如何设计具有COT的稳定Fly-Buck™ 转换器 -1

文章来源:弗戈工业在线 发布时间:2015-01-22
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Fly-Buck™ 转换器拓扑被公认为是一种多功能的隔离式偏置电源,其在各类应用中得到了越来越多的关注。同步降压转换器可以配置成 Fly-Buck,但并非所有控制方法都能简单应用于这种拓扑。


 图1. 纹波注入网络Rr、Cr 和Cac

LM5017是一款支持恒定导通时间(COT) 控制的100V 同步降压稳压器,特别适合Fly-Buck。COT 不需要补偿网络,可简化Fly-Buck 设计,而且Fly-Buck 的设计流程与普通降压设计或多或少有些相似。LM5017 产品页面上有很多设计实例。不过,有个问题还是会被经常问起:如何设计稳定的COT Fly-Buck?答案可能很简单,但背后的解释可能则会很复杂。我们将通过两篇文章加以说明:本文我们将重点讨论技术分析,第二篇文章则将针对设计进行逐步指导。

顾名思义,占空导通时间是在给定输入电压下进行COT 控制时的固定常数。关断时间可通过反馈引脚电压(Vfb) 纹波来调制:当Vfb低于内部参考电压(Vref) 时,就会触发下一个周期开关。纹波注入网络(如图1 所示)通常用来生成Vfb纹波,因为它不仅可避免对输出纹波的依赖,而且还允许将低ESR 陶瓷电容器用作输出电容器。注入纹波可仿真电感器电流纹波,其幅值约为:

由于在 Fly-Buck 转换器中变压器的磁化电流与降压稳压器中的三角波形相同,因此设计 Fly-Buck 的纹波注入网络与降压转换器的相关设计相同。

关断时间会随Vfb纹波信号变化而变化,以对 COT 控制输出进行稳压,因此它不能被视为恒定频率控制系统。在电流模式与电压模式控制法中将系统近似为非时变的经典小信号模型在这里并不适用。这就是为什么 COT 控制的传输函数不能像其它控制法那样被明确导出的原因所在。在文献中,描述函数的方法可用来对 COT 控制进行建模。偏移问题相当复杂,已超出了本文所讨论的范围,不过通过分析得到的稳定性标准可简化为:

这个不等式不是很直观,但能看出几个问题。Rr×Cr项与注入纹波幅值成反比,说明大量纹波可带来稳定的稳压效果。不过,添加至反馈信号的AC 纹波会导致不良DC 漂移,因此应使其适当保持为较小值。对于LM5017而言,在反馈引脚位置需要最低25mV 的纹波。此外,从不等式还可以看出,增大电感和输出电容有助于满足该标准要求。电感器通常由纹波电流和开关频率等其它电源技术参数决定,而输出电容可能更便于调节。应采用足够的电容,而且不能忽略DC 偏置对降低陶瓷电容的影响。

纹波注入网络的第三个组件是AC 耦合电容器Cac。它可为FB 引脚旁路生成纹波的AC 组分,而且它不是一个会对开关稳定性产生影响的重要组件。Cac和反馈电阻分压器RFBT 与RFBB 可形成高通滤波器,其截止频率(Fc) 应该足够低才能让纹波通过。推荐的Fc 值可设定为小于开关频率的1/10,即:

较小的Cac有助于获得更快的瞬态,建议将Cac设定为小于Cr。同样,这里的影响很小,而且Cac值在设计中并不是关键所在。

简而言之,采用LM5017COT 降压稳压器的Fly-Buck 设计可归结为三个不等式,用以检查稳定性:

1. 稳定性标准:

2. 纹波电压要求:

3. 纹波AC 耦合要求:

请注意,Ton(max) 和Dmax都发生在最低Vin 条件下。在实际Fly-Buck 设计中,只有第一个稳定性标准是关键项,应留出一些裕量。在设计Fly-Buck 时,先从纹波注入网络的一些初始值开始,对以上三个不等式进行检查,然后对电路参数进行相应调节和迭代。在下一部分中,我们将针对在Fly-Buck 设计中实施这些内容进行逐步指导。还有什么问题吗?

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