单相BUCK电路的补偿回路设计

1、单相BUCK电路的补偿回路设计2013-11-21此文档是对 Intersil TB417.1 号文件 <<Designing Stable Compensation Networks for Single Phase Voltage Mode Buck Regulators的翻译，以帮助大家理解。文中有翻译不当的地方，敬请谅 解！1. 前提为了理解此文档，设计者需要具备以下三个技能：1. 已经完成单相BUCK电路设计的大部分工作，除了补偿回路部分。2. 了解控制系统的基本原理，理解开环系统、闭环系统，增益、截止频率、带宽等概念；3. 理解波特图的含义。2. 介绍无论是同步还是异步

2、 BUCK电路，都由以下三个基本的部件构成一个稳定的闭环系统：调幅器、输出滤波器、补偿网络。如图1示：ERRORFIGURE 1, BASIC BLOCKS OF THE BUCK REGULATOR2.1调幅器图2描述调幅器的结构图。误差放大器将BUCK电路的输出值（FB引脚）与参考电压值（VREF 比较后放大，作为调幅器的输入。ERROR AMPLIFIERDRIVERPHASEFIGURE 2. THE MODULATOR调幅器的输出是 PHASE脚（SWO，增益由Regulator的输入VIN除以Regulator内部OSC的 peak-to-peak电压Vosc, Vosc的值可以通

3、过控制器手册查到。%NMODULATOR wZZZ。v W2.2输出滤波器BUCK电路的输出滤波器是 LC电路，包括L的DCR和C的ESR调幅器的输出用于滤波器的 输入，滤波器的输出是 Regulator的Vout。图3描述输出滤波器的等效电路和传递函数。传 递函数包含2个极点和1个零点。1 * 5 ESR - Cqij r"FILTER = 2lLSR + DCRrCQUT + l Lqut CQL|1FIGURE 3. THE OUTPUT FILTER2.3开环系统图4描述了 BUCK电路的开环系统以及它的传递函数。遂商_ in11 E3R coureAINOPENLOOP =

4、 dVZTTTJ0SC HES"PCHj5-CQUTFIGURE 4. THE OPEN LOOP SYSTEM图5的波特图表示开环系统的增益。FREQUENCYFIGURE 5. OPEN LOOP SYSTEM GAIN上图描述的是一般开环系统的增益曲线，定制系统会有不同的双极点和零点频率。对于那些低DCR和ESR输出滤波电路的 BUCK电路，传递函数的相位（phase）在双极点处会有很大 的衰减，传递函数的增益在双极点出会有一个脉冲。这种系统的补偿回路会非常难设计，因为电压的phase需要增加以保证充足的phase冗余。这种系统一般需要 TpyeIII （三阶）补偿 回路。关于

5、Typelll补偿回路，我们将在后文中描述。3. 补偿回路BUCK电路闭环系统中负载的变化或者输入电压的变化都会对输出电压造成影响。合适的补 偿可以在一定带宽范围内保证系统的稳定性。在大多数情况下，Typell和Typelll补偿电路可以满足这种要求。理想闭环系统要求增益(gain)以-20dB的斜率衰减，并在选择的带宽点跨越0dB点，同时要求 0dB频点之前的相位(phase)冗余大于45 。对于同步或者异步 BUCK电路，带宽(bandwidth )是开关频率(Fsw)的20%30%。3.1 Typell补偿回路图6描述的是典型的 Typell补偿回路的组成、传递函数和波特图。Typell

6、补偿回路在双极点之间使相位上升90°。这个相位上升可以用来抵消输出滤波的相位衰减。nOURjE , aEHERHE TV Pt II NETWORK图7描述的是有Typell补偿回路闭环系统的组成和传递函数。COES1 +* ,E&R+ DCR. Cqut1* E5" %UTFIGURE 7. CLOSED LOOP SYSTEM WITH TYPE H NETWORKout Put卜面给出计算补偿回路元件参数的公式。1 .确定R1阻值，一般选择 2K5K。2. 选择合适的增益值(R2/R1)，将开环系统的增益调频至需要的频点( DBW： desired bandw

7、idth )。o _ (FESR1? DBW AVOSC WFT %3. 选择C2值，使零点的频率为输出滤波器双极点频率的十分之一。102 一况 7774. 选择C1值，使闭环系统第二个极点落在0.5*Fsw频率处。图8描述了含TypeII补偿回路系统的增益和相位波特图。 其中，补偿回路增益(compensation gain)必须小于误差放大器的开环增益(open loop gain of the error amplifier )。如果闭环系统的相位冗余很难实现，那么就需要考虑使用TypeIII补偿回路。§工子FREQUENCYSlHgt，-*6*iNF|LTER4 GAlNT&

8、#165;PEIiFHA35,-尸 WguLCJR FM*itFlLTER fHA3tTYPEIIWh»r«: A HOtjULAIUK 30 G* FILTER 10Wrf l''OUT OUT' *1 ES>F? * °CFbCOUT|2-2-f ESR - DC R cnilT°PHASE-.j- bMl£r ESR C.IITP arlM ,ir l i t ksju iJ三MH Lqu '(JUT 1GA NTWn 10 Ilogh 1 i2if R, C,H 20 log|2d R.»

9、 C,H 10 log 1 *1 Inf ft,T Ca I IIIiJL «* IHK.0 c广PHASETVPEh - M * atMInf Rj C3顼*%,FIGURE 8 TYPE U COMPENSATED NETWORK3.2 Typelll补偿回路图9描述典型的Typelll补偿回路的组成，传递函数和波特图。Typelll补偿回路通过两个零点将相位拉升180°。FIGURE V. GENERIC TYPE IB NETWORK图10描述的是含Typelll补偿回路的闭环系统的组成和传递函数。2_ 'V°SC ' * ESS DC&q

10、uot;i Cout 4JU1 COUTga,m6t6T£HHJ C1 ciFIGURE 10. CLOSED LOOP SYSTEM Wrffl TYPE II) NFIWDHH+ = 一一_卜面给出补偿回路元件参数的计算公式:1.2K5K。2.确定R1阻值，一般选择选择合适的增益值（R2/R1）,将开环系统的增益调频至需要的频点（DBW： desiredbandwidth )。R2-DBW3.选择C2,使第一个零点的频率等于输出滤波器双极点频率的二分之一。4.选择C1,使第一个极点频率等于ESRS点频率。Fzi=&.5Fljcfm*fesh5.选择R3, C3,使第二个极

11、点频率等于0.5*Fsw ,使第二个零点频率等于输出滤波器的双极点频率。图11描述的是含 ypelll补偿回路的闭环系统的增益和相位波特图。同样，补偿回路增益(compensation gain )必须小于误差放大器的开环增益(open loop gain of the error amplifier )。G*INdB h ' CA,NMODULATOR ' GAINFILTER ' AIN7YPblllPMASe，1 - PHASEMOOulATOr+ PHASEF|(_TEftt PH*$ETVpEM|wnm： C5*INW0DuLaT0B - 20 llOfl&#

12、39;(Jin W 1 IE Lqut %UT CESR * DCR| %廿- 1° 坤u'T ESRGAIMypki 10 I叫n2 Cji2 20 衍g.WH 加 iCf + CZH 10 幽 1FIGURE 11 TYPE HI COMPENSATED NETWORK4.实例下面这个例子将描述完整的同步设计参数：Input Voltage : Vin = 5VOutput Voltage : Vout = 3.3VBUCK电路的补偿回路的设计流程。ERROR AMPDC GAJN FttaUEHCYPHA&eF|LTO *i|日 E1R eoyT * d

13、1;nPHASETYpE| » 90° f 如 R? CjJ atanOPEN LOOP* ' ERROR AMP GAIN r wGA BANDWIDTH1PROIWCTESR tDCR _ VL 卜厂 LOU1 COUTMOtXJLATORA FILTCR CIAII1CONVERTERCQMPENSATIO*| GAINController IC : IC = ISL6520AOSC Voltage : Vosc = 1.5VSwitching Frequency : Fsw = 300KHZTotal Output Capacitance : Cout =

14、990uFTotal ESR : ESR = 5m OhmOutput Inductance : Lout = 900nH Inductor DCR : DCR = 3m Ohm Desired Bandwidth : DBW = 90KHZ4.1 Typel I补偿回路选择R1 = 4.12K Ohm,通过计算，确定 R2, C1, C2的值：R2 = 125.8K OhmC1 = 8.464pF C2 = 2.373nF 选择标准值如下：R1 = 4.12K OhmR2 = 124K OhmC1 = 8.2pF C2 = 2.2nF 图12为对应的波特图。从增益波特图可以看到增益在LC输出

15、滤波器的截止频率处有一个抖动，在抖动之后以-20dB的斜率衰减，在90KHZ处到达0dB点。从相位波特图可以看到系统 有很大的缺陷。系统的低ES闵日DCR导致相位在LC输出滤波器的双极点频率处有一个非常陡峭的衰减。这个衰减经过90°的相位补偿之后，系统没有足够的相位冗余。从6KHZ开始，相位冗余值就小于 45。TypeII补偿回路无法满足系统的相位冗余。还有一个问题，那就是TypeII补偿回路的补偿增益超过了误差放大器的开环增益，这是不允许的。g EJffiOR AMP跄4OOULATOR AFILTIRGJUNCGMTEJlBATIOrfQ4INIdOQO1DOOOO1WDOOOFrequencyft FLTEAFkSURE 12. BOD PLOTOT THE TYPE N SYSTEM EXAMPLE4.2 TypelII补偿回路先确定 R1 = 4.12K Ohm,通过公式计算出 R2, R3, C1, C2, C3的值:R2 = 20.863K OhmR3 = 151.85 OhmC1 = 0.2587nFC2 = 2.861nFC3 = 6.987nF选择标准的电阻电容值如下：R1 = 4.12K OhmR2 = 20.5K OhmR3 = 150 OhmC1 = 0