设计一个反馈转换器的反馈循环补偿器四个步骤

它的结构源自三个基本拓扑之一 - 特别是降压拓扑。但是，与降压转换器不同，反式拓扑允许从输入电源电气隔离电压输出。此功能对于工业和消费者应用至关重要。

在用于稳定电源转换器的不同控制方法中，使用广泛的控制方法是峰值电流模式，它不断感知主要电流以为电源提供重要的保护。

此外，为了获得更高的设计性能，通常使用称为交叉调节的技术以负载的输出来调节转换器。

本文旨在向工程师展示如何正确设计稳定反式转换器以提供功能的控制循环。此过程包括地减少固定误差，根据需要增加/减小带宽，并尽可能增加相/增益余量。

在对控制器进行必要的计算以稳定峰值电流控制模式飞回来之前，重要的是要了解整个闭环系统的组件：转换器平均模型和控制循环（图1）。

              图1这是整个闭环系统中组件的外观。资料来源：整体电源系统

设计工程师的主要兴趣是研究负载变化下转换器的行为。考虑到固定的输入电压（v in），可以在占空比在占空比中产生的小扰动下建模开环转移函数，以研究电源的动态响应。

汇总的开环系统可以用等式1：             （1）建模

其中g是电流sense增益转换为电压，而g c（s）和g ci（s）是反式转换器在占空比小扰动下分别（分别（分别）（分别）（分别）（分别）磁化电流响应（分别）。 GαTS是坡道补偿的建模，以避免在开关频率的一半处的双极振荡。

反式转换器控制设计

在设计Flyback Converter的控制循环时，涉及许多决定和权衡。本文的以下各节将逐步解释设计过程。图2显示了设计流。

图2设计流程突出显示控制循环创建逐步创建。资料来源：整体电源系统

控制循环设计过程和计算

步骤1：设计输入

一旦根据相关规范设计了转换器的主要参数，就该将参数定义为控制循环设计的输入了。这些参数包括输入和输出电压（分别为v in和v OUT），操作模式，开关频率（F SW），占空比，磁性电感（L M），转弯比（N P：N S），分流电阻（R分流器）和输出电容（C OUT）。表1显示了本文讨论的电路的设计输入摘要。

表1这是创建控制循环所需的设计输入的摘要。资料来源：整体电源系统

要设计一个飞回转换器补偿器，有必要首先获得所有使转换器的主要组件。在这里，HF500-40反式调节器用于使用OptoCOCOPLER反馈来演示补偿器的设计。该设备是带有内置坡度补偿的固定频率，电流模式调节器。由于转换器在低线输入下以连续传导模式（CCM）起作用，因此产生了开关频率一半的双极振荡。内置的坡度补偿会削弱这种振荡，使其作用几乎无效。

步骤2：计算开环传输函数的参数

计算开环传输函数的参数并计算所有补偿器参数的值，这些参数可以在动态行为级别上优化转换器。

峰值电流控制反式转换器的开环传递函数（还包括补偿坡道因子）可以用等式2：

      （2）

其中D'是由次级二极管（或同步FET）在切换周期中活跃的时间百分比定义的。

基本规范模型可以用等式3：             （3）定义

请注意，由于重要的寄生效应，同等的串联电阻（ESR）对输出电容器的影响已包括在传输函数中。

通过使用公式2和方程3，可以计算重要参数。

共振频率（F O ）可以用公式4 ：计算。

              （4）

输入相关值后，可以使用等式5：              （5）计算F O。

右平面零（F RHP ）可以用等式6：             （6）估算

Q因子（Q）可以用公式7：             （7）计算

输入相关值后，Q可以用等式8：             （8）估算。

直流增益（k）可以用等式9：             （9）计算

输入相关值后，可以使用等式10：              （10）估算K

高频零（F HF）可以用等式11：

              （11）

重要的是要注意，通过当前模式控制，对于Q而言，获得远低于0.5的值。考虑到这一点，传递函数分母中二级多项式的结果终给出了两个真实和负极。这与电压控制模式不同，或者当有很大的补偿坡道时，这会导致两个复杂的共轭极。

可以使用等式12估算两个真实和负极的杆子：             （12）

新的开环传输函数可以用等式13：             （13）计算

截止频率（F C ）可以用等式14估算：             （14）

以下各节将解释频率补偿器设计如何实现电源稳定性和出色的性能。

步骤3：频率补偿器设计

一旦建模了开环传输功能，就必须设计频率补偿器，以便可以达到性能。由于上述传输函数的频率响应具有两个独立的极点（一个以低频，一个在高频下）可以设计一个简单的II型补偿器。该补偿器不需要额外的零，在电压控制模式下不是这种情况，因为有一个双极会产生共振。

为了地减少稳态误差，必须设计倒置零（或原点的极点），因为它在低频下会产生较高的增长。为了确保系统的稳定性不受影响，频率必须比个极点低10倍，该杆的计算15：

           （15）

由于ESR寄生效应在高频下，有必要设计高频杆以补偿和消除这种效果。可以用等式16估计杆：

（16）

另一方面，通常要修改截止频率以达到更高或更低的带宽并分别产生更快或较慢的动态响应。一旦选择了截止频率（在这种情况下，将F C提高到6.5 kHz，或F SW的10％），可以使用等式17：          （17）计算补偿器的中频增益。

补偿器在频率范围内设计后，计算被动组件的值。

步骤4：设计补偿器的被动组件

在当前控制模式中用于稳定的常见II型补偿器具有交叉调节的反式反式转换器是由OptoCOPOPLER反馈组成的（图3）。

图3 II型补偿器由OptoCOPOPLER反馈组成。资料来源：整体电源系统

基于OptoCOPLER反馈的补偿器传输函数可以用等式18：         （18）估算

中频增益分为两个阶段：OptoCOPLER增益和可调电压参考补偿器增益，该增益是用等式19：

（19）

计算电阻以正确偏置光耦合器很重要。可以通过公式20估计这种电阻：     （20）

计算R D所需的参数可以在OptoCOPOPLER和可调电压参考数据表中找到。表2显示了来自OptoCOPOPLER的这些参数的典型值。

表2这是主要的OptoCOPOPLER参数。资料来源：整体电源系统

表3显示了可调电压参考的这些参数的典型值。

表3上面的数据显示了可调电压参考参数。资料来源：整体电源系统

一旦获得了上述参数，可以用等式21计算R D：              （21）

一旦获得r 3的值（在这种情况下，r 3就是HF500-40控制器的内部，值为12kΩ），以及r 1，r 2和r d的值（其中r d =2kΩ），可以用等式22：   （22）估算R f。

其中g comp是补偿器的中间频率增益，按公式计算（17）。 G Comp用于调整电源的带宽。

由于已经计算了零和高频极点，因此可以分别使用方程23和方程24计算C F和C FB。         （23）            （24）

一旦设计了开环系统和补偿器，可以使用等式25估算循环增益传输函数：          （25）

等式25基于等式13和等式18。

计算阶段并获得利润很重要，以确保电源的稳定性。

相位边距可以使用公式26：         （26）计算

输入相关值后，可以使用等式27计算相位边缘：         （27）

如果相位边缘超过50°，则需要符合某些标准的重要参数。

同时，可以使用等式28近似增益边距：           （28）

公式29以指定频率从方程式25得出：     （29）

在这种情况下，增益边距低于-10dB，这是另一个要考虑的重要参数，尤其是在遵守法规规范方面。如果结果接近0DB，则需要进行一些迭代以降低值。否则，性能是次优的。此迭代必须从降低截止频率的值开始。

这种完整的传输功能为电源提供了稳定性，并通过以下方式获得了性能。

• 化稳态误差
• 化ESR寄生效应
• 电源的带宽增加高达6.5 kHz

终设计

在计算反馈回路补偿器的所有被动组件值并确定转换器的主参数之后，可以使用Flyback调节器设计整个反激。图4使用所有计算的参数显示了电路的终设计。

图4这是终设计电路示意图的样子。资料来源：整体电源系统

图5显示了完整循环增益频率响应的Bode图。

图5为完整的循环增益频率响应显示了Bode图。资料来源：整体电源系统

通过小信号分析获得飞回来平均模型是一个复杂的过程，以准确地近似转换器的传输函数。此外，交叉调节技术涉及通过光圈反馈反馈和可调电压参考的次级调节，这使计算复杂化。