圖 1. 紋波注入網絡 R_r、C_r 和 C_ac

 

LM5017 是一款支持恒定導通時間 (COT) 控製的 100V 同步降壓穩壓器
，特別適合 Fly-Buck。COT 不需要補償網絡，可簡化 Fly-Buck 設計，而且 Fly-Buck 的設計流程與普通降壓設計或多或少有些相似。LM5017 產品頁麵上有很多設計實例。不過
，有個問題還是會被經常問起：如何設計穩定的 COT Fly-Buck？答案可能很簡單，但背後的解釋可能則會很複雜。我們將通過兩篇文章加以說明：本文我們將重點討論技術分析，第二篇文章則將針對設計進行逐步指導。

 

 

顧名思義
，占空導通時間是在給定輸入電壓下進行 COT 控製時的固定常數。關斷時間可通過反饋引腳電壓 (V_fb) 紋波來調製：當 V_fb 低於內部參考電壓 (V_ref) 時
，就會觸發下一個周期開關。紋波注入網絡（如圖 1 所示）通常用來生成 V_fb 紋波，因為它不僅可避免對輸出紋波的依賴，而且還允許將低 ESR 陶瓷電容器用作輸出電容器。注入紋波可仿真電感器電流紋波
，其幅值約為： 。由於在 Fly-Buck 轉換器中變壓器的磁化電流與降壓穩壓器中的三角波形相同

，因此設計 Fly-Buck 的紋波注入網絡與降壓轉換器的相關設計相同。

 

關斷時間會隨 V_fb 紋波信號變化而變化

，以對 COT 控(kong)製(zhi)輸(shu)出(chu)進(jin)行(xing)穩(wen)壓(ya)，因(yin)此(ci)它(ta)不(bu)能(neng)被(bei)視(shi)為(wei)恒(heng)定(ding)頻(pin)率(lv)控(kong)製(zhi)係(xi)統(tong)。在(zai)電(dian)流(liu)模(mo)式(shi)與(yu)電(dian)壓(ya)模(mo)式(shi)控(kong)製(zhi)法(fa)中(zhong)將(jiang)係(xi)統(tong)近(jin)似(si)為(wei)非(fei)時(shi)變(bian)的(de)經(jing)典(dian)小(xiao)信(xin)號(hao)模(mo)型(xing)在(zai)這(zhe)裏(li)並(bing)不(bu)適(shi)用(yong)。這(zhe)就(jiu)是(shi)為(wei)什(shen)麼(me) COT 控製的傳輸函數不能像其它控製法那樣被明確導出的原因所在。在文獻中，描述函數的方法可用來對 COT 控製進行建模。偏移問題相當複雜
，已超出了本文所討論的範圍，不過通過分析得到的穩定性標準可簡化為：

 

 

這個不等式不是很直觀，但能看出幾個問題。R_r×C_r 項與注入紋波幅值成反比，說明大量紋波可帶來穩定的穩壓效果。不過
，添加至反饋信號的 AC 紋波會導致不良 DC 漂移
，因此應使其適當保持為較小值。對於 LM5017 而言，在反饋引腳位置需要最低 25mV 的(de)紋(wen)波(bo)。此(ci)外(wai)

，從(cong)不(bu)等(deng)式(shi)還(hai)可(ke)以(yi)看(kan)出(chu)，增(zeng)大(da)電(dian)感(gan)和(he)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)有(you)助(zhu)於(yu)滿(man)足(zu)該(gai)標(biao)準(zhun)要(yao)求(qiu)。電(dian)感(gan)器(qi)通(tong)常(chang)由(you)紋(wen)波(bo)電(dian)流(liu)和(he)開(kai)關(guan)頻(pin)率(lv)等(deng)其(qi)它(ta)電(dian)源(yuan)技(ji)術(shu)參(can)數(shu)決(jue)定(ding)，而(er)輸(shu)出(chu)電(dian)容(rong)可(ke)能(neng)更(geng)便(bian)於(yu)調(tiao)節(jie)。應(ying)采(cai)用(yong)足(zu)夠(gou)的(de)電(dian)容(rong)，而(er)且(qie)不(bu)能(neng)忽(hu)略(lve) DC 偏置對降低陶瓷電容的影響。

 

紋波注入網絡的第三個組件是 AC 耦合電容器 C_ac。它可為 FB 引腳旁路生成紋波的 AC 組分，而且它不是一個會對開關穩定性產生影響的重要組件。C_ac 和反饋電阻分壓器 R_FBT 與 R_FBB 可形成高通濾波器，其截止頻率 (F_c) 應該足夠低才能讓紋波通過。推薦的 Fc 值可設定為小於開關頻率的 1/10，即： 

 

 

較小的 C_ac 有助於獲得更快的瞬態，建議將 C_ac 設定為小於 C_r。同樣

，這裏的影響很小
，而且 C_ac 值在設計中並不是關鍵所在。

 

簡而言之
，采用 LM5017 COT 降壓穩壓器的 Fly-Buck 設計可歸結為三個不等式，用以檢查穩定性：

 

1. 穩定性標準：

 

 

2. 紋波電壓要求：

 

 

3. 紋波 AC 耦合要求：

 

 

請注意，T_on(max) 和 D_max 都發生在最低 V_in 條件下。在實際 Fly-Buck 設計中
，隻有第一個穩定性標準是關鍵項，應留出一些裕量。在設計 Fly-Buck 時(shi)，先(xian)從(cong)紋(wen)波(bo)注(zhu)入(ru)網(wang)絡(luo)的(de)一(yi)些(xie)初(chu)始(shi)值(zhi)開(kai)始(shi)，對(dui)以(yi)上(shang)三(san)個(ge)不(bu)等(deng)式(shi)進(jin)行(xing)檢(jian)查(zha)
，然(ran)後(hou)對(dui)電(dian)路(lu)參(can)數(shu)進(jin)行(xing)相(xiang)應(ying)調(tiao)節(jie)和(he)迭(die)代(dai)。在(zai)下(xia)一(yi)部(bu)分(fen)中(zhong)，我(wo)們(men)將(jiang)針(zhen)對(dui)在(zai) Fly-Buck 設計中實施這些內容進行逐步指導。還有什麼問題嗎
？

 

參考資料：

 

1.EDN：產品指南：Fly-Buck 無需光耦合器即可為降壓電路提供具有良好穩壓的隔離式輸出

2.應用手冊《設計隔離式降壓 (Fly-Buck) 轉換器的 AN-2292》

3.Tian, S，《陶瓷電容器恒定導通時間 V2 控製的小信號分析與設計》碩士論文

，佛吉尼亞理工大學 2012 年

4.德州儀器的寬泛 V_in DC/DC 電源解決方案

 

 

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