1、On On- -Bright confidential Bright confidential 1 开关电源环路设计与计算 On-Bright Electronics (Shanghai) Co. Ltd On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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-Bright Confidential to TenpaoOn On- -
2、Bright confidential Bright confidential 3 用途：AC/DC， DC/DC， DC/AC (inverter) 基本拓扑结构： 非隔离型： Buck， Boost， Buck-Boost 隔离型： Forward, Flyback, Half Bridge, Full Bridge, Push-Pull 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-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 4 开关电源简介 调制方式
3、PWM (pulse width modulation) PFM (pulse frequency modulation) 其它衍生调制方式 控制模式 电压模式 电流模式 开关电源系统可分为两大块 负反馈回路(feedback loop) 保护功能(OVP, OCP, OTP ) On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 5 开关电源系统基本组成部分 (Voltage Mode PWM System) On-Bright Confidential to TenpaoOn On-
4、 -Bright confidential Bright 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。 EA (error amplifier) Compensation network Power Stage 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-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 7 开关电源环路的小信号传函 EA (例如T
5、L431)及其补偿网络的传函 PWM Stage传函 Power Stage 传函 (可参考1) CCM small signal model DCM small signal model 考虑斜率补偿后的Power stage 传函 On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 8 Flyback 系统控制流程图 On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 9 TL
6、431 及其等效模型 On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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-Bright Confidential
7、 to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 11 Flyback PWM Stage小信号模型(CCM) Power Stage传函: 2 2 1 2 2 2 2 1 2 1 ) ) 1 ( 1 )( 1 ( ) ( ) ( D n LC s R D n L s D R n D sL Cs R nD V s d s v o s o o m o g + + + C R w o z 1 1 = 负载电容ESR 零点: D L D R n w m o rz 2 2 ) 1 ( = 系统右半平面零点: On-Bright Conf
8、idential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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-Bright Confidential to Tenp
9、aoOn On- -Bright confidential Bright 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 () () () pk c pk c V t V for V t V t d = 0 pk c V V D = () ( ) pk c V t v t d ) ) = ( ) t v V c c ) + ( ) t d D ) + () () () () () () + = + + = + = pk c c c c c V t v V t d D t d D t d t
10、 v V t v ) ) ) ) On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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D50%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-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 1
11、5 1 ) ( = s sT s e e sT s H 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-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 16 CCM模式Flyback的斜率补偿 Fm: L nV m m L nV m L V m korr o g 2 2 2 2 1 = = = = () s m T m m F 2 1 1 + = 考虑斜率补偿后的Power Stage传函
12、(CCM) On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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 s CR D R n D sL Cs R R V nV V nR s v s v s G o m o sense g o g o FB + + + + = 1 1 ) ) 1 ( 1 )( 1 ( ) 2 ( ) ( )
13、 ( 0 2 2 1 考虑斜率补偿后的Power Stage传函(CCM) On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 19 DCM模式下
14、Power Stage 小信号传函 () () s C R S C R V V s v s v o o o o FB FB 2 1 1 1 1 1 0 + + 1 1 1 / 1 2 o o z o o p C R w C R 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-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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
15、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。 ( ) ( ) O O I O I L V D V V D V D V V + = = 1 ( ) ( ) ( )d V V D v d V V v O I O O I L 1 + + = ( ) D I I L O = 1 ( ) d I D i i L L O 1 = sL v i L L / = On-Bright Confidential to Te
16、npaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 21 电压模式的信号流程图 ( ) s i L off d () d I D i i L L O 1 = d d I d sL V i L I O = On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 22 电流模式的信号流程图 ( ) s i L off d Vi 1/sL Vo Gpwm -1 Don Doff () d I D i i L L O 1 = Variable Ga
17、in, is a function of FB and slope compensation FB d () () O I L L L O V V I sL i D i i + = 1 Rs On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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) -1
18、2dB On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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-
19、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-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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
20、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。 On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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 On
21、-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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。 On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 28 复杂，适用于输出
22、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-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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。
23、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。 On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 30 Power Stage Gain Gain of EA wi
24、th Compensation Network Total Loop Gain 采用补偿方法(2) 的系统增益图 On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 31 一个基于OB2263的12W反激变换器的控制 回路设计案例 On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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
25、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-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 33 OB2263 控制芯片内部模块图 On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential B
26、right confidential 34 OB2263 控制芯片典型应用图 On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 35 OB2263 系统控制流程图 On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 36 基于OB2263的12W反激变换器控制回路设计实例 已知参数： 输入电压：90-264Vac 输入频率：47-63Hz 输出12V/1A（Po=12W），最低0
27、.3A(CCM) 效率 75%（Pin=12W） 初级电感量2.6mH 初级匝数140T 次级匝数 23T 输出滤波电容 220+470=690uF ESR=55m/470UF 开关频率 fs=50kHz 电流检测电阻Rs=1.5欧姆 占空比Dmax=0.48 On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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 s CR D R n D sL Cs R R
28、 V nV V nR s v s v s G o m o sense g o g o FB + + + + = 1 1 ) ) 1 ( 1 )( 1 ( ) 2 ( ) ( ) ( ) ( 0 2 2 1 2 5 1 5 1 1 3 1 1 1 2 C sR C sR C sR R R K v v FB o FB + + = dB R D D nR R V nV V nR A sense o sense g o g o DC 7 . 24 1 . 17 5 . 1 48 . 1 52 . 0 12 09 . 6 ) 1 ( ) 1 ( ) 2 ( = = + = + = 基于OB2263的12
29、W反激变换器控制回路设计实例 On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 38 2) 确定最大的闭环系统单位增益带宽fc 右半平面零点频率 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 D L D R n f m o RHPZ 77 . 14 48 . 0 10 7 . 2 2 52 . 0 12 09 . 6 2
30、) 1 ( 3 2 2 2 2 = = = Hz C R f o L fp 77 . 5 10 690 3 . 0 12 2 1 2 1 6 = = = dB G f f G DC fp xo xo 6 . 23 7 . 24 8 . 3 1500 lg 20 lg 20 = = = 1 . 15 10 20 = = xo G xo A 基于OB2263的12W反激变换器控制回路设计实例 On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 39 5) 确定EA补偿网络的零点和极点的位置
31、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K1，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 V R R o 22 . 50 1 2 1 = = 基于OB2263的12W反激变换器控制回路设
32、计实例 KHz f f Hz f f c ep c ez 5 . 4 3 500 3 / = = = ( ) 830 10 5 . 2 2 . 1 12 ) ( 3 max = = + mA I V V Vo R f ref FD 取 KHz f ep 5 = On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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OB2
33、263的12W反激变换器控制回路设计实例 k mA mA k I K I R V R KA FB FD 33 . 1 1 1 13 . 0 1 2 . 1 ) 3 ( 4 min min = + = + nF k R f C ez 7 . 3 6 . 85 500 2 1 2 1 5 1 = = = K k k k R K R R A R FB xo 6 . 85 6 3 51 1 2 1 . 15 2 1 3 5 = = = nF K k R f C ep 37 . 0 6 . 85 5 2 1 2 1 5 2 = = = 0 0 5 . 69 ) 90 ( 90 = c RHPZ c ex
34、 Boost f f arctg f f arctg On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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
35、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 KHz f ESR z 2 . 4 10 690 10 55 2 1 6 3 min) ( = On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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 () s C R s C R s C R R v I R s C R s C R s C R v v
36、 I C C if s C R s C R s C R v v R v V v I I k I R I v o LED o o LED o z z f o LED LED FB FB FB FB 2 5 1 5 1 1 3 3 2 5 1 5 1 1 2 1 2 5 1 5 1 1 3 1 1 1 1 1 1 1 + + + + + = + + + = = = s C R s C R s C R R R K v v FB o FB 2 5 1 5 1 1 3 1 1 1 + + = On-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confident
37、ial Bright 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-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright 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-Bright Confidential to TenpaoOn On- -Bright confidential Bright confidential 45 Thank you Any Questions ？ On-Bright Confidential to Tenpao
