深入淺出Buck變換器反饋電阻作用
摘要： Buck變換器由于具有效率高的優(yōu)點而被廣泛應用于手機、GPS、MP3等移動多媒體設備上，目前很多電源管理芯片制造廠商都推出了不同電流能力的Buck變換器，這類變換器雖然在電流能力和保護功能方面存在一些差異，但是他們電路的主框架結構是基本一致的，主要可以分為兩個部分：一是實現(xiàn)電能轉換的主功率部分，另一部分是實現(xiàn)負反饋控制的控制電路。
Abstract：
Key words :
Buck變換器由于具有效率高的優(yōu)點而被廣泛應用于手機、GPS、MP3等移動多媒體設備上，目前很多電源管理芯片制造廠商都推出了不同電流能力的Buck變換器，這類變換器雖然在電流能力和保護功能方面存在一些差異，但是他們電路的主框架結構是基本一致的，主要可以分為兩個部分：一是實現(xiàn)電能轉換的主功率部分，另一部分是實現(xiàn)負反饋控制的控制電路，如圖1所示。
圖1 Buck變換器電路主框圖
對于不同廠商設計的Buck變換器芯片，外圍電路所需要的器件會有所不同，這是因為芯片的集成度有差異，比如，有的廠商會把功率管集成在芯片內(nèi)部；有的廠商會把控制部分的補償網(wǎng)絡集成在芯片內(nèi)部。集成度越高的芯片，外圍電路所需要的器件就越少，因此對于客戶來說，外圍器件的選擇需要根據(jù)具體芯片來決定。然而，對于任何一個輸出可以調(diào)節(jié)的Buck變換器芯片，選擇合適的反饋電阻是必不可少的。圖2是BCD半導體公司的Buck變換器AP3406的典型應用圖，由于該芯片集成度很高，外圍只需要輸入電容、輸出電感、輸出電容和反饋電阻，本文就以此為例對反饋電阻的作用做簡要分析，為如何選擇反饋電阻提供參考。
圖2 Buck變換器芯片典型應用圖
設置輸出電壓
反饋電阻Rf1和Rf2的第一個作用是設置Buck電路的輸出電壓值，如圖2所示，穩(wěn)態(tài)時，運算放大器的反相輸入端和同相輸入端電壓是相等的，于是可以得到輸出電壓計算公式
其中VREF是芯片內(nèi)部基準電壓(本例中為0.6V)。影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)響應
為了實現(xiàn)系統(tǒng)的抗干擾能力，Buck變換器除了主功率部分以外，還會有相應的負反饋控制電路，補償網(wǎng)絡是反饋控制電路的一部分。補償網(wǎng)絡的加入可以提高環(huán)路的低頻增益，從而提高抗干擾能力；同時補償網(wǎng)路使系統(tǒng)擁有足夠的相位裕度，從而保證系統(tǒng)處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)，不會振蕩。圖2中黃色框內(nèi)的部分就是補償網(wǎng)絡部分，補償網(wǎng)絡中包括 R1，C1，C2和Rf1(注：Rf2在環(huán)路分析中不起作用)，補償網(wǎng)絡的傳遞函數(shù)可以表示為：
從上式可以看出補償網(wǎng)絡產(chǎn)生了兩個極點，其中一個極點在0點，另一個極點為
，同時還產(chǎn)生了一個零點
，在mathcad中做出Gc(s)的幅頻特性和相頻特性，如圖3和圖4所示，Rf1在補償網(wǎng)絡中的作用是改變中頻段增益，對補償網(wǎng)絡中的零極點不會有影響，在圖3和圖4中的表現(xiàn)就是隨著Rf1的改變，補償網(wǎng)絡Gc(s)的幅頻特性上下平移，相頻特性不變。
圖3 補償網(wǎng)絡幅頻特性
圖4 補償網(wǎng)絡相頻特性
因此，當補償網(wǎng)絡進入系統(tǒng)環(huán)路之后，Rf1的作用是使環(huán)路增益的幅頻特性上下平移，同時環(huán)路增益的相頻特性保持不變。
圖5 Buck變換器環(huán)路增益測試結果1
圖6 Buck變換器環(huán)路增益測試結果2
圖5和圖6是用網(wǎng)絡分析儀進行AP3406環(huán)路增益測試的結果。由圖可以看出，當Rf1從300k變化到470k，再變化到750k，系統(tǒng)的環(huán)路增益的幅頻特性不斷向下移動，同時相頻特性基本不變。于是系統(tǒng)的帶寬和相位裕度都有較大改變，測試結果如表1所示。
表1 AP3406環(huán)路增益測試結果
系統(tǒng)的帶寬是影響系統(tǒng)動態(tài)響應的重要因素，相位裕度是影響系統(tǒng)穩(wěn)定性的重要因素。如果選擇不同的Rf1，系統(tǒng)的帶寬和相位裕度會產(chǎn)生變化，也就是動態(tài)響應和穩(wěn)定性會發(fā)生變化。具體以表1來分析，當Rf1從300k變到750k，系統(tǒng)地帶寬從51.1kHz變到26.1kHz，因此系統(tǒng)的動態(tài)響應會相應的變差，而由于相位裕度都是足夠的，因此系統(tǒng)都處于穩(wěn)定工作的狀態(tài)。圖7和圖8是做負載切換的動態(tài)響應測試結果，從測試結果可以看出環(huán)路響應速度變慢，導致輸出電壓過沖變大，動態(tài)響應效果變差。
圖7 動態(tài)響應測試結果(Rf1=300k)
圖8 動態(tài)響應測試結果(Rf1=750k)
從以上分析可以看出，選擇合適的反饋電阻Rf1和Rf2對AP3406及同類補償結構的Buck變換器有很重要的作用。選擇反饋電阻時，不能只考慮穩(wěn)態(tài)時，輸出電壓是否符合要求，還應該考慮，反饋電阻對系統(tǒng)穩(wěn)定性和動態(tài)響應的影響。
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