Buck變換器" title="Buck變換器">Buck變換器由于具有效率高的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、GPS、MP3等移動(dòng)多媒體設(shè)備上，目前很多電源管理" title="電源管理">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(hù)功能方面存在一些差異，但是他們電路的主框架結(jié)構(gòu)是基本一致的，主要可以分為兩個(gè)部分：一是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的主功率部分，另一部分是實(shí)現(xiàn)負(fù)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(duì)于不同廠商設(shè)計(jì)的Buck變換器芯片，外圍電路所需要的器件會(huì)有所不同，這是因?yàn)樾酒募啥扔胁町?，比如，有的廠商會(huì)把功率管集成在芯片內(nèi)部；有的廠商會(huì)把控制部分的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)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(duì)于客戶來(lái)說，外圍器件的選擇需要根據(jù)具體芯片來(lái)決定。然而，對(duì)于任何一個(gè)輸出可以調(diào)節(jié)的Buck變換器芯片，選擇合適的反饋電阻" title="反饋電阻">反饋電阻是必不可少的。圖2是BCD半導(dǎo)體公司的Buck變換器AP3406的典型應(yīng)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(duì)反饋電阻的作用做簡(jiǎn)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(yīng)用圖。
設(shè)置輸出電壓
反饋電阻Rf1和Rf2的第一個(gè)作用是設(shè)置Buck電路的輸出電壓值，如圖2所示，穩(wěn)態(tài)時(shí)，運(yùn)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(jì)算公式：
其中VREF是芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓（本例中為0.6V）。
影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)
為了實(shí)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(huì)有相應(yīng)的負(fù)反饋控制電路，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是反饋控制電路的一部分。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)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(shí)補(bǔ)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(huì)振蕩。圖2中黃色框內(nèi)的部分就是補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)部分，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中包括 R1，C1，C2和Rf1（注：Rf2在環(huán)路分析中不起作用），補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)可以表示為：
從上式可以看出補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了兩個(gè)極點(diǎn)，其中一個(gè)極點(diǎn)在0點(diǎn)，另一個(gè)極點(diǎn)為
，
同時(shí)還產(chǎn)生了一個(gè)零點(diǎn)
，
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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的作用是改變中頻段增益，對(duì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的零極點(diǎn)不會(huì)有影響，在圖3和圖4中的表現(xiàn)就是隨著Rf1的改變，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Gc（s）的幅頻特性上下平移，相頻特性不變。
圖3 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)幅頻特性。
圖4 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)相頻特性。
因此，當(dāng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(shí)環(huán)路增益的相頻特性保持不變。
Buck變換器由于具有效率高的優(yōu)點(diǎn)而被廣泛應(yīng)用于手機(jī)、GPS、MP3等移動(dòng)多媒體設(shè)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(hù)功能方面存在一些差異，但是他們電路的主框架結(jié)構(gòu)是基本一致的，主要可以分為兩個(gè)部分：一是實(shí)現(xiàn)電能轉(zhuǎn)換的主功率部分，另一部分是實(shí)現(xiàn)負(fù)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(duì)于不同廠商設(shè)計(jì)的Buck變換器芯片，外圍電路所需要的器件會(huì)有所不同，這是因?yàn)樾酒募啥扔胁町?，比如，有的廠商會(huì)把功率管集成在芯片內(nèi)部；有的廠商會(huì)把控制部分的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)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(duì)于客戶來(lái)說，外圍器件的選擇需要根據(jù)具體芯片來(lái)決定。然而，對(duì)于任何一個(gè)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(dǎo)體公司的Buck變換器AP3406的典型應(yīng)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(duì)反饋電阻的作用做簡(jiǎn)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(yīng)用圖。
設(shè)置輸出電壓
反饋電阻Rf1和Rf2的第一個(gè)作用是設(shè)置Buck電路的輸出電壓值，如圖2所示，穩(wěn)態(tài)時(shí)，運(yùn)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(jì)算公式：
其中VREF是芯片內(nèi)部基準(zhǔn)電壓（本例中為0.6V）。
影響系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)
為了實(shí)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(huì)有相應(yīng)的負(fù)反饋控制電路，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是反饋控制電路的一部分。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)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(shí)補(bǔ)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(huì)振蕩。圖2中黃色框內(nèi)的部分就是補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)部分，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中包括 R1，C1，C2和Rf1（注：Rf2在環(huán)路分析中不起作用），補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的傳遞函數(shù)可以表示為：
從上式可以看出補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)產(chǎn)生了兩個(gè)極點(diǎn)，其中一個(gè)極點(diǎn)在0點(diǎn)，另一個(gè)極點(diǎn)為，
同時(shí)還產(chǎn)生了一個(gè)零點(diǎn)，
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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的作用是改變中頻段增益，對(duì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)中的零極點(diǎn)不會(huì)有影響，在圖3和圖4中的表現(xiàn)就是隨著Rf1的改變，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)Gc（s）的幅頻特性上下平移，相頻特性不變。
圖3 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)幅頻特性。
圖4 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)相頻特性。
因此，當(dāng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)進(jìn)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(shí)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(cè)試結(jié)果1
圖6 Buck變換器環(huán)路增益測(cè)試結(jié)果2
圖5和圖6是用網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行AP3406環(huán)路增益測(cè)試的結(jié)果。由圖可以看出，當(dāng)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(dòng)，同時(shí)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(cè)試結(jié)果如表1所示。
表1 AP3406環(huán)路增益測(cè)試結(jié)果
系統(tǒng)的帶寬是影響系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)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(huì)產(chǎn)生變化，也就是動(dòng)態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性會(huì)發(fā)生變化。具體以表1來(lái)分析，當(dāng)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(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)相應(yīng)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(fù)載切換的動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果，從測(cè)試結(jié)果可以看出環(huán)路響應(yīng)速度變慢，導(dǎo)致輸出電壓過沖變大，動(dòng)態(tài)響應(yīng)效果變差。
圖7 動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試結(jié)果（Rf1=300k）
圖8 動(dòng)態(tài)響應(yīng)測(cè)試結(jié)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(duì)AP3406及同類補(bǔ)償結(jié)構(gòu)的Buck變換器有很重要的作用。選擇反饋電阻時(shí)，不能只考慮穩(wěn)態(tài)時(shí)，輸出電壓是否符合要求，還應(yīng)該考慮，反饋電阻對(duì)系統(tǒng)穩(wěn)定性和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的影響。