功率轉換器的光耦合器及反饋回路

設計功率轉換器的挑戰

主要原因之一即在于電路板的空間有限。若要縮小轉換器的外型尺寸，就必須提高頻率。這樣做能夠使用較小的元件。通過(guò)將切換頻率提高及讓轉換器的實(shí)體尺寸縮小，整體的效率需求也會(huì )提高。

輸出電壓降低時(shí)，功率級會(huì )增加，讓負載的頻率速度得以加快，這會(huì )造成輸出電流量提高。當負載以較高的頻率動(dòng)態(tài)變化，控制回路必須保持不變。即使采用所有這些節省空間的規劃，未來(lái)在功率轉換器的設計上仍有其他挑戰。

其中一項挑戰是控制回路。若要處理更高的負載動(dòng)態(tài)(load dynamics)，并善用更小的元件優(yōu)勢，就需要更快速的控制回路。對于過(guò)去較慢的切換頻率來(lái)說(shuō)，3kHz的范圍已經(jīng)夠好了，但當切換頻率增加到200kHz以上，設計人員就會(huì )需要在比3kHz范圍還大很多的頻率下交越0dB增益點(diǎn)。對于最不理想的線(xiàn)路及負載條件，200kHz供應的上限(根據可接受的理論值)為40kHz。

以此相對較高的頻率交越0dB增益，可讓設計人員使用較小的輸出電容，即使較高動(dòng)態(tài)負載出現變化也是這樣。這是因為當增益交越(gain crossover)提高，轉換器的響應會(huì )加快，而且輸出電容不需要在負載瞬時(shí)期間長(cháng)時(shí)間保持電壓?？刂齐娐窌?huì )調整傳輸功率，以補償及控制輸出電壓，而且不需要仰賴(lài)輸出電容來(lái)對負載或線(xiàn)路瞬時(shí)進(jìn)行控制。此外，磁性元件因為切換頻率增加而縮小，因此節省更多的空間。

當然，其中也有一些缺點(diǎn)。使用傳統的電路時(shí)，切換耗損會(huì )增加，不過(guò)，設計更精良的元件已大幅減少切換耗損。

使用準諧振拓樸，例如含UCC3895之類(lèi)控制器的相移全橋式拓樸，有助于減少切換耗損。在許多設計中，二次側的同步切換所產(chǎn)生的效用相當顯著(zhù)。

磁性元件、開(kāi)關(guān)及輸出電容都會(huì )以頻率函數關(guān)系來(lái)影響控制對輸出的增益。反饋控制有其本身的挑戰，而且反饋電路的寄生電容是更為重要的因素。

在這些較高的頻率下，寄生電容成為一大問(wèn)題。進(jìn)行低頻率切換時(shí)，0dB交越約在5kHz或5kHz以下的頻率附近，而反饋回路中的寄生電容主要與配置有關(guān)。然而，當進(jìn)行30kHz交越設計時(shí)，會(huì )有其他因素造成問(wèn)題，其中一項因素便是本文的主題。

最近筆者在一個(gè)轉換器上遭遇到這個(gè)特殊的問(wèn)題，這個(gè)轉換器以400kHz運作，并且采用一次側使用控制IC(UCC3895)而二次側感應輸出的相移設計。

設計人員當初使用光耦合器來(lái)跨越一次側對二次側的隔離阻障，一開(kāi)始似乎一切都已經(jīng)考慮周詳，不過(guò)，回路因為某種原因而變得不穩定，而且在維持DC設定點(diǎn)時(shí)，輸出發(fā)生低程度的振蕩。

當然我們的設計人員檢查過(guò)計算過(guò)程，但是沒(méi)有發(fā)現任何明顯的因素。然后，設計人員將轉換器設定為在出現AC鏈波的DC狀態(tài)下保持穩定，并且開(kāi)始探究電路。

經(jīng)過(guò)一段長(cháng)時(shí)間的努力，發(fā)現雖然二次側的錯誤放大器確實(shí)重現了出現在轉換器輸出端的漣波，并具有正確的180度相位變化，但來(lái)自光耦合器的信號卻比頻率約為35 kHz的預期相位偏移了大約45度。這足以移除交越的相位容限(phase margin)，而導致所觀(guān)測到的振蕩。圖1顯示這三個(gè)波形。

光耦合器數據表未提及這一相移，但發(fā)現這樣的效應使得設計人員想起光耦合器會(huì )在較高頻率的情況下產(chǎn)生極點(diǎn)。在查閱不同光耦合器的數據表后，并未發(fā)現其中提及因為頻率作用所造成的相移。于是進(jìn)行了進(jìn)一步調查，并制作一個(gè)測試電路來(lái)檢查整個(gè)光耦合器之中增益與相位的關(guān)系。圖2顯示此電路，其中使用網(wǎng)絡(luò )分析儀來(lái)測量數據。

設計人員使用圖2顯示的電路進(jìn)行第一次測試，然后針對通過(guò)電阻器時(shí)所產(chǎn)生的相位和增益，繪制出相關(guān)于頻率的變化圖。圖3為測試的結果，而此測試在可調變的DC電源端使用的是4.3伏特的電壓。設計人員使用跨越R1和R2的電壓來(lái)建立這些相移。

圖3 光耦合器受測回路的相位和增益相關(guān)于頻率的關(guān)系圖

當相移45度且增益下降3dB時(shí)，極點(diǎn)的頻率約為35kHz，這便解釋了之前觀(guān)測到的現象。這個(gè)耦合器在我們關(guān)心的頻率之外，也出現其他復雜的極點(diǎn)與零點(diǎn)，不過(guò)與此分析沒(méi)有關(guān)聯(lián)，于是不加理會(huì )。

設計人員將測試電路的DC電壓增加到11V，并且重復測量類(lèi)似的結果。極點(diǎn)并未隨著(zhù)光耦合器的增大電流而明顯變化。

圖4 光耦合器較高電流的相位/增益測試

接著(zhù)設計人員嘗試在4kΩ電阻加上1.2nF電容，以補償極點(diǎn)。設計人員依序在兩個(gè)電流量重復相同的測試，而這在35kHz產(chǎn)生零點(diǎn)，有助于補償光耦合器的極點(diǎn)。

圖5 在35 kHz增加零點(diǎn)的結果

在這兩種情況下，這作法都能有效地移動(dòng)相移，當頻率超過(guò)100kHz時(shí)，它會(huì )跨越135度的相移點(diǎn)，并在超過(guò)200kHz時(shí)，其增益會(huì )維持在大于3dB以上。

然后設計人員對功率轉換器嘗試相同的程序，接著(zhù)在轉換器的光耦合器電路中增加零點(diǎn)，使光耦合器在整個(gè)線(xiàn)路及負載范圍保持穩定。

結論

如果設計人員計劃在頻率超過(guò)8kHz且具有0dB交越的封閉反饋回路中使用光耦合器，必須先測試光耦合器，以了解其中的相位及增益特性。如果無(wú)法使用網(wǎng)絡(luò )分析儀，可制作如圖6所示的簡(jiǎn)易電路。這有助于設計人員以簡(jiǎn)易的元件、具DC偏移功能的變頻信號產(chǎn)生器及電源供應器來(lái)辨識相位及增益。

將恒定振幅AC電流信號注入LED (在整個(gè)R1測得的電壓)，并且測量從光敏晶體管流出的電流(整個(gè)R2的電壓)，即可通過(guò)光敏晶體管所流出電流的振幅及相對相位了解極點(diǎn)的位置。在低頻率的情況下，CTR會(huì )造成電流差異，不過(guò)，只要頻率增加，通過(guò)晶體管的電流便會(huì )減少。將AC信號頻率增加到光敏晶體管AC信號振幅為其先前值一半的程度時(shí)，即可辨識出極點(diǎn)頻率。通過(guò)這項信息，即可計算出需要哪些元件才能在反饋回路增加零點(diǎn)。

圖6 測試電路示意圖

如果這些結果顯示在0dB交越前電路運作范圍內頻率的情況下出現不需要的極點(diǎn)，則在連接LED電路的串聯(lián)中增加零點(diǎn)可補償及重新測試光耦合器。當然，這個(gè)最終的測試是在運作的轉換器中進(jìn)行。