1.3 开关模式电源转换器补偿简单易行 —功率级第一部分

嗨 大家好

我们今天继续跟大家介绍

有关于开关电源的补偿的相关知识

我们来介绍第三部分

关于功率级的特性

然后这一部分的第一部分

那么我们会着重跟大家介绍两种控制模式

Voltage control mode 跟 Current mode

然后对于这两种控制模式的工作模式

我们着重的介绍是固定频率 Fixed frequency

还有 CCM Continuous conduction-mode

也就是说电感电流是连续的

然后我们把开关电源的频率定义为 fsw

它的倒数是个大写 T

T 是周期

那么我们把不同的 topology 总体上分为以下三类

也就是说拓朴结构

那第一种是 Buck 以及 Buck derived

那么我们会左边有一个示意图是关于 Buck 的

那么当我们这么把开关电源

把开关的开关 把这个二极管

把电感和电容当这样连接起来的时候呢

当我们控制这个开关的占空比的时候

我们会得到一个 Vout 等于 Vin 乘以一个 D

D 代表的叫做 duty cycle

它指的是什么

指的是这个开关

连接 Vin 的这个上管

我们管它叫上管 high side

它的开关的占空比叫做 D

那么 Vout 等于 Vin 乘 D 意味着

是小于等于 Vin 的

这也就是说

为什么我们管这种结构叫做降压型

也叫 step-down converter

那么基于这种 Buck 的话

我们会 derive 一些 topology, Forward Two switch forward 等等

那么这种是引入 transformer 的

所以在它的 Vin Vout relation 上面

我们乘以一个 transformer 的 turns ratio

然后还有的话呢

就是另外一类类似于 Push-Pull Full bridge 的

跟之前的区别就是再乘以系数二倍

那么一类是基于 Buck

那么中间这边还有介绍一类基于 boost

Boost 跟 Buck 之间区别

就是当我们改变这些元器件 connection 之后

我们发现 Vout 等于 Vin 除以一个 D'

D' 是 1 减去 D

这种结构调完了之后的话

我们叫 boost

然后也意味着 Vout 是要大于等于 Vin

我们也管这种呢叫做升压型 converter step up

还有一种是基于 Buck-boost 混合型的

那么也就是这里的第三类

我们会发现 Vout 等于 Vin 乘一个 D 除以 D'

那这个时候啊

当我们改变这个 D 和 D' 的时候

我们的 Vout 可以小也可以等也可以大于 Vin

所以这是一种更加灵活的一个拓扑结构 topology

在这个示意图上

那个 Vout 是个负的

类似的通过这种 Buck-boost

我们可以 Derive 其它 topology SEPIC Cuk

还有 Flyback

Vout 等于 Vin 乘一个系列

然后最终还是要乘以一个 transformer turns ratio

所以大概分为这么三类

我们接下来再看

开始看一下关于 Voltage-mode buck power stage

在我们接下来介绍的时候

我们介绍这些不同的功率级以及其他相关知识

多数情况下

你看这个材料的时候呢

会发现有统一特点

第一个我们会介绍它的 function diagram 左上角这个

这样你就会有一个直观的认知

然后我们会介绍右下角这个 transfer function

然后基于这个 transfer function

为了更好理解这个 transfer function

右上角的是波特图

这样就会对零极点有一个直观的认知

然后左下角我们会详细的介绍

transfer function 里面每个参数的 Value 数值是什么样

以及哪些 component 影响他们

所以接下来我们这种 format 会不停地见到

OK 那我们先来看一下 Voltage mode

这边的话呢是比较简单的一个结构

Vc 代表是什么

代表从啊 Vout 反馈回来的一些信号

比如分压电阻啊等等等等

然后最终啊体现在 Vc 上面

就是意味着 Vout 如果想跑高 Vc 跑高

跑低 Vc 要跑低大概这个这样一个信息

然后 ramp 呢是我们产生一个 artificial 的一个 ramp

这样的话呢这个一个 Vc 和 ramp 之间呢

就会有一个 cross

它 cross 的结果呢

就是通过这个 comparator 体现出来

这个输出是一个 LOGIC 和一定占空比

那么也就是说

我们通过 Vout 反馈回 Vc

然后 Vc 和 ramp 之间进行比较

我们在控制这个 PWM 信号和 LOGIC 的占空比

来控制我们开关的占空比

进而我们决定电感的充放电时间

然后我们就会把能量相应的 deliver 到 Vout

所以在这种情况下

我们可以看到 L 和 C 之间没有什么太多的更细腻的控制

而是更像是一种简单 LC resonant

这也是为什么在 Voltage mode 里面

我们会有这个 Complex congugate pole

所以你可以理解为 LC resonant

那么右下角的这个公式的话呢

是应该很熟悉

在之前我们介绍零极点的时候应该有看过

有一个叫做 Complex congugate pole 上面加了一个零

和这个是极其相似的

那么我们体现在上面的波特图

可以看到 ωo 是 double pole

从这里开始我们看到更有 40dB/decade drop

然后啊到了 ωz 的时候

我们看见这个 gain 会变成 20dB/decade drop

非常 reasonable

然后 phase 会倾向于往180度去 drop

但是后来会返回90度

因为那个零点

然后我们再来看一下具体的每个参数的公式是什么样的

在这边有四个

那么不会一一解释

那么 AVC 呢这也是一个 Vin 和 Vramp 之间的比

那么这个越大呢代表着

我们这个传输方式里面 Vout 除以 Vc 这个 gain 会越大

那也就是说那个我们可以调节它来调节带宽

相关的因素在里面

那么 ωo 是 LC 相关的这个已经大家很熟悉了

ωz 是 ESR 相关的一个零点

然后这个 Qo 是 quality factor

它跟 LC 相关的

还跟 output impede 相关

可以，这就是 Voltage mode

嗨 大家好

我们今天继续跟大家介绍

有关于开关电源的补偿的相关知识

我们来介绍第三部分

关于功率级的特性

然后这一部分的第一部分

那么我们会着重跟大家介绍两种控制模式

Voltage control mode 跟 Current mode

然后对于这两种控制模式的工作模式

我们着重的介绍是固定频率 Fixed frequency

还有 CCM Continuous conduction-mode

也就是说电感电流是连续的

然后我们把开关电源的频率定义为 fsw

它的倒数是个大写 T

T 是周期

那么我们把不同的 topology 总体上分为以下三类

也就是说拓朴结构

那第一种是 Buck 以及 Buck derived

那么我们会左边有一个示意图是关于 Buck 的

那么当我们这么把开关电源

把开关的开关 把这个二极管

把电感和电容当这样连接起来的时候呢

当我们控制这个开关的占空比的时候

我们会得到一个 Vout 等于 Vin 乘以一个 D

D 代表的叫做 duty cycle

它指的是什么

指的是这个开关

连接 Vin 的这个上管

我们管它叫上管 high side

它的开关的占空比叫做 D

那么 Vout 等于 Vin 乘 D 意味着

是小于等于 Vin 的

这也就是说

为什么我们管这种结构叫做降压型

也叫 step-down converter

那么基于这种 Buck 的话

我们会 derive 一些 topology, Forward Two switch forward 等等

那么这种是引入 transformer 的

所以在它的 Vin Vout relation 上面

我们乘以一个 transformer 的 turns ratio

然后还有的话呢

就是另外一类类似于 Push-Pull Full bridge 的

跟之前的区别就是再乘以系数二倍

那么一类是基于 Buck

那么中间这边还有介绍一类基于 boost

Boost 跟 Buck 之间区别

就是当我们改变这些元器件 connection 之后

我们发现 Vout 等于 Vin 除以一个 D'

D' 是 1 减去 D

这种结构调完了之后的话

我们叫 boost

然后也意味着 Vout 是要大于等于 Vin

我们也管这种呢叫做升压型 converter step up

还有一种是基于 Buck-boost 混合型的

那么也就是这里的第三类

我们会发现 Vout 等于 Vin 乘一个 D 除以 D'

那这个时候啊

当我们改变这个 D 和 D' 的时候

我们的 Vout 可以小也可以等也可以大于 Vin

所以这是一种更加灵活的一个拓扑结构 topology

在这个示意图上

那个 Vout 是个负的

类似的通过这种 Buck-boost

我们可以 Derive 其它 topology SEPIC Cuk

还有 Flyback

Vout 等于 Vin 乘一个系列

然后最终还是要乘以一个 transformer turns ratio

所以大概分为这么三类

我们接下来再看

开始看一下关于 Voltage-mode buck power stage

在我们接下来介绍的时候

我们介绍这些不同的功率级以及其他相关知识

多数情况下

你看这个材料的时候呢

会发现有统一特点

第一个我们会介绍它的 function diagram 左上角这个

这样你就会有一个直观的认知

然后我们会介绍右下角这个 transfer function

然后基于这个 transfer function

为了更好理解这个 transfer function

右上角的是波特图

这样就会对零极点有一个直观的认知

然后左下角我们会详细的介绍

transfer function 里面每个参数的 Value 数值是什么样

以及哪些 component 影响他们

所以接下来我们这种 format 会不停地见到

OK 那我们先来看一下 Voltage mode

这边的话呢是比较简单的一个结构

Vc 代表是什么

代表从啊 Vout 反馈回来的一些信号

比如分压电阻啊等等等等

然后最终啊体现在 Vc 上面

就是意味着 Vout 如果想跑高 Vc 跑高

跑低 Vc 要跑低大概这个这样一个信息

然后 ramp 呢是我们产生一个 artificial 的一个 ramp

这样的话呢这个一个 Vc 和 ramp 之间呢

就会有一个 cross

它 cross 的结果呢

就是通过这个 comparator 体现出来

这个输出是一个 LOGIC 和一定占空比

那么也就是说

我们通过 Vout 反馈回 Vc

然后 Vc 和 ramp 之间进行比较

我们在控制这个 PWM 信号和 LOGIC 的占空比

来控制我们开关的占空比

进而我们决定电感的充放电时间

然后我们就会把能量相应的 deliver 到 Vout

所以在这种情况下

我们可以看到 L 和 C 之间没有什么太多的更细腻的控制

而是更像是一种简单 LC resonant

这也是为什么在 Voltage mode 里面

我们会有这个 Complex congugate pole

所以你可以理解为 LC resonant

那么右下角的这个公式的话呢

是应该很熟悉

在之前我们介绍零极点的时候应该有看过

有一个叫做 Complex congugate pole 上面加了一个零

和这个是极其相似的

那么我们体现在上面的波特图

可以看到 ωo 是 double pole

从这里开始我们看到更有 40dB/decade drop

然后啊到了 ωz 的时候

我们看见这个 gain 会变成 20dB/decade drop

非常 reasonable

然后 phase 会倾向于往180度去 drop

但是后来会返回90度

因为那个零点

然后我们再来看一下具体的每个参数的公式是什么样的

在这边有四个

那么不会一一解释

那么 AVC 呢这也是一个 Vin 和 Vramp 之间的比

那么这个越大呢代表着

我们这个传输方式里面 Vout 除以 Vc 这个 gain 会越大

那也就是说那个我们可以调节它来调节带宽

相关的因素在里面

那么 ωo 是 LC 相关的这个已经大家很熟悉了

ωz 是 ESR 相关的一个零点

然后这个 Qo 是 quality factor

它跟 LC 相关的

还跟 output impede 相关

可以，这就是 Voltage mode