基于ISL6752DBEVAL1Z和ISL6754DBEVAL1Z控制卡的DC - DC電源設(shè)計(jì)

一、引言

在電源設(shè)計(jì)領(lǐng)域，ISL6752DBEVAL1Z和ISL6754DBEVAL1Z這兩款插件式子卡上的DC - DC電源控制器備受關(guān)注。它們采用了Intersil的ZVS諧振開關(guān)全橋拓?fù)?，專門用于離線、500W及以上的應(yīng)用場景。這兩款控制器基本相似，主要區(qū)別在于電流限制方法：ISL6752DBEVAL1Z采用逐脈沖電流限制，而ISL6754DBEVAL1Z則使用Intersil專利的平均電流限制技術(shù)。同時(shí)，它們都配備了二次側(cè)參考電壓誤差放大器，并通過線性光耦實(shí)現(xiàn)了一次側(cè)到二次側(cè)的邊界轉(zhuǎn)換，還能提供控制信號(hào)來驅(qū)動(dòng)同步整流器（SRs），并且有一個(gè)可選的控制電路用于二極管仿真。

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二、設(shè)計(jì)范圍

本應(yīng)用筆記主要涵蓋了使用電流模式控制對(duì)電壓誤差放大器進(jìn)行補(bǔ)償?shù)姆椒?，同時(shí)也會(huì)探討ISL6752和ISL6754的峰值電流限制偏置。假設(shè)讀者對(duì)峰值電流模式控制有基本的了解，并且建議熟悉應(yīng)用筆記AN1262 “Designing with the ISL6752, ISL6753 ZVS Full - bridge Controllers”。此外，還會(huì)涉及ISL6754平均電流限制誤差放大器的補(bǔ)償，以及ISL6754從電壓調(diào)節(jié)過渡到電流調(diào)節(jié)時(shí)的正確操作實(shí)現(xiàn)要求。

三、基本設(shè)計(jì)考慮

3.1 誤差放大器的使用

ISL6754DBEVAL1Z使用了兩個(gè)誤差放大器。當(dāng)輸出負(fù)載電流低于電流限制值時(shí)，一個(gè)誤差放大器用于調(diào)節(jié)輸出電壓；當(dāng)輸出電流等于平均電流限制值時(shí)，另一個(gè)誤差放大器用于調(diào)節(jié)輸出電流。在本設(shè)計(jì)示例中，電流放大器內(nèi)置在ISL6754中，而外部運(yùn)算放大器用作電壓放大器。兩個(gè)誤差放大器的輸出通過一個(gè)或門二極管連接在一起。

當(dāng)電壓放大器控制輸出時(shí)，其輸出在PWM比較器的控制范圍內(nèi)（約0V至5V），此時(shí)電流放大器的輸出處于正電源軌，因?yàn)樗筝敵龈嗟碾娏?。由于電流放大器的輸出比電壓放大器更正，或門二極管會(huì)阻止電流放大器控制輸出，使其有效地處于開環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。

當(dāng)輸出負(fù)載電流超過平均電流限制值時(shí)，電流放大器的輸出會(huì)迅速下降到PWM比較器的控制范圍內(nèi)，以調(diào)節(jié)輸出電流。此時(shí)，輸出電壓會(huì)下降，導(dǎo)致電壓誤差放大器的輸出向正電源軌電壓上升，電壓誤差放大器進(jìn)入開環(huán)運(yùn)行狀態(tài)。由于只有一個(gè)放大器控制輸出，因此可以獨(dú)立地對(duì)每個(gè)放大器進(jìn)行補(bǔ)償。

3.2 電壓控制到電流控制的過渡

設(shè)計(jì)者需要決定從電壓控制到電流控制的過渡速度。通常，負(fù)載瞬態(tài)性能規(guī)格決定了電壓誤差放大器的補(bǔ)償。對(duì)于電流放大器的補(bǔ)償，也有其他考慮因素。如果希望允許瞬間超過電流限制值的高幅度負(fù)載瞬變，那么電流放大器應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)償，以緩慢響應(yīng)負(fù)載瞬變。同時(shí)，為了將峰值負(fù)載瞬變電流限制在安全水平，應(yīng)設(shè)置ISL6754的逐脈沖電流限制，以允許最高可接受的負(fù)載瞬變幅度。

在需要快速將輸出電流限制到電流限制值的應(yīng)用中，電流放大器可以進(jìn)行補(bǔ)償，以幾乎瞬間將電流限制到該值，甚至可能使逐脈沖電流限制永遠(yuǎn)不會(huì)激活。

3.3 防止FB引腳出現(xiàn)過大負(fù)瞬變

在電壓和電流調(diào)節(jié)之間的快速和慢速過渡過程中，必須確保ISL6754的FB引腳的最小輸入電壓不超過 - 0.3V。當(dāng)電壓放大器的輸出向PWM比較器的控制范圍下降時(shí)，VERR引腳的負(fù)dv/dt會(huì)導(dǎo)致電流流過電流誤差放大器的補(bǔ)償電容，從而在FB引腳產(chǎn)生負(fù)瞬變。一種簡單的解決方案是在該引腳實(shí)現(xiàn)負(fù)電壓鉗位，同時(shí)，根據(jù)外部放大器對(duì)過大負(fù)瞬變的響應(yīng)情況，可能也需要在其負(fù)輸入引腳設(shè)置類似的鉗位。

四、設(shè)計(jì)步驟

4.1 設(shè)置振蕩器頻率

通過一系列公式計(jì)算得出振蕩器頻率，其中涉及到振蕩器定時(shí)電容、定時(shí)電容放電電阻等參數(shù)。最終計(jì)算出的頻率為228.121KHz，但由于Q1對(duì)CT引腳的負(fù)載影響，ISL6752_54EVAL1Z的實(shí)際開關(guān)頻率為200KHz。

4.2 計(jì)算逐脈沖電流限制的Rs值

首先計(jì)算每個(gè)電流倍增器電感的標(biāo)稱占空比和標(biāo)稱導(dǎo)通時(shí)間，然后計(jì)算輸出電感電流的上升斜率、初級(jí)側(cè)磁化電流的變化量，進(jìn)而得出電流傳感變壓器輸出端的峰值輸出電流。最后，通過計(jì)算得出Rs的值。

4.3 斜率補(bǔ)償

定義斜率補(bǔ)償比，通過一系列公式計(jì)算得出相關(guān)參數(shù)，如輸出電感電流的下降斜率、初級(jí)側(cè)磁化電流的上升斜率等，最終求解出Rb的值，以實(shí)現(xiàn)最佳的斜率補(bǔ)償。

4.4 平均電流限制（僅適用于ISL6754）

為了防止峰值電流限制干擾平均電流限制控制環(huán)路，將平均電流限制設(shè)置為較低的值。通過選擇R25和R26的電阻分壓器，使得當(dāng)輸出電流為平均電流限制值時(shí)，F(xiàn)B引腳的電壓為0.6V。

4.5 電流模式功率級(jí)的小信號(hào)增益

通過一系列公式推導(dǎo)，得出電流模式功率級(jí)的小信號(hào)增益表達(dá)式。通過繪制圖表可以看出，在不同的輸出電壓和輸入電壓條件下，輸出電流隨誤差電壓的變化情況，以及小信號(hào)增益的穩(wěn)定性。

4.6 電壓誤差放大器的補(bǔ)償

4.6.1 相關(guān)函數(shù)定義

定義了用于Bode分析的函數(shù)，如增益的分貝表示、相位的度數(shù)表示、單位增益頻率和單位增益相位裕度等。

4.6.2 放大器開環(huán)增益分析

對(duì)LMV431和EL5111的開環(huán)增益進(jìn)行分析，通過插入極點(diǎn)來重現(xiàn)數(shù)據(jù)手冊中的增益/相位圖，得出它們的開環(huán)傳遞函數(shù)。

4.6.3 放大器增益計(jì)算

計(jì)算電壓放大器和EL5111補(bǔ)償放大器的增益函數(shù)，并通過繪制增益/相位圖進(jìn)行驗(yàn)證。

4.6.4 總電壓環(huán)路增益的Bode圖

分析PWM電流模式功率級(jí)的小信號(hào)增益，考慮輸出負(fù)載的影響。ESR對(duì)環(huán)路穩(wěn)定性有顯著影響，通過增加ESR可以提高相位裕度和單位增益頻率。為了避免PWM開關(guān)頻率不穩(wěn)定，可能需要在U2放大器上添加極點(diǎn)來降低單位增益頻率。

4.6.5 負(fù)載調(diào)節(jié)

由于PWM輸出級(jí)增益的變化，最小負(fù)載和最大負(fù)載下的低頻閉環(huán)增益差異較大，導(dǎo)致輸出電壓隨負(fù)載增加而下降。通過比較使用LMV431和EL5111作為誤差放大器時(shí)的負(fù)載調(diào)節(jié)情況，可以發(fā)現(xiàn)使用EL5111可以提高負(fù)載調(diào)節(jié)性能。

4.7 電流誤差放大器的補(bǔ)償

4.7.1 內(nèi)部放大器開環(huán)增益

假設(shè)ISL6754內(nèi)部放大器的最大增益為100dB，GBWP為5MHz，得出其開環(huán)傳遞函數(shù)。

4.7.2 電流誤差放大器增益

計(jì)算電流誤差放大器的增益函數(shù)，通過設(shè)置相關(guān)參數(shù)進(jìn)行補(bǔ)償，以實(shí)現(xiàn)電流調(diào)節(jié)閉環(huán)的穩(wěn)定運(yùn)行。

五、總結(jié)

通過對(duì)ISL6752DBEVAL1Z和ISL6754DBEVAL1Z控制卡的詳細(xì)設(shè)計(jì)分析，我們了解了如何使用電流模式控制對(duì)電壓和電流誤差放大器進(jìn)行補(bǔ)償，以及如何設(shè)置電流限制和斜率補(bǔ)償?shù)汝P(guān)鍵參數(shù)。在實(shí)際設(shè)計(jì)中，需要根據(jù)具體的應(yīng)用需求和性能要求，合理選擇和調(diào)整這些參數(shù)，以確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性。同時(shí)，由于實(shí)際電路中可能存在各種寄生效應(yīng)，因此必須實(shí)際測量Bode響應(yīng)，以確保環(huán)路補(bǔ)償?shù)某浞中浴Ｄ阍趯?shí)際設(shè)計(jì)中是否也遇到過類似的問題呢？歡迎在評(píng)論區(qū)分享你的經(jīng)驗(yàn)和見解。