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DC/DC轉(zhuǎn)換器中電阻式反饋分壓器設(shè)計考慮因素
文章來源: 更新時間:2012/12/22 11:14:00
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電阻式分壓器是所有DC/DC轉(zhuǎn)換器反饋系統(tǒng)中最為常見的網(wǎng)絡(luò)。但是,人們常常錯誤地認為,它是一種簡單地通過將電壓調(diào)低至某個基準電壓來實現(xiàn)輸出電壓調(diào)節(jié)的電路。在計算得到正確的分壓器分壓比以后,在選擇實際電阻值時電源設(shè)計人員還必須沉思熟慮,因為它們會影響轉(zhuǎn)換器的總體性能。本文將討論反饋系統(tǒng)中電阻式分壓器的一些設(shè)計考慮,以及這種分壓器對轉(zhuǎn)換器效率、輸出電壓精確度、噪聲敏感性和穩(wěn)定性的影響。 

效率 

開關(guān)式DC/DC轉(zhuǎn)換器擁有相對較高的效率,因為它們通過一些低損耗組件(例如:電容、電感和開關(guān))為負載提供電力輸送。高效率帶來更長的電池使用時間,從而延長便攜式設(shè)備的工作時間。 

對低功耗DC/DC轉(zhuǎn)換器而言,典型的電阻式反饋設(shè)計均要求分壓器電阻器(R1+R2)具有非常大的總電阻(高達1MΩ)。這樣可以最小化反饋分壓器的電流。該電流會加到負載上,因此如果反饋分壓器電阻較小,則電池必需為相同負載提供更多的電流和功率。這樣一來,效率也就更低。這種狀況并不理想,特別是在一些需要長電池使用時間的便攜式應(yīng)用中。 

設(shè)計實例1 

圖1表明,反饋電阻較低時,低負載的效率下降。本例中,我們使用(TI)TPS62060EVM,其中VIN=5V,VOUT=1.8V,并且啟用節(jié)能模式。在高負載電流下,負載功耗遠大于電阻式反饋網(wǎng)絡(luò)的功耗。這就是不同R1和R2值的效率會集中在高負載電流的原因。但是,在低負載電流下,不同反饋電阻的效率差異更加明顯。這是因為,分壓器的電流主導(dǎo)了負載的電流。因此,要想擁有更高的輕負載效率,一種較好的設(shè)計方法是使用產(chǎn)品說明書單中建議的大反饋電阻值。如果在某個特定設(shè)計中輕負載效率并不重要,則可以在對效率無明顯影響的情況下使用更小的電阻。 

(電子工程專輯)
圖1:不同反饋分壓器電阻時TPS62060降壓轉(zhuǎn)換器的效率。

輸出電壓精確度 

我們剛剛討論了如何利用大反饋電阻來提高效率。然而,選擇的電阻過大則會影響轉(zhuǎn)換器的輸出電壓精確度,因為存在進入轉(zhuǎn)換器反饋引腳的漏電流。圖2顯示了電阻式反饋分壓器(R1和R2)的電流通路。反饋漏電流(IFB)固定不變時,R1的電流(IR1)隨著R1和R2值增加而減小。因此,分壓器電阻增加也就意味著進入反饋引腳的IR1漏電流百分比更大,并且R2的電流(IR2)降低,從而產(chǎn)生低于預(yù)期的反饋引腳電壓(VFB)。我們將VFB同一個內(nèi)部基準電壓比較,以此來設(shè)置輸出電壓,因此反饋電壓的任何一點誤差都會導(dǎo)致輸出電壓不精確。我們可以由基爾霍夫(Kirchhoff)電流定律推導(dǎo)出方程式1,其表明VFB為R1和R2的函數(shù): 

(電子工程專輯)

方程式1 

請注意,IFB 在實際系統(tǒng)中并非固定不變,會因器件不同而各異,并隨工作狀態(tài)變化。要想估算出漏電流引起的輸出電壓極端變化情況,需在計算中使用IFB的最大規(guī)定值。 

(電子工程專輯)
圖2:進入轉(zhuǎn)換器反饋引腳的漏電流。

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。

(電子工程專輯)
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)

方程式2 

(電子工程專輯)

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:

(電子工程專輯)

方程式4 

(電子工程專輯)
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。

(電子工程專輯)
圖5:不同R1、R2和CFF值的降壓轉(zhuǎn)換器閉環(huán)頻率響應(yīng)。

(電子工程專輯)
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: 

(電子工程專輯)

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。

設(shè)計實例2

 
 
 
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