CPU電源電路設(shè)計(jì)系列6：DC-DCBuck變換器電壓(精)

global^sources電源系統(tǒng)CPU電源電路設(shè)計(jì)系列6:DC-DCBuck變換器電壓環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)作者:郭奉凱陳嘉凱電源技術(shù)屬于電力電子技術(shù)的范疇,是集電力變換、現(xiàn)代電子、自動控制等多學(xué)科于一體的邊緣交叉技術(shù),現(xiàn)今已廣泛應(yīng)用到工業(yè)、能源、交通、信息、航空、國防、教育、文化等領(lǐng)域。電源技術(shù)的發(fā)展實(shí)際上是圍繞著提高效率、提高性能、小型輕量化、安全可靠、消除電力公害、減少電磁干擾和電噪聲的軌跡進(jìn)行不懈研究，開關(guān)電源是整個(gè)電源技術(shù)中至關(guān)重要的部分,其中的PWM電源調(diào)整器的反饋補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，是開關(guān)電源的重要研究課題，本文將針對PWMDC-DCBuck變換器電壓環(huán)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)做出了研究和應(yīng)用舉例。一變換器模塊介紹開關(guān)變換電路同步整流Buck變換器電壓調(diào)節(jié)是一個(gè)單環(huán)系統(tǒng)，由三個(gè)基本模塊組成:包括功率開關(guān)調(diào)節(jié)器，低通濾波網(wǎng)絡(luò)和相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)由電壓采樣電路，誤差放大器，補(bǔ)償電路元件組成。它的物理過程描述為:當(dāng)控制電路輸出一個(gè)高電平后，功率開關(guān)管導(dǎo)通，主電路向輸出電路提供能量;反之功率開關(guān)斷開，停止向輸入電源汲取能量。

圖1Buck調(diào)節(jié)器的三個(gè)基本模塊為設(shè)置系統(tǒng)的增益和帶寬,要寫出系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù),根據(jù)電路功能,我們劃分出3塊，如圖1,第一塊包括PWM比較器到控制MOSFET輸出，第二塊是LC低通濾波器,根據(jù)輸出電壓,電流規(guī)范選定元器件之后,被動元件引起的相位滯后已經(jīng)形成,第三塊是根據(jù)以上兩部分的傳遞函數(shù),設(shè)計(jì)補(bǔ)償電路,改變系統(tǒng)的增益和帶寬,使系統(tǒng)有理想的相位裕度和帶寬,達(dá)到系統(tǒng)穩(wěn)定的要求。二系統(tǒng)傳遞函數(shù)面分別介紹三部分傳遞函數(shù)1.PWM比較器的工作過程,比較器的負(fù)相端接時(shí)鐘電路發(fā)出的三角波或鋸齒波信號glo&al^sources電源系統(tǒng)（Rut，正相端為誤差放大器發(fā)出的誤差信號（cut，兩個(gè)信號比較產(chǎn)生有占空比變化的PWM波（dt,由MOSFET的驅(qū)動向下一級推動MOSFET的導(dǎo)通和關(guān)斷。global^sources電源系統(tǒng)圖2PWM調(diào)節(jié)器（Modulator對于這部分，小信號輸為（cut，輸出為OUTVglobal^sources圖3PWM比較器當(dāng)((cRuglobal^sources電源系統(tǒng)Ocglobal^sources電源系統(tǒng)Oc呼啦ofE.4'FEM百心站FMtut>,輸出(dt為高電平,反之為低電平.圖4PWM輸入端電壓比較從ab為一個(gè)時(shí)鐘周期T,a1t,2tb為高電平時(shí)間段,112(atCOSCtutVT=(1222(tbCOSCtutVT=(21212((2attbCCOSCttututVT++=(312attbONttt+=(412((2CCutut+=(Cabut,為該周期內(nèi)誤差信號的平均值,ONINOUTtVTV=(5故傳遞函數(shù)可表示為(OUTINOSCCabVVVut=(6OSCV為三角波信號的峰值可見,該部分的傳函為直流量,沒有相位的變化。2.低通LC濾波網(wǎng)絡(luò)ILgtoijal^sources電源系統(tǒng)ILgtoijal^sources電源系統(tǒng)DSR圖5LC低通濾波器圖中為低通LC濾波網(wǎng)絡(luò),它是由電感和一系列的并聯(lián)電容構(gòu)成,電容可以分為2部分,一是大容量低等效電阻的鋁電解電容,擺放在輸出端附近,二是高頻特性好的陶瓷電容,擺放在CPU附近,及時(shí)滿足負(fù)載變化的要求。ESR,DCR分別為電容，電感的寄生電阻?？梢詫懗鰹V波器的傳遞函數(shù):121(1SESRCHSSCESRSLC+?.=+?.+?.(7令Q=0Z?=1ESRC?,0P?=022001(1(ZPPSHSSSQ3伽+=++(8容易看出這是個(gè)二階系統(tǒng),包含一個(gè)重極點(diǎn)也就是濾波器的固有頻率,和一個(gè)由ESR引起的零點(diǎn),由此可以看出,對于Buck系統(tǒng),它的基本組成系統(tǒng)是穩(wěn)定的,即它本身保證了相位轉(zhuǎn)移在180°以內(nèi)，但是這不意味它有快速的相應(yīng)能力,這是由LC在重極點(diǎn)附近的Q值和ESR零點(diǎn)的相對位置決定的。global^sources電源系統(tǒng)global^sounoes電源系統(tǒng)100■80100■80?數(shù)値、1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi111111111111111111111111111111111111IIII1111IIII1111IIII1111IIIIi1iiiii1i1iiiii1i1iiiii1i1iiiii1『軸1::::::::1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi111111111111111111111111111111111111IIII1111IIII1111IIII1111IIIIi1iiiii1i1iiiii1i1iiiii1i1iiiii11■■■■1JMM4coOi=ioookkhkh1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi111111111111111111111111111111111111IIII1111IIII1111IIII1111IIIIi1iiiii1i1iiiii1i1iiiii1i1iiiii11111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111111111111111111IIlli111111111111IIII1111IIII1111IIII1111IIIIi1iiiii1i1iiiii1lllllllli1iiiii11111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi11111111iiiiii1\■■■■1111IIIIi111IIIIl'i1iiiii1i1iiiii1i1iiiii1i1iiiii11111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111\l111IIIl\l1111111IT-111111111111IIII1111IIII1111IIIIiiiiiiiii1iiiii1i1iiiii1i1iiiii1i1iiiii11111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi1111Illi11111111111IIIII11111111i1iiiii1lllllllliiiiiiiiglobal^sources電源系統(tǒng)圖6濾波器幅頻相頻曲線和Q值相頻特性曲線看出，重極點(diǎn)引起的相位180°轉(zhuǎn)移，受到ESR影響,使相位裕度不到45。。減小ESR和DCR的值，會使Q值增大，使相位跌落的更厲害,使相位裕度更小。

global^sources電源系統(tǒng)電源系統(tǒng)圖7ESR為lmQ的相頻幅頻曲線基于以上LC濾波網(wǎng)絡(luò)的特點(diǎn)，影響電路穩(wěn)定的參數(shù)有:電感L,電容C和等效電阻ESR，重極點(diǎn)跌落的程度影響系統(tǒng)的穩(wěn)定度，因此需要設(shè)計(jì)相位補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)減小重極點(diǎn)的相位降。以上分析了調(diào)節(jié)器和濾波器的傳遞函數(shù),綜合兩者可以得到補(bǔ)償前系統(tǒng)的幅頻增益特性。global^sources電源系統(tǒng)1UUdTOC\o"1-5"\h\zIIIIII1IIIIIIIIIIIIlli11I1IIIIIIIIIIIIIIIlli11I1IIIIIIIIIIIIIIIlli11I1IIIIIIIIIIIIIIIllionJ*—11—*iiiiiiiiiiiiiiiiiiiiii,.,.,*nfi7iiBvSinP.-1-.ILEL丄-+-fflIiiiI1IIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIIII11I1IIIIIIIIIIIIIIIIII圖8補(bǔ)償前系統(tǒng)幅頻曲線global^sources電源系統(tǒng)3.誤差放大器的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí),主要是用波特圖表示調(diào)節(jié)器,濾波網(wǎng)絡(luò)和開環(huán)傳遞函數(shù)的頻率特性。系統(tǒng)的開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖能夠準(zhǔn)確的給出系統(tǒng)的穩(wěn)定性和穩(wěn)定裕度,而且還能大致的衡量閉環(huán)系統(tǒng)的動態(tài)穩(wěn)定性和穩(wěn)態(tài)特性。波特圖里面有兩個(gè)物理意義,整個(gè)閉環(huán)回路希望系統(tǒng)的帶寬寬和增益大,帶寬越寬代表輸出電壓變化時(shí),處理速度越快;增益大代表輸出電壓出現(xiàn)細(xì)微的變化就有處理的動作。但很多危險(xiǎn)的調(diào)節(jié)都是片面的追求帶寬和增益而導(dǎo)致系統(tǒng)出現(xiàn)不穩(wěn)定機(jī)會。3.1三個(gè)頻段分析在定性的分析系統(tǒng)性能時(shí),可以將波特圖大致分為低,中,高三個(gè)頻段。1低頻段開環(huán)傳遞函數(shù)頻率特性低頻段的形狀直接反映系統(tǒng)包含的積分環(huán)節(jié)的個(gè)數(shù)和直流增益的大小,因此它主要影響系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能。對于開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng),理想的低頻特性是直流增益無限大。以-20DB的斜率下降。2中頻段中頻段大致是指幅頻特性以-20dB斜率下降并穿越0dB線的頻段。中頻段的寬度與系統(tǒng)的穩(wěn)定性密切相關(guān)。寬度越大，相位裕度m?越大。穿越頻率cw與系統(tǒng)的上升時(shí)間,調(diào)節(jié)時(shí)間以及超調(diào)量a等動態(tài)性能密切相關(guān)。cw越大,系統(tǒng)的相應(yīng)速度越快，但超調(diào)量a越大。另外，對于開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，過高的穿越頻率可能導(dǎo)致高頻開關(guān)頻率及諧波頻率和寄生振蕩引起的高頻分量得不到有效的抑制,系統(tǒng)仍不能穩(wěn)定的工作。因此理想的中頻段，需要增加一個(gè)-40dB下降的頻段,以達(dá)到降低中頻增益限制過高的穿越頻率。3高頻段高頻段距穿越頻率較遠(yuǎn)，開環(huán)傳遞函數(shù)對數(shù)幅頻特性對系統(tǒng)的動態(tài)性能影響不大，但它反應(yīng)了對高頻干擾信號的抑制能力。高頻段幅頻特性衰減越快，系統(tǒng)的抗干擾能力越強(qiáng)。對于開關(guān)調(diào)節(jié)系統(tǒng)，理想的高頻段應(yīng)以-40斜率下降。負(fù)載瞬態(tài)階躍變化的情況下，比較有下調(diào)電壓的電源和沒有下調(diào)電壓的電源的性能。雖然這兩種電源有著相同的瞬態(tài)電壓變化趨勢和負(fù)向瞬變過程，但是對于有下調(diào)電壓的電源，當(dāng)負(fù)載增加時(shí),輸出電壓會產(chǎn)生一個(gè)負(fù)向的VA的瞬態(tài)電壓峰值，同時(shí)靜態(tài)輸出電壓應(yīng)當(dāng)相應(yīng)的減小。這就意味著在瞬態(tài)變化后靜態(tài)調(diào)節(jié)電壓將會保持在一個(gè)較低的數(shù)值而不需要返回到原值。隨后負(fù)載電流突然減小，這個(gè)降低的靜態(tài)電壓將會產(chǎn)生一個(gè)正向的VA瞬態(tài)電壓并最終穩(wěn)定在瞬態(tài)峰值電壓附近。所以，負(fù)向和正向瞬態(tài)漂移不是直接的相加，相當(dāng)于總的漂移值低于兩者之和。如果優(yōu)化下調(diào)電壓使其等于瞬態(tài)電壓的峰值，則正向瞬態(tài)電壓值剛好回到初始電壓值CCV。結(jié)果表明,總體瞬態(tài)漂移剛好為VA,global^sources電源系統(tǒng)但如果沒有電壓的下調(diào)電壓，總體瞬態(tài)漂移則為2VAo根據(jù)以上的設(shè)計(jì)原則,補(bǔ)償部分的設(shè)計(jì)步驟是:把系統(tǒng)的性能指標(biāo)和技術(shù)要求轉(zhuǎn)化為開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖;根據(jù)開環(huán)傳遞函數(shù)的波特圖和控制器,LC濾波網(wǎng)絡(luò)的波特圖繪制補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的波特圖;基于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的波特圖，選擇合適的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行參數(shù)設(shè)計(jì)。主板供電系統(tǒng)經(jīng)常使用的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有2,3型,也就是單極點(diǎn)單零點(diǎn),雙極點(diǎn)雙零點(diǎn)。同步Buck型電路,經(jīng)驗(yàn)值帶寬應(yīng)設(shè)為開關(guān)頻率的20-30%之間。3.2單極點(diǎn)-單零點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)global^sources電源系統(tǒng)222111221211(TYPESRCHSRCCCSSRCC-+II+?+丿（9圖9單極點(diǎn)單零點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)（Type2低頻段提供一個(gè)積分環(huán)節(jié),穩(wěn)態(tài)誤差為零,所以這種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)第一特點(diǎn)是直流增益高,穩(wěn)態(tài)誤差為零;在控制對象傳遞函數(shù)的最低極點(diǎn)或以下引入一個(gè)零點(diǎn),補(bǔ)償這個(gè)極點(diǎn)引起的相位之后,也可以說這個(gè)零點(diǎn)抵消補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)自身的積分環(huán)節(jié)引起的相位滯后,所以能夠使補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在這一頻段內(nèi)變?yōu)橐粋€(gè)反相器,使相位增加了90°。補(bǔ)償器的最后一個(gè)極點(diǎn)用來抵消ESR電阻引起的零點(diǎn)。global電源系統(tǒng)22圖10Type2波特圖根據(jù)以上原則,下面分析元器件的選擇:1選定1R，通常選擇2—5kQ;2根據(jù)中頻增益21RR的大小調(diào)節(jié)帶寬，根據(jù)系統(tǒng)的參數(shù)和第一步確定的1R值，確定2R21ESRPPLCESRINFVDBWRRFFV(10DBW為所需要的帶寬3根據(jù)LC重極點(diǎn)的位置確定2C22102LCCRFn=--(114最后確定抑制高頻極點(diǎn)所擺放的零點(diǎn)的1C大小，將零點(diǎn)放在12SWF處(17([]22(17([]222222221221SWCCRFCn=?…-(12由此,可以計(jì)算采用第2類補(bǔ)償方法的系統(tǒng)傳遞函數(shù):global^sources電源系統(tǒng)global^sources電源系統(tǒng)圖11采用Type2補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)系統(tǒng)

1112212111(1(INOUTSYSTEMPPOUTOUT--A+-+?+?---A+-+?+?-+??(13系統(tǒng)增益為:22(TYPEMODULATORLCTYPEGAINfGAINGAINGAIN=++(14220INTYPEMODULATORPPVGAINlgV=?A?，(15(((222221012101(22(TYPELCOUTOUTOUTGAINlgESRCfLCfESRDCRC+?++?+?IILJLJ2121012202(1012TYPECCGAINlgRClgRCClgfRCC=.++-.+?.IIIIIILj+iij(18系統(tǒng)的相位為:2(MODULATORLCTYPEPHASEfPHASEPHASEPHASE=++(19[]22arctan2arctan21OUTLCOUTOUTfESRDCRCPHASEfESRCfLCnnn.+.=..+i..J.+.=..+i..J(20global^sources電源系統(tǒng)(1222221290arctan2arctan2TYPECCPHASEfRCfRCCnn°=-+..=-+..II+\丿(21對于選定的參數(shù),分別用仿真軟件做檢查工作,使其達(dá)到理想的效果,如果仍沒有達(dá)到理想的相位裕度,可以使用3類補(bǔ)償方法。3.3雙極點(diǎn)雙零點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)global^sources電源系統(tǒng)圖13雙極點(diǎn)雙零點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)(Type3(221331331311212233112(12TYPESSRCRRCRRHSRRCCCSSSCCRR/c\/c\+-+1n.(+?+?n.(+?+?+III.??III.??(221直流處提供一個(gè)極點(diǎn),穩(wěn)態(tài)誤差為零,這一特點(diǎn)與type2類相同;由于補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)存在兩個(gè)零點(diǎn),若其相頻對數(shù)特性曲線可提供180°的相位超前,假定將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的這個(gè)個(gè)零點(diǎn)設(shè)置在重極點(diǎn)的位置,可以補(bǔ)償這兩個(gè)最低極點(diǎn)引起221221的相位滯后。因?yàn)殡p重極點(diǎn)的濾波器可以產(chǎn)生最大相位滯后180°。因此這種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以作為雙重極點(diǎn)型控制對象的控制器;補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的第一個(gè)極點(diǎn)是用來抵消輸出電容ESR引起的零點(diǎn)的;第二個(gè)極點(diǎn)用來保證開環(huán)傳遞函數(shù)有一個(gè)較好的相位裕度和增益裕量,同時(shí)在高頻段,幅頻特性的下降斜率為-40dB,對高頻干擾有良好的抑制作用，因此type3型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有更好的抑制高頻干擾能力。元器件的選擇原則:1首先選擇1R值為2-5kQ;2選定一個(gè)增益值21RR,來改變開環(huán)的帶寬,glo&al^sources電源系統(tǒng)21PPLCINVDBWRRFVA=--(233把零點(diǎn)擺放在輸出濾波器重極點(diǎn)的50%頻率處，可得到2CLC

CRFn=--(24把第一個(gè)極點(diǎn)擺放在ESR引起的零點(diǎn)的位置,可得到1C計(jì)算式212221ESRCCRFCn=?…-(25把第二個(gè)極點(diǎn)擺放在1/2的開關(guān)頻率處,第二個(gè)零點(diǎn)放在重極點(diǎn)處,可得到一下參數(shù)的計(jì)算式1312SWLCRRFF=-?,(26331SWCRFn=??(27global^sources電源系統(tǒng)CSSSCCRRCnn+?CSSSCCRRCnn+?+第三類補(bǔ)償?shù)南到y(tǒng)傳遞函數(shù)可以可到:圖14采用Type3補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的閉環(huán)系統(tǒng)(2213313213112122331121(1(12INOUTSYSTEMPPOUTOUTSSRCRRVSESRCHSRRCVSESRDCRCSLCCPPOUTOUTSS?+?++?IIIII丿u?+?++?IIIII丿u??a+?+?+??AA+?+?+?丄glo&al^sources電源系統(tǒng)三主板5V-3.3V變換應(yīng)用根據(jù)以上設(shè)計(jì)原則,在計(jì)算機(jī)主板上設(shè)計(jì)5V直流轉(zhuǎn)換為3.3V同步整流電路。輸入電壓Vin5V輸出電壓Vout3.3V三角波電壓Vosc1.5V開關(guān)頻率Fsw300kHz輸出電容Cout990u電容寄生電阻ESR5m輸出電感Lout900n電感寄生電阻DCR3m設(shè)計(jì)帶寬DW90kHz表15V-3.3V設(shè)計(jì)應(yīng)用根據(jù)表中的設(shè)計(jì)規(guī)范,分別采用第2類和3類補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)方案。1.根據(jù)輸出電壓,電流紋波要求確定電感,電容的大小,計(jì)算出5332LCFHz=32513ESRFHz=2采用2類補(bǔ)償設(shè)置零極點(diǎn)位置確定123123420.86151.850.25872.8616.987RKRKRKCnFCnFCnF=Q=Q=Q===做出波特圖如下global^sources電源系統(tǒng)global^sources電源系統(tǒng)圖15采用單極點(diǎn)單零點(diǎn)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)波特圖藍(lán)色曲線表示調(diào)節(jié)器和濾波器的幅頻，相頻曲線,ESR小決定了其引起的零點(diǎn)距離LC重極點(diǎn)距離較遠(yuǎn),在重極點(diǎn)處相位快速跌落,對補(bǔ)償產(chǎn)生了很大的難度