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如何使用隔離運算放大器構建電源環(huán)路補償

發(fā)布時間:2023-02-08 來源:川土微電子 責任編輯:wenwei

【導讀】誤差放大器作為開關電源中的重要器件,對開關電源環(huán)路進行補償,開關電源的輸出的精度和響應速度有著重要作用。本文首先將光耦+TL431 和 CA-IS3102W 進行了對比,闡述了川土微電子CA-IS3102W在開關電源應用中的優(yōu)勢,給出了典型應用中的一些方法和建議。


01 隔離運算放大器的應用場合及隔離開關電源工作原理


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隔離開關電源的基本組成:


a> 功率器件:有源器件如 MOSFET、 IGBT、 SiC、 GaN 等;無源器件如二極管。


b> 磁性器件:變壓器。隔離電源中變壓器將輸入側(一般為高壓側)和輸出側(一般為低壓側)隔離。能量通過變壓器從一側傳輸?shù)搅硗庖粋?。由于兩側地不同,從而實現(xiàn)隔離。


c> 控制電路:對開關電源的被控制信號進行實時監(jiān)控。通過負反饋控制將目標量控制在設定值。


d> 驅動電路:電路中存在有源功率器件,這些器件開通/關斷時需要瞬時釋放和吸收能量,保證開關管的安全開通和關斷。驅動電路也是影響開關電源轉換效率的關鍵因素之一。


隔離開關電源的工作原理:


1> 控制電路對被控量進行實時監(jiān)控。如圖 1 所示??刂葡到y(tǒng)對輸出電壓 Vo 進行監(jiān)測。將 Vo 進行分壓后和參考電壓進行比較,且對誤差信號進行放大。一般使用 Type II 或者 Type III 補償。補償放大信號為 COMP。


2> COMP 信號通過一定方式從隔離一側送到另外一側。外界使用比較多的是光耦方式,也可以使用隔離運算放大器實現(xiàn)。


3> 將 COMP 信號從一側送到另一側后,再將信號送入電源控制器。


4> 電源控制器內(nèi)部轉換出 PWM 信號,控制功率驅動管從而控制能量使輸出電壓維持在設定值。


使用光耦隔離的隔離開關電源框圖:


在該應用中, TL431 作為基準電壓源提供 2.5V 參考電壓源。同時通過改變 Rc 和 Cc 實現(xiàn)環(huán)路補償。由于光耦必須提供一個最小工作電流,因此 R1 作為限流電阻使用并且阻值不能太大,二次側產(chǎn)生電流 i1。光耦工作時,會將二次側電流按照一定比例(CTR)傳輸?shù)揭淮蝹炔a(chǎn)生一次側電流 i2。一次側的電阻和電容網(wǎng)絡將電流信號轉化成電壓信號送至隔離電源控制器, 從而產(chǎn)生控制 PWM 信號驅動功率級。


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使用電容式隔離運算放大器的開關電源框圖在該應用中,隔離運算放大器作為基準電壓源提供 1.225V 參考電壓源。同時通過改變 Z1 和 Z2 的電阻電容網(wǎng)絡實現(xiàn)環(huán)路補償。補償后輸出值 COMP 通過 OOK 將模擬信號調(diào)制成 PWM 信號,通過隔離柵后將 PWM 信號還原成模擬信號,輸出為 EAOUT 和 EAOUT2,或者轉化成 IOUT 電流信號。EAOUT 或 EAOUT2 作為控制信號送至隔離電源控制器,從而產(chǎn)生控制 PWM 信號驅動功率級。


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光耦和 TL431 方案和隔離運算放大器比較:


表1為光耦+TL431 方案和 CA-IS3101B/CA-IS3102W 方案的比較。


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通過比較可知, CA-IS3101B/CA-IS3102W 方案的性能優(yōu)于光耦+TL431 方案:


a> 低參考電壓:使用 CA-IS3101B/CA-IS3102W 可以得到更低的輸出電壓。

b> 基準電壓穩(wěn)定性:輸出電壓更加穩(wěn)定。

c> 低基準誤差:輸出電壓精度高。

d> 響應速度快:動態(tài)響應速度快。

e> 工作帶寬:動態(tài)響應速度快。

f> 工作壽命:產(chǎn)品穩(wěn)定性及壽命。


02 隔離運算放大器的使用


隔離運算放大器增益的計算:


如圖 4 所示,從 FB 至 COMP 的傳遞函數(shù):


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當改變當 Z1 和 Z2 的電阻電容網(wǎng)絡時,可以形成不同的補償器,具有不同的頻率響應特性。


圖 5 為 Type I 型補償器。該補償器有 1 個極點,1 個零點。


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圖 6 為Type II 型補償器。該補償器有 2 個極點,1 個零點。


17.png

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圖 7和圖 8 為Type III 型補償器。該補償器有3 個極點,2 個零點。


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由于 CA-IS310x 從 COMP 到 EAOUT 的帶寬為 400kHz,設計隔離開關電源時,如果開關頻率比較高,則必須考慮該-3dB 帶寬。計算環(huán)路時必須將此頻率響應曲線添加到補償器中。如圖 9 所示。


頻率響應傳遞函數(shù)為:


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在實際應用中,還需要考慮反饋系統(tǒng)的傳遞函數(shù),即從輸出 VOUT 至補償器輸入 FB 的傳遞函數(shù)。

在實際應用中,為了將輸出電壓調(diào)整到預定值,一般采用反饋分壓電阻,因此控制環(huán)路中還必須要考慮反饋函數(shù),反饋網(wǎng)絡如圖 10 所示,假設反饋網(wǎng)絡傳遞函數(shù)為 H(s)。第一種傳遞函數(shù) H(s)=1,第二種傳遞函數(shù)H(s) =RB/RB+RT。


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從輸出 VOUT 補償網(wǎng)絡至 EAOUT 的信號傳遞函數(shù)


Gain_total_1(s)=


Gain_op(s) ? Gain_Comp(s)*H(s)。


從輸出 VOUT 補償網(wǎng)絡至 EAOUT2 的信號傳遞函數(shù) 


Gain_total_2(s)=


2.6 ? Gain_op(s) ? Gain_Comp(s)*H(s)。


結合以上計算配合功率級的傳遞函數(shù),就可以計算出整個系統(tǒng)環(huán)路所需要的補償參數(shù)。


IOUT 引腳在系統(tǒng)環(huán)路控制中的應用:


CA-IS3101B/CA-IS3102W 專門提供一路電流型輸出 IOUT 可直接驅動。該電流將 EAOUT2 上的電流進行鏡像并在 IOUT 上形成電流,以替代光耦晶體管去驅動控制器的 COMP 引腳。


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則從 EAOUT2 至 IOUT 的電流小信號傳遞函數(shù)Gm_vi(s) = – 2/Rx,從輸出 VOUT 補償網(wǎng)絡至 IOUT 的小信號傳遞函數(shù) Gain_total_3(s)= 2.6 ?Gain_op(s) ? Gain_Comp(s)*H(s)* Gm_vi(s)。


03 小結


CA-IS3101B和CA-IS3102W在隔離開關電源應用中作為反饋和補償網(wǎng)絡使用。分析了實際應用中常見的幾種補償網(wǎng)絡,推導出幾種補償器的傳遞函數(shù)。


來源:川土微電子



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