方程式1和TI TPS62130降壓轉(zhuǎn)換器用于繪制反饋引腳電壓及相應(yīng)輸出電壓情況,其為反饋分壓器電阻的函數(shù)(請參見圖3)。該電壓圖基于理想電阻,其可產(chǎn)生一個3.3V的輸出電壓,并且反饋引腳電壓為0.8V。需要考慮的唯一誤差項是產(chǎn)品說明書中規(guī)定的100Na最大反饋漏電流。
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圖3:TPS62130 VFB和VOUT為反饋分壓器電阻的函數(shù)。
圖3表明,反饋引腳電壓隨反饋分壓器電阻增加而下降。由于反饋引腳電壓得到補償,轉(zhuǎn)換器輸出也得到補償。低電阻時,沒有反饋引腳電壓的補償,并且輸出調(diào)節(jié)至設(shè)計規(guī)定的3.3V。
如果電阻器R2使用400Kω的建議最大值(得到1650Kω總分壓器電阻),則漏電流僅產(chǎn)生最小的輸出電壓下降。一般而言,產(chǎn)品說明書規(guī)定電阻器最大值的因為讓輸出電壓維持在產(chǎn)品說明書規(guī)定精確度范圍內(nèi)。
噪聲敏感性
電阻式分壓器是轉(zhuǎn)換器的一個噪聲源。這種噪聲(也稱作熱噪聲)等于4KBTR,其中KB為波爾茲曼(Boltzmann)常量,T為開氏溫度,而R則為電阻。分壓器使用大電阻值時,這種噪聲增加。
另外,大電阻會使更多噪聲耦合進入轉(zhuǎn)換器中。產(chǎn)生這種噪聲的源頭有很多,包括AM和FM無線電波、手機信號和PCB上的開關(guān)式轉(zhuǎn)換器或者RF發(fā)射器。噪聲甚至可以來自開關(guān)式DC/DC轉(zhuǎn)換器本身,特別是PCB布局方法不當時。由于電阻式分壓器連接反饋引腳,因此轉(zhuǎn)換器閉環(huán)增益會放大噪聲,從而出現(xiàn)在輸出端。要想降低對其他噪聲源的敏感性,設(shè)計人員可以使用更小的反饋電阻、更理想的電路板布局或者實施屏蔽。使用小反饋電阻的確可以降低噪聲敏感性,但代價是效率稍有降低。
控制環(huán)路、瞬態(tài)響應(yīng)和轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性
理想狀態(tài)下,在使用網(wǎng)絡(luò)分析儀測量時,一個穩(wěn)定的轉(zhuǎn)換器應(yīng)有至少45°的相位裕量。這么大的相位裕量降低甚至消除了輸出電壓振鈴,從而防止輸入電壓瞬態(tài)或者負載瞬態(tài)期間對電壓敏感型負載的破壞。
根據(jù)不同的控制拓撲,產(chǎn)品說明書可能會要求或者建議電阻式反饋網(wǎng)絡(luò)使用前饋電容(CFF)。圖4顯示了這種裝置。給電阻式分壓器添加前饋電容可產(chǎn)生零頻和極頻,得到相升壓,增加轉(zhuǎn)換器的相位裕量和交叉頻率,從而獲得一個更高帶寬、高穩(wěn)定性的系統(tǒng)。《參考2》詳細介紹了這種電路。由圖4所示電路傳輸函數(shù),分別利用方程式2和3計算出零頻(fz)和極頻(fp):
![(電子工程專輯)](data:image/jpeg;base64,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)
方程式2
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方程式3
很明顯,零頻和極頻都與電阻式分壓器和前饋電容所使用的值有關(guān)。因此,增加或者降低電阻值來優(yōu)化效率、電壓精確度或者噪聲,會改變相升壓的頻率位置和系統(tǒng)的整體環(huán)路。要想保證穩(wěn)定性,需根據(jù)前面的零頻或者是產(chǎn)品說明書建議的零頻(哪個值可用,就用哪個值),用方程式4計算一個新的CFF值:
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方程式4
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圖4:使用前饋電容的電阻式反饋網(wǎng)絡(luò)。
設(shè)計實例3
通過使用一個降壓轉(zhuǎn)換器,我們看到了電阻式分壓器對轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性的影響。本例中,我們使用了TI TPS62240降壓轉(zhuǎn)換器,并且VIN=3.6V,VOUT=1.8V,LOUT=2.2μH,COUT=10μF,ILoad=300mA。
圖5和圖6分別顯示了三種不同電阻式分壓器網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)響應(yīng)及其相應(yīng)瞬態(tài)響應(yīng)。每個網(wǎng)絡(luò)都使用一個前饋電容,以描述分壓器網(wǎng)絡(luò)組件如何改變降壓轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定性。當使用分壓器網(wǎng)絡(luò)組件的產(chǎn)品說明書建議值時(R1=365kW,R2=182Kw和CFF=22pF),轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定,并且相位裕量為59°。它的瞬態(tài)響應(yīng)對此進行了驗證,其輸出電壓稍許下降,并且沒有振蕩。
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圖5:不同R1、R2和CFF值的降壓轉(zhuǎn)換器閉環(huán)頻率響應(yīng)。
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圖6:不同R1、R2和CFF值的降壓轉(zhuǎn)換器負載瞬態(tài)響應(yīng)。
當反饋分壓器電阻按比例降至R1=3.65kW和R2=1.82kW,但使用相同前饋電容(CFF=22Pf)時,反饋網(wǎng)絡(luò)的零頻和極頻變化將相升壓從環(huán)路交叉頻率移除。頻率響應(yīng)表明轉(zhuǎn)換器不太穩(wěn)定,相位裕量為40°。轉(zhuǎn)換器的瞬態(tài)響應(yīng)證明輸出電壓壓降更大,且振鈴更多。為了維持原始頻率響應(yīng)和穩(wěn)定性,我們重新計算CFF值,用于新的反饋電阻值。
利用方程式4,使用更小電阻值,前饋電容為2200pF,可計算得到新值。這樣得到的結(jié)果與每一種情況類似。相位裕量56°時,轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定,其瞬態(tài)響應(yīng)得到驗證,輸出電壓微降,并且沒有振蕩。
對于一個在其控制拓撲中使用前饋電容的轉(zhuǎn)換器來說,改變電阻式分壓器的值很容易讓轉(zhuǎn)換器穩(wěn)定降低。但是這個例子僅僅表明,只要前饋電容調(diào)節(jié)適當,改變這些值便可維持相同的頻率響應(yīng)和瞬態(tài)響應(yīng)。
特殊情況設(shè)計
如果設(shè)計人員必須使用前饋電容來提高穩(wěn)定性,則一些轉(zhuǎn)換器的內(nèi)部補償要求特定的CFF值。這種情況下,不應(yīng)使用方程式4。設(shè)計人員應(yīng)使用產(chǎn)品說明書的建議設(shè)計方程式。例如,TI TPS61070便有高側(cè)反饋電阻器(R1)的內(nèi)部補償。它的產(chǎn)品說明書建議使用下列設(shè)計方程式,用于添加一個與R1并聯(lián)的電容:
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方程式5
本文結(jié)論
電阻式反饋分壓器或者網(wǎng)絡(luò)會影響DC/DC轉(zhuǎn)換器的效率、輸出電壓精確度、噪聲敏感度和穩(wěn)定性。要想獲得具體產(chǎn)品說明書所列的性能,給反饋組件選擇使用產(chǎn)品說明書建議值非常重要。另外,有些時候系統(tǒng)要求可能會背離這些建設(shè),以達到其他一些設(shè)計目標。在理解這些不同參數(shù)之間的優(yōu)缺點以后,設(shè)計人員才能正確地選擇更大或者更小的電阻來滿足其應(yīng)用需求。