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有延遲環(huán)節(jié)的burst控制中得到響應(yīng)時(shí)間變化規(guī)律的仿真分析方法

發(fā)布時(shí)間:2024-11-05 責(zé)任編輯:lina

【導(dǎo)讀】在電源芯片的數(shù)字控制方法中,經(jīng)常引入延遲環(huán)節(jié)。在引入延遲環(huán)節(jié)后,分析電路響應(yīng)的方法特別是定量計(jì)算會(huì)變得比較復(fù)雜。本文通過(guò)對(duì)一種有延遲環(huán)節(jié)的burst控制方法的分析,提出一種可用于工程實(shí)踐的方法,那就是通過(guò)電路分析,用在靜態(tài)工作點(diǎn)作瞬態(tài)響應(yīng)仿真的方法得到參數(shù)調(diào)試方向。


摘要


在電源芯片的數(shù)字控制方法中,經(jīng)常引入延遲環(huán)節(jié)。在引入延遲環(huán)節(jié)后,分析電路響應(yīng)的方法特別是定量計(jì)算會(huì)變得比較復(fù)雜。本文通過(guò)對(duì)一種有延遲環(huán)節(jié)的burst控制方法的分析,提出一種可用于工程實(shí)踐的方法,那就是通過(guò)電路分析,用在靜態(tài)工作點(diǎn)作瞬態(tài)響應(yīng)仿真的方法得到參數(shù)調(diào)試方向。


1. 引言

在現(xiàn)代電源芯片設(shè)計(jì)中,模數(shù)結(jié)合的方法已經(jīng)很常見。數(shù)字控制的方法的好處是:抗干擾能力強(qiáng); 控制精確; 靈活性好; 系統(tǒng)的兼容性好; 方便實(shí)現(xiàn)電源管理。在數(shù)字控制模式中,可以輕松引入延遲環(huán)節(jié),讓控制更加靈活,高效。這種方法帶來(lái)的問(wèn)題是,在引入延遲環(huán)節(jié)后,在電源工程設(shè)計(jì)中,最常見的用零極分布來(lái)分析電路響應(yīng)的方法不再適用。引入延遲環(huán)節(jié)后,通常傳遞函數(shù)用(G(s)=1730104241654.jpg)來(lái)表示,但在真實(shí)過(guò)程中,τ 的不確定性讓分析難度加大。在工程實(shí)踐中, 仿真的辦法,是快速理解與找到解決問(wèn)題的有效手段。那么如何設(shè)定仿真模型可以得到理想的結(jié)果就很重要。本文將基于對(duì)一種burst控制方法的理解,給出一種在靜態(tài)工作點(diǎn)作瞬態(tài)響應(yīng)仿真的方法來(lái)獲得對(duì)這類問(wèn)題的理解與工程解決方法。


2.一種有延遲環(huán)節(jié)的burst控制方法


在這種控制方法里,如圖一所示,當(dāng)芯片進(jìn)入主動(dòng)BURST 模式后,芯片停止發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖,也就是圖中VCS信號(hào)沒(méi)有出現(xiàn)的區(qū)間,因?yàn)檩敵鲭妷旱南碌?,反饋?zhàn)饔玫睦娏鳎ㄒ话闶枪馀旱淖饔茫┫?,芯片的FB引腳上的電壓在內(nèi)部電流的作用下開始快速上升,直到VFB_BON 信號(hào),并重新喚醒芯片發(fā)出驅(qū)動(dòng)脈沖,讓下跌中的輸出電壓回歸正常值。


上面的分析過(guò)程是一種設(shè)計(jì)想得到的理想狀態(tài)。在實(shí)際應(yīng)用中,我們會(huì)發(fā)現(xiàn),在輸出電容較小,不合理的反饋設(shè)計(jì)下,F(xiàn)B引腳上的電壓快速上升的時(shí)間會(huì)遠(yuǎn)大于芯片理想的設(shè)計(jì)時(shí)間,輸出電壓的跌落幅度變得不可接受。理論上應(yīng)該消失的從光藕反饋過(guò)來(lái)的拉電流并不會(huì)因?yàn)檩敵鲭妷旱牡漶R上消失,這將導(dǎo)致,輸出電壓跌落過(guò)多,而且傳統(tǒng)經(jīng)典的適用于線性時(shí)不變系統(tǒng)的控制理論,無(wú)法很好的解釋與解決這個(gè)問(wèn)題。


burst 控制方法如下圖


有延遲環(huán)節(jié)的burst控制中得到響應(yīng)時(shí)間變化規(guī)律的仿真分析方法

圖一:burst 控制方法


3.常見的控制電路及靜態(tài)工作點(diǎn)的分析


有延遲環(huán)節(jié)的burst控制中得到響應(yīng)時(shí)間變化規(guī)律的仿真分析方法

圖二:常見反饋電路


如圖二所示,這是一種常見的由TL431 與光藕組成反饋電路,反饋補(bǔ)償是Ⅱ類補(bǔ)償電路。輸出電壓為12V。靜態(tài)工作點(diǎn)主要是確定兩個(gè)反饋電容在穩(wěn)態(tài)時(shí)的電壓值。


首先定義光藕的工作狀態(tài):  CTR :50%;  VF: 1.45V

定義光藕的工作電流:IF: 0.33mA (備注:此電流由芯片工作狀態(tài)決定)

定義TL431參考腳電壓: Vref: 2.5V

定義輸出電壓:Vout=12V

反饋補(bǔ)償?shù)碾娙荩–1,C2)上的電壓為: Vout-VF-(IF*R5)-Vref

得到反饋補(bǔ)償?shù)碾娙荩–1,C2)上的電壓為: 12V-1.45V-(0.33mA x1k)-2.5V ≈ 8V

由此得到在12V穩(wěn)態(tài)下,C1,C2上的電壓為8V


4.仿真建立方法與等效仿真模型


實(shí)際工程樣機(jī)為一臺(tái)60W,12V/5A的電源,控制芯片的burst 控制方法如前圖一所示

1.假定設(shè)計(jì)目標(biāo)為進(jìn)入burst態(tài),重新發(fā)出驅(qū)動(dòng)時(shí),12V 輸出電壓的跌落小于0.5V,以此設(shè)定仿真的電壓源,如圖所示,12V 的輸出,電壓源取11.5V

2.反饋網(wǎng)絡(luò)取值等同于實(shí)際電路取值

3.用二極管取代光藕,去光藕的CTR 動(dòng)態(tài)

4.用流經(jīng)二極管的電流等效芯片反饋(FB)電壓的變化速率

5.設(shè)定反饋電容的初始電壓為系統(tǒng)輸出電壓為12V 穩(wěn)態(tài)時(shí)的初始電壓(如圖為8V)

6.選定SIMETRIX為仿真工具,分析模型選擇瞬態(tài)分析。


建立的仿真電路如下圖三所示。


有延遲環(huán)節(jié)的burst控制中得到響應(yīng)時(shí)間變化規(guī)律的仿真分析方法

圖三:仿真電路


這種仿真分析方法的目的是用來(lái)幫助理解電路的工作與工程實(shí)踐中的元件參數(shù)的調(diào)試方向。很明顯,流經(jīng)此二極管的電流會(huì)影響電源控制芯片反饋(FB) 腳上電壓的上升,控制的目標(biāo)就是,讓這一路電流盡快掉到最小,以得到反饋(FB)電壓的上升。


仿真結(jié)果如下:

電路的初始參數(shù)如圖三所示


選取不同的反饋電阻值,如圖三中的R2(3k-100k),對(duì)流經(jīng)光藕的電流IPROB2分析,得到圖四,圖五,不同反饋補(bǔ)償電阻值下的光藕電流隨時(shí)間變化規(guī)律。


有延遲環(huán)節(jié)的burst控制中得到響應(yīng)時(shí)間變化規(guī)律的仿真分析方法

圖四:不同反饋補(bǔ)償電阻值下的光藕電流隨時(shí)間變化規(guī)律


有延遲環(huán)節(jié)的burst控制中得到響應(yīng)時(shí)間變化規(guī)律的仿真分析方法

圖五:不同反饋補(bǔ)償電阻值下的光藕電流隨時(shí)間變化規(guī)律(放大版)


選取不同的反饋電容值,圖三中的C1(10nF-1uF) ,對(duì)流經(jīng)光藕的電流IPROB2分析,得到圖六。


有延遲環(huán)節(jié)的burst控制中得到響應(yīng)時(shí)間變化規(guī)律的仿真分析方法

圖六:不同反饋補(bǔ)償電容(C1)值下的光藕電流隨時(shí)間變化規(guī)律


選取不同的反饋電容值,圖三中的C2(1nF-100nF),對(duì)流經(jīng)光藕的電流IPROB2分析,得到圖七。


有延遲環(huán)節(jié)的burst控制中得到響應(yīng)時(shí)間變化規(guī)律的仿真分析方法

圖七:不同反饋補(bǔ)償電容(C2)值下的光藕電流隨時(shí)間變化規(guī)律


5.仿真結(jié)果分析


從仿真的結(jié)果看,環(huán)路補(bǔ)償?shù)娜齻€(gè)參數(shù)對(duì)流過(guò)光藕的電流,即同比于FB上升(延時(shí))到重新開啟輸出驅(qū)動(dòng)的時(shí)間,影響很不相同。電阻R2的選擇影響很大,超過(guò)一定值后,開始收斂,影響開始變化不大。選好較大值的R2 后,與之串聯(lián)的C1,對(duì)結(jié)果影響很小。而極點(diǎn)電容C2 ,值選的越大,結(jié)果越差。


從理論分析來(lái)看,如圖三所示,當(dāng)電源主控芯片停止發(fā)驅(qū)動(dòng), 輸出下跌后,TL431的參考電壓低于TL431的基準(zhǔn)電壓2.5V,TL431的陰極電壓就會(huì)上升,這個(gè)上升的電壓會(huì)通過(guò)反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)R1,C1,C2補(bǔ)償TL431的基準(zhǔn)電壓,如果基準(zhǔn)電壓被重新抬升到2.5V,TL431會(huì)重新導(dǎo)通,產(chǎn)生拉電流,這個(gè)電流會(huì)有部分流過(guò)光藕,影響了流過(guò)光藕的電流收斂速度,并與陰極上升的電壓建立一定程度的動(dòng)態(tài)平衡。這與仿真的結(jié)果是一致的。


6.實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證


在實(shí)際應(yīng)用中,C2的值一般都比較小,主要考慮R2 ,C1的影響,為此實(shí)驗(yàn)選擇了一臺(tái)60W,輸出12V/5A 的電源,按照?qǐng)D三的反饋網(wǎng)絡(luò),選取不同參數(shù),測(cè)試FB引腳上的電壓快速上升的時(shí)間(TR),來(lái)驗(yàn)證仿真結(jié)果。實(shí)際測(cè)試中,為了得到系統(tǒng)進(jìn)出Burst的條件,負(fù)載設(shè)為動(dòng)態(tài),從1A到0.3A動(dòng)態(tài)變化。波形八到十三的圖中,曲線C1為實(shí)測(cè)的FB 引腳上的電壓波形,曲線C2為芯片的驅(qū)動(dòng)波形。


1)選取參數(shù)如下:首先定義電容C2的值為1nF,定義電容C1 的值為100nF,選取不同的電阻R2 的值: 3K,9.1K,20K,75K。(結(jié)果見圖八,圖九,圖十, 圖十一)

2)選取參數(shù)如下:首先定義電容C2的值為1nF, 定義R2 的值為75K,選取不同的C1 的值:  1uF,10nF. (結(jié)果見圖十二,十三)


實(shí)際測(cè)試結(jié)果如下表一和表二


C2=1nF;C1=100nF

R2

3K

9.1K

20K

75K

TR

740uS

582.6uS

427.8uS

259uS

表一: 上升時(shí)間隨R2 變化表


C2=1nF; R2=75k

C1

10nF

100nF

1uF

TR

250.6uS

259uS

276.6uS

表二: 上升時(shí)間隨C1的變化表


有延遲環(huán)節(jié)的burst控制中得到響應(yīng)時(shí)間變化規(guī)律的仿真分析方法

圖八:3K/100nF 740Us


有延遲環(huán)節(jié)的burst控制中得到響應(yīng)時(shí)間變化規(guī)律的仿真分析方法

圖九:9.1K/100nF 582.6US


有延遲環(huán)節(jié)的burst控制中得到響應(yīng)時(shí)間變化規(guī)律的仿真分析方法

圖十:20K/100nF 427.8uS


有延遲環(huán)節(jié)的burst控制中得到響應(yīng)時(shí)間變化規(guī)律的仿真分析方法

圖十一:75k/100nF 259uS


有延遲環(huán)節(jié)的burst控制中得到響應(yīng)時(shí)間變化規(guī)律的仿真分析方法

圖十二:75K /1uF 276.6uS


有延遲環(huán)節(jié)的burst控制中得到響應(yīng)時(shí)間變化規(guī)律的仿真分析方法

圖十三:75K/10nF 250.6uS


7.結(jié)論


從實(shí)測(cè)的結(jié)果來(lái)看,反饋電壓(FB)的上升時(shí)間與仿真的結(jié)果,變化的方向完全一致。因而,這種仿真方法能在這種有延遲環(huán)節(jié)的burst控制方法中得到響應(yīng)時(shí)間的變化規(guī)律,在反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中,選擇較大的反饋電值,與較小的極點(diǎn)電容,有利于讓流過(guò)光藕的電流快速收斂至最小值。利用在靜態(tài)工作點(diǎn)作瞬態(tài)響應(yīng)仿真的方法可以快速得到近似工程解。


參考文獻(xiàn):

1.ICE5ARXXXBZS 數(shù)據(jù)表,英飛凌科技股份有限公司

2.DEMO 5GSAG 60W1演示板,英飛凌科技股份有限公司

3.Model 310, 0.01 Hz - 30 MHz Frequency Response Analyzer

4.開關(guān)電源環(huán)路中的TL431, Christophe Basso

5.Designing control loops for linear and switching power supplies, Christophe Basso

作者汪月亮 英飛凌科技消費(fèi)、計(jì)算與通訊業(yè)務(wù)大中華區(qū) 高級(jí)主任工程師


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