路生成紋波的 AC 組分,而且它不是一個會對開關穩(wěn)定性產(chǎn)生影響的重要組件。Cac 和反饋電阻分壓器 RFBT 與 RFBB 可形成高通濾波器,其截止頻率 (Fc) 應該足夠低才能讓紋波通過。推薦的 Fc 值可設定為小于開關頻率的 1/10,即: 
 
http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80037879
 
較小的 Cac 有助于獲得更快的瞬態(tài),建議將 Cac 設定為小于 Cr。同樣,這里的影響很小,而且 Cac 值在設計中并不是關鍵所在。
 
簡而言之,采用 LM5017 COT 降壓穩(wěn)壓器的 Fly-Buck 設計可歸結為三個不等式,用以檢查穩(wěn)定性:
 
1. 穩(wěn)定性標準:
 
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2. 紋波電壓要求:
 
http://www.yonglehk.com/art/artinfo/id/80037879
 
3. 紋波 AC 耦合要求:
 
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請注意,Ton(max) 和 Dmax 都發(fā)生在最低 Vin 條件下。在實際 Fly-Buck 設計中,只有第一個穩(wěn)定性標準是關鍵項,應留出一些裕量。在設計 Fly-Buck 時,先從紋波注入網(wǎng)絡的一些初始值開始,對以上三個不等式進行檢查,然后對電路參數(shù)進行相應調節(jié)和迭代。在下一部分中,我們將針對在 Fly-Buck 設計中實施這些內容進行逐步指導。還有什么問題嗎?
 
參考資料:
 
1.EDN:產(chǎn)品指南:Fly-Buck 無需光耦合器即可為降壓電路提供具有良好穩(wěn)壓的隔離式輸出
2.應用手冊《設計隔離式降壓 (Fly-Buck) 轉換器的 AN-2292》
3.Tian, S,《陶瓷電容器恒定導通時間 V2 控制的小信號分析與設計》碩士論文,佛吉尼亞理工大學 2012 年
4.德州儀器的寬泛 Vin DC/DC 電源解決方案
 
 
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