电压模式升压转换器的实用反馈环路研究

摘 要：升压转换器在分析和特性方面带来了一系列新的复杂因素，并且在采用电压模式控制工作时，要稳定下来，需要使用Type III补偿器来设计以连续导通模式（CCM）工作的电压模式升压转换器的环路。右半平面（RHP）零点对环路补偿和交叉频率的设计有其它限制，但是只要了解RHP零点处频率并通过适的功率级组件选择，就可以系统性能得到极大。因此极点和零点的位置的选择就显得极为重要。

关键词：升压转换器;控制;反馈环路

1 绪论

误差放大器是简单的电压至电压放大器件，即传统的运算放大器。这种类型的运算放大器需要在其输出和输入之间接入反馈以使其稳定。在稳定的直流条件下，两个输入端子实际上都处于相同的电压，这决定了输出电压的设置。分压器的两个电阻都会影响转换器输出的直流电平，较低的电阻仅被视为直流偏置电阻，因此在控制环路分析中通常将其忽略。

升压转换器为间接能量传输转换器。就传递函数而言，其移动右半平面零点（RHPZ，Right Half Plane Zero）的影响与常规零点的影响相同。但是，与常规零点时的90度相位增强相反，它会导致90度相位延迟。因此，右半平面零点使增益斜率增加20dB/十倍频程，同时相位将降低90度。

升压转换器的谐振频率随输入电压而变化。当使用电压模式控制时，移动的谐振频率会在不同的工作点上产生问题，因此应在整个工作范围内对其进行预测和测量。

2 CCM中运行的升压转换器重要的升压特性

LC滤波器的谐振频率有一个双极点。该双极点由电路的等效电感决定，是占空比的函数，其频率将随转换器的工作点而变化。与其它所有开关电源一样，控制量到输出量的传递函数中有一个区域对应于输出滤波电容器的ESR（ESR，Equivalent Series Resistance）。升压转换器具有一个右半平面零点，这会使控制变得非常困难。右半平面零点是电感（较小的更好）和负载电阻（轻负载优于重负载）的函数。控制反馈环路的带宽限制为右半平面零点频率的大约五分之一。

在断续导通模式（Discontinuous Conduction Mode，DCM）下，滤波器的谐振频率会从控制特性中消除。与降压转换器一样，LC滤波器在断续导通模式下会具有很大的阻尼，并且转换器本质上具有一阶响应。这简化了控制回路的设计，但不一定建议将其作为控制问题的解决方案。出于效率方面的考虑，通常将高功率升压转换器设计为在连续导通模式（Continuous Conduction Mode，CCM）中运行，选择电感器以优化转换器的效率，尺寸和热性能。

3 电压模式升压转换器的环路补偿

接下来设计升压转换器的反馈环路。为了更好的控制升压转换器，需要设计一个反馈放大器来补偿其输出功率级的特性。

图1所示为具有反馈环节的典型升压转换器电路，具有电压模式控制的占空比调制器。功率开关管由连续的脉冲串控制其导通和关断。通过将反馈误差放大器的输出与锯齿波进行比较来生成连续脉冲。随着升压转换器输出电压的增加，反相误差放大器的输出减小，馈入电源的占空比随之减小。反馈结构系统框图如图2所示。所有增益块都位于信号图的前路径中。电源反馈系统实际上就是这样工作的。

将输出电压与参考电压进行比较，两者之间的误差被补偿运算放大器放大。然后，该信号被馈送到占空比调制器，所产生的占空比用于驱动电源开关功率管的栅极。

图2所示具有反馈环节的电源系统框图中有三个反馈放大器。调制器增益模块是一个非常简单的函数，其数值大小等于锯齿斜坡的高度的倒数，见图1所示。采用自然采样的调制器其不会产生相位延迟或频率偏移，目前仍然是大多数电源中采用的主要反馈方案。

设计补偿器增益模块，完成控制系统环路设计。补偿器有I型，II型和III型三种类型可供不同的电路进行选择。III型补偿器主要用于补偿以CCM运行的电压模式升压转换器的放大器。

图3所示为使用常规III型补偿电路的电压运算放大器。III型补偿电路可产生两个极点（除了零极点fp0以外的fp1和fp2）和两个零点（fz1和fz2）。

电路中的电阻电容在确定极点和零点方面起着双重作用。因此，计算零极点的过程会变得相当复杂。在不影响系统整体性能的前提下，基于C1比C3大得多这样一个有效假设前提，可对系统进行简化分析。这样III型补偿器反馈环节的传递函数H（s）为：

H（S）=（SC2（R1+R3）+1）（SCR2+1）SR1（C1+C3）（SC2R3+1）（SC1C2R2C1+CC+1）

≈（SC2（R1+R3）+1）（SCR2+1）SR1C1（SC2R3+1）（SR2C3+1），C1C3（1）

4 电压模式补偿原则

进行反馈环路设计，电路参数为：Vin=5V，Vout=18V，Iout=3A，L=20μH，fs=200kHz，图4显示了其控制量到输出量传递函数的相位裕度和幅值裕度。

升压转换器采用III型补偿器进行设计时要遵循以下原则：（1）比较器的第一极点应位于积分器的原点。（2）补偿器零点位于功率级谐振频率点附近。（3）补偿器的第二极点与功率级的ESR零频率点重合放置。（4）补偿器的第三极点与功率级的右半平面零点频率点重合放置。（5）如果右半平面零点或ESR零点处频率高于开关频率的一半，则应相应的将补偿器的零点处频率置于开关频率的一半。（6）穿越频率应小于开关频率的十分之一。（7）穿越频率应小于大约五分之一的右半平面零点频率。（8）穿越频率应至少是谐振频率的两倍。基于以上这些设计原则，图5显示了一个补偿器的示例，该补偿器具有具有良好的相位裕度。

将以上这些设计规则应用于升压转换器补偿设计，如图6所示电路。升压转换器工作频率为200kHz。交界频率被限制为约1.5kHz，并以-1的增益斜率通过，在该穿越频率下测得的相位裕度为45度。由于右半平面零点与补偿器极点相接近，造成相位在穿越频率的右侧呈现出迅速下降。由图7可以看出系统环路增益非常好。

5 结论

使用III型补偿器来设计以CCM运行的电压模式升压转换器的环路。由III型补偿器的带给系统的相位裕度提升，这非常有利于弥补系统的输出功率级在谐振频率点之后出现的相位急剧下降。右半平面零点在一定程度上限制了环路补偿和交叉频率的设计，但是只要清楚的了解右半平面零点处的频率并选择合适的功率级组件，就可以使升压电路的系统稳定性得到极大的提升。

参考文献：

[1]徐云鹏.一种基于升压开关转换器的电压转换电路[P].中国，CN201420509609.7，2015.01.21.

[2]王宇星，朱波.一种用于PWM控制Buck型DC-DC变换器的带隙基准源[J].电子器件，2013（02）：118-121.

[3]王雪原，周建伟，林鹏程.一种高速宽带升压转换器斜坡补偿电路的设计[J].半导体技术，2017（9）.

[4]何惠森，来新泉，許文丹，等.一种精简的高速率功率MOS驱动器[J].西安电子科技大学学报，2012，39（2）：168-174.

[5]孙向明，高超嵩，郭迪，等.计时电路、芯片、时间振幅转换器及其控制方法[P].中国，CN201910821804.0，2019.12.27.

作者简介：邹玉东（1971-），河南安阳人。