預測UCC289X有源鉗位正向轉換器的環(huán)路穩定性技術(shù)方案

作者： Richard Yang，德州儀器 (TI)中國Power FAE

摘要
本文中，我們利用連續電感器電流條件下有源鉗位正向轉換器的峰值電流模式（PCM）改進(jìn)型小信號模型，預測UCC289X應用的實(shí)際環(huán)路穩定性。為了驗證計算結果的有效性，我們通過(guò)實(shí)際測量基于UCC2897 EVM樣機，并建立UCC2897A仿真模型來(lái)進(jìn)一步證明。其結果表明，基于改進(jìn)型小信號模型的計算結果也可以精確地預測實(shí)際環(huán)路穩定性。

1、引言
隨著(zhù)電源可靠性評估的不斷發(fā)展，使用特定環(huán)路分析儀器進(jìn)行環(huán)路穩定性測試成為目前唯一必不可少的要求。但是，在實(shí)際開(kāi)發(fā)過(guò)程中，工程師們常常在環(huán)路穩定性功能調試上面花費太多的時(shí)間。例如，使用有源鉗位轉換器時(shí)，我們總是會(huì )碰到環(huán)路穩定性問(wèn)題，因為很難在大信號負載動(dòng)態(tài)和小信號環(huán)路穩定性之間實(shí)現一種較好的平衡，特別是在峰值電流控制模式下更是如此。在大信號負載動(dòng)態(tài)優(yōu)化方面，MOS電壓應力有巨大的影響力。為了獲得較好的優(yōu)化，工程師們通常會(huì )花費大量的時(shí)間重復調試環(huán)路穩定性。

由于其小信號模型并不準確，因此對于這種計算方法是否適用于實(shí)際測量存在爭議，但是如果可以得到準確的小信號模型，則這個(gè)問(wèn)題便可以迎刃而解。

本文的目標是建立一個(gè)計算平臺，根據UCC289X應用所使用有源鉗位正向轉換器的改進(jìn)型CCM小信號模型來(lái)驗證環(huán)路穩定性。圖1顯示了實(shí)際EVM驗證舉例，另外，本文還將為你提供許多比較數據。最后，經(jīng)過(guò)證明，使用UCC289X應用時(shí)，環(huán)路穩定性計算對于開(kāi)發(fā)期間的實(shí)際設計和調試都非常有用。

圖1 基于EVM的原理圖

2、功率級傳輸函數計算
請參見(jiàn)圖1所示原理圖的BOM。下表列出了功率級參數。

求解工作占空比為：

輸出負載計算得到：

等效主檢測電阻為：

求解mc為：

由前面的一些參數，可使用MathCAD或者模擬軟件繪制出該傳輸函數的波特圖和相位特性圖

其中：

對于UCC289X應用來(lái)說(shuō)，系數KC由內部分電阻器決定；它被設置為0.2，則控制到輸出傳輸函數的最終功率級傳輸函數為：

圖2顯示了計算結果：

圖2 控制到輸出傳輸函數的波特計算

3、反饋環(huán)路的傳輸函數
在UCC2897X應用中，電壓補償電路大多與圖3所示電路一起使用。

圖3 電壓補償電路

OPTO建模，對獲得反饋環(huán)路傳輸函數最為重要。正常情況下，準確建模取決于兩個(gè)參數。第一個(gè)參數為OPTO的CTR，它取決于其穩定值，并可輕松求解得到。很多時(shí)候，第二個(gè)參數有些難以得到，因為其具有高頻特性。

圖4 開(kāi)關(guān)時(shí)間對比SFH690BT相關(guān)負載電阻

但是，影響這種高頻特性的最重要參數為RL和Cin。Cin是指內部電容；我們假設在電流控制電流源輸出端之間添加它，以進(jìn)行瞬態(tài)分析。根據下列公式計算Cin：

在這種Ic為1mA的應用中，我們可以假設Tr約為40u，則Cin為：

由上面結果，我們可以選擇Cin為10n。
則反饋傳輸函數為：

因此，閉合總傳輸函數為：

利用下列函數使環(huán)路閉合：

使用MathCAD繪制結果為：

圖5 閉合環(huán)路的總電壓環(huán)路穩定性計算結果

4、使用仿真驗證環(huán)路穩定性
為了論證上面傳輸函數的有效性，我們基于EVM應用方案創(chuàng )建典型電路基礎上建立了一個(gè)UCC2897A仿真模型。電路參數與EVM BOM的基本一致。

圖6 環(huán)路穩定性驗證仿真電路

圖7到圖9顯示了計算與仿真之間的對比情況。

圖7 38Vdc輸入和3.3V/30A輸出工作狀態(tài)下計算與測量總電壓環(huán)路曲線(xiàn)圖比較


圖8 48Vdc輸入和3.3V/30A輸出工作狀態(tài)下計算與測量總電壓環(huán)路曲線(xiàn)圖比較


圖9 72Vdc輸入和3.3V/30A輸出工作狀態(tài)下計算與測量總電壓環(huán)路曲線(xiàn)圖比較

下列表顯示了比較情況：


它表明，計算結果可很好地匹配模擬結果。

5、利用實(shí)際測量驗證環(huán)路穩定性
為了進(jìn)一步驗證計算得環(huán)路曲線(xiàn)圖，我們把48-Vdc輸入和75Vdc輸入時(shí)基于UCC2891EVM的計算結果與實(shí)際測量結果進(jìn)行比較：

圖10 48Vdc輸入和3.3V/10A輸出工作狀態(tài)下計算與測量的總電壓環(huán)路曲線(xiàn)圖比較

圖11 75Vdc輸入和3.3V/10A輸出工作狀態(tài)下計算與測量的總電壓環(huán)路曲線(xiàn)圖比較

下列表列舉了比較情況：

它表明，計算結果可以很好地匹配測量結果。

請注意：測量結果的計算增益余量有些過(guò)大，這是因為，當頻率較高時(shí)，諧振寄生參數預測高度的復雜。

6、 結論
通過(guò)使用涉及UCC289X有源鉗位正向轉換器的改進(jìn)型小信號模型來(lái)預測實(shí)際環(huán)路穩定性，這對實(shí)際環(huán)路調試工作非常有用。工程師在對環(huán)路穩定性進(jìn)行調試時(shí)，使用這種方法可以實(shí)現更高效。

7、參考文獻
1、《UCC289/1/2/3/4電流模式有源鉗位PWM控制器》，產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)（SLUS542）
2、《UCC2897A電流模式有源鉗位PWM控制器》，產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)（SLUS829D）
3、《UCC3580/-1/-2/-3/-4單端有源鉗位重置PWM》，產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)（SLUS292A）
4、《有源鉗位重置48V 到1.3-V、30A正向轉換器UCC2891EVM》，作者Steve Mappus，見(jiàn)于《UCC2891EVM使用用戶(hù)指南》（SLUU178）
5、《利用UCC2897A理解并設計有源鉗位電流模式控制轉換器》（SLUA535）
6、《UCC284X/UCC289X/LM5026適用PCM控制改進(jìn)型CCM小信號模型》