DC-DC转换器电压输出动态编程的简单方案

图1为典型的DC-DC转换器配置图。对于许多PWM控制器,电压反馈误差放大器的正向输入端通过内部连接到参考电压V_r。转换器的电压输出连接到由电阻R1和R2组成的分压网络。该设置能实现等于或高于参考电压的稳定输出电压,但在有些电压转换电路的设计中常希望输出电压比参考电压低或者能动态调整输出电压。图3的运算放大器电路能帮助设计工程师实现这样的设计,根据控制电压V_c来调整输出电压,具有一定的灵活性。本文中将介绍利用这种简单方案的分步设计过程,并介绍实际电路特性参数的计算方法。

设计要求

参考电压:V_r

控制电压:V_c在 V_c1和V_c2之间

输出电压:在V_c= V_c1时V_o= V_o1,在V_c= V_c2时V_o= V_o2。在V_c的整个电压范围内,输出电压的变化是线性的。

以上的设计要求如图2所示,输出电压与控制电压成线性函数关系,该函数的曲线通过图中的A,B两点。

电路分析

在图3的闭环电源电路中,设节点A的电压为V_R,节点B的电压为V_r2,因为流过电阻R1和R2电流相等,因此可以得到

方程1和方程2

设:

方程3和方程4

解方程1和方程2可得

方程5和方程6

将方程5和方程6右边相等,可解得输出电压V_o:

方程7

其中:

方程8和方程9

因此,输出电压V_o是控制电压V_c的线性函数,其曲线斜率为a。

采用一种曲线吻合(curve-fitting)方法来使方程4满足设计要求。其实现过程按以下步骤:

斜率匹配:

方程10

选择B点,使曲线通过B点:

方程11

将等式4与等式5相等,解得m1:

方程12

注意:

方程13

由于m1是两个实际电阻阻值之比,因此其值必为正,为了使电阻R1和R2能取到合适的值,同时m1还不能太大或太小。有两种有效的情况:

1. 方程14和方程15或

2. 方程16和方程17

上面两种情况给出了V_r2的一个限制范围,在这个范围内能得到一个有意义的值m1。在V_r2取定一个正确的值后,m1和其它参数值就能相应地确定。

设计过程和示例

假定:

方程18,方程19

方程20,并且方程21

计算斜率a:

方程22

确定V_r2:

选择一个V_r2值满足等式(1)或(2),由于很容易得到一个比V_r小的V_r2值(采用一个简单的电阻分压电路),利用上面两种有效情况的第一种可以得到:

方程23

方程24。

通过采用下面的等式可以限制V_x的共模范围:

1. 使V_x等于或大于一个最小值,V_xm=1V:

方程25

2. 使V_x等于或小于一个最大值,V_xm=3V:

方程26

因此,V_r2可以是在1.243V和1.3V之间的任何值,取V_r2=1.25V。

计算m1的大小并推出电阻R2的阻值:

方程27

方程28

根据实际应用中的可选阻值,取R2=3.01kΩ。

计算R3和R4:

方程29

给R4选择一个阻值,然后计算R3。电阻R4应该足够大以避免在极端情况下通过该电阻的电流太大而增加热消耗。但是另外一方面,R4要足够小,以避免通过其上的电流太小而对噪声和运放偏置电流太敏感。

如果将电阻R4设置为22.1k,则R3=3.68k,根据实际可用的电阻阻值,R3=3.60k。

将V_o表示成V_c的函数,并用实际的电阻阻值计算:

方程30

方程31

方程32

最后结果:

方程33

实验结果

设计出如图4所示电路并进行测试,测试结果如表1所示。可以看出测试值与计算值具有很好的一致性,存在偏差是由于理想的运放电路和实际电路的差异,实际运放电路存在有限的偏移电压和偏置电流。

动态响应性能

在不同的动态控制电压下输出电压的动态响应不一样。输出电压V_o的响应和设置时间决定于以下因素:

1. 转换器控制回路的带宽:带宽越宽,响应越快。

2. 转换器的信号响应转换速率:转换速率越快,响应越快。

3. 转换器控制回路误差放大器的转换速率。

4. 差分放大器的带宽。

其中,转换器控制回路的带宽是最重要的参数。转换器可得到的控制回路带宽为开关频率的1/(2×π)倍。对于开关频率为100kHz的转换器,其控制回路带宽限制在16kHz。Vishay Siliconix系列高频开关调节器(包括Si9165,Si9169,和Si9170)能提供最高2MHz的开关频率,理论带宽最大为318kHz。图4所示电路采用Si9165控制器和运放电路,该电路的控制电压在0.2V到2.7V之间可调,输出电压可以在0.4V到3.4V之间设定。

转换器的信号响应转换速率能表明在给定的有限控制回路带宽下转换器输出电压调高和调低的转换速率。转换器的转换速率决定于转换器的LC滤波器大小,LC滤波器越小,转换速率越快。

对于转换器控制回路误差放大器的转换速率,绝大多数转换器控制回路设置成积分器。误差放大器通常要驱动一个很大的积分器电容。运算放大器的转换速率要足够大。差分放大器的带宽要求其增益带宽为控制回路带宽的数十倍,甚至更高。

本文小结

图4中电路采用了一个简单的运算放大器来对典型的DC-DC转换器进行电压输出编程,该电路利用一个线性控制电压来实现灵活的电压变换。对于固定电压的应用可以将控制电压设定为定值,当与一个宽带DC-DC转换器一起使用时,该电路提供了一个动态控制输出电压的一个简单方案。