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功率设计

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浅析Buck变换器中反馈电阻的作用

导读: 对于不同厂商设计的Buck变换器芯片,外围电路所需要的器件会有所不同,这是因为芯片的集成度有差异,比如,有的厂商会把功率管集成在芯片内部;有的厂商会把控制部分的补偿网络集成在芯片内部。

  Buck变换器由于具有效率高的优点而被广泛应用于手机、GPS、MP3等移动多媒体设备上,目前很多电源管理芯片制造厂商都推出了不同电流能力的Buck变换器,这类变换器虽然在电流能力和保护功能方面存在一些差异,但是他们电路的主框架结构是基本一致的,主要可以分为两个部分:一是实现电能转换的主功率部分,另一部分是实现负反馈控制的控制电路,如图1所示。

  

  图1 Buck变换器电路主框图。

  对于不同厂商设计的Buck变换器芯片,外围电路所需要的器件会有所不同,这是因为芯片的集成度有差异,比如,有的厂商会把功率管集成在芯片内部;有的厂商会把控制部分的补偿网络集成在芯片内部。集成度越高的芯片,外围电路所需要的器件就越少,因此对于客户来说,外围器件的选择需要根据具体芯片来决定。然而,对于任何一个输出可以调节的Buck变换器芯片,选择合适的反馈电阻是必不可少的。图2是BCD半导体公司的Buck变换器AP3406的典型应用图,由于该芯片集成度很高,外围只需要输入电容、输出电感、输出电容和反馈电阻,本文就以此为例对反馈电阻的作用做简要分析,为如何选择反馈电阻提供参考。

  

  图2 Buck变换器芯片典型应用图。

  设置输出电压

  反馈电阻Rf1和Rf2的第一个作用是设置Buck电路的输出电压值,如图2所示,稳态时,运算放大器的反相输入端和同相输入端电压是相等的,于是可以得到输出电压计算公式:

  其中VREF是芯片内部基准电压(本例中为0.6V)。

  影响系统稳定性和动态响应

  为了实现系统的抗干扰能力,Buck变换器除了主功率部分以外,还会有相应的负反馈控制电路,补偿网络是反馈控制电路的一部分。补偿网络的加入可以提高环路的低频增益,从而提高抗干扰能力;同时补偿网路使系统拥有足够的相位裕度,从而保证系统处于稳定的工作状态,不会振荡。图2中黄色框内的部分就是补偿网络部分,补偿网络中包括 R1,C1,C2和Rf1(注:Rf2在环路分析中不起作用),补偿网络的传递函数可以表示为:

  从上式可以看出补偿网络产生了两个极点,其中一个极点在0点,另一个极点为

  同时还产生了一个零点

  在mathcad中做出Gc(s)的幅频特性和相频特性,如图3和图4所示,Rf1在补偿网络中的作用是改变中频段增益,对补偿网络中的零极点不会有影响,在图3和图4中的表现就是随着Rf1的改变,补偿网络Gc(s)的幅频特性上下平移,相频特性不变。

  

  图3 补偿网络幅频特性。

  

  图4 补偿网络相频特性。

  因此,当补偿网络进入系统环路之后,Rf1的作用是使环路增益的幅频特性上下平移,同时环路增益的相频特性保持不变。

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