电源设计小贴士53：采用 P-Sprice 设计电源控制环路

大家好 我是德州仪器应用经理于晓光欢迎来到电源小贴士53 这次我们将通过P-Spice对电源控制环路建模 我们将会发现 通过采用一些简单的元器件 我们可以完成电源的闭环设计 这是我们将要分析的电源 它是一个集成了MOSFET的降压线路 通常 我们采用12V电源输入 施加在图层柱结构上 控制器调整PH的节点输出 因此 PH节点或者与输入电压相连 或者与D相连 并且向LC滤波器端提供能量输出 LC滤波器用来平滑开关节点的开关波形 并在本例中提供3.3V的输出电压 这里采用的特定IC 内部集成了控制环路监测电感电流 并且实际上控制电感电路的大小 为了控制电源输出电压 我们控制功率开关器件的导通占空比 来控制流过输出电感的电流大小 也就是说将输出电感转化成为电流源 提供给输出电容以及 该图中没有标示出的后续的输出负载 因此 输出3.3V电压由这里的电阻网络监控 提供采样信号给到控制芯片 芯片该输入点是运放的输入端 运放的另一端输入连接到了内部的0.8V基准 而内部的该运放为一个跨导型运放 或者可以说是一个压控的电流源 从这个控制环路电源流提供的电流 流经这里的三个补偿元器件 因此 你会看到 我们在低频段会有积分器 在高频段设置了零点 由R3和C3决定 在更高的频段 我们获得另外一个极点 有R3和C7确定 因此 补偿引脚上的输出控制输出电感上的电流 从而控制输出负载的电流并设置相应的输出电压 以上是我们如何在该特定电源上完成我们的闭环设计 下面 我们将演示采用P-Spice建立的简单模型 在这个简单的模型里 许多之前原理图中的器件被沿用在这里 除此之外 我们也增加了一些新的符号 比如 这里的这个点 是输出电压 该电容和电阻形成了我们之前讨论的补偿电路 在这个特定线路中 我们还增加了AC source 用来测量控制环路的频率响应 我们在这里引入小的扰动信号到闭环系统中 并基于该点测量其电压 此外 我们测量返回到电源输出上的电压信号 以获得完整的环路响应特性 接下来 我们看一下运放补偿回路 这里是0.8V的基准电压 我们用压控电流源来替换运放 并且从器件手册上 我们可以获得该压控电源的跨导值 我们在模型中包含了前面线路图中的补偿元器件 另外 我们也放置了IC内部本身的阻抗 它设置了压控电流源的直流增益 因此 在这里我们有固定的直流增益 而并非由积分器来确定 另外我们做了一件有趣的事情是 在MOSFET关断的动作过程中 存在着相位延时 它有可能是整个开关周期 也可能是零个开关周期 因此 我们建立了延时大约为半个开关周期的模型 我们所做的是在此外放置了电压源 它带有一个增益为1的缓冲器 来采样补偿线路的信号 我们有延时线T1 以及延时线终端和它的特征阻抗50Ohm 最后 这里输出右侧 我们有功率级线路本身 同时 从器件手册 我们可以用查到该跨异增益值 这一部分将线性运放的输出转换我滤波器电感上的电流 因此 我们把滤波电感替换成电流源 并提供电流给到输出滤波电容和负载 你会发现 这里的输出滤波电容和上一页的参数并不致 这里因为我们在电源设计使用的电容许多是陶瓷电容 其容值会随着电容的直流偏置电压而改变 而本例中 47μF的输出滤波电容容量将会减小到30μF 这个曲线显示了延时线在整个环路响应中的影响 这里 我们红色的曲线代表了有或者没有延时线时 环路增益 因此 可以看出有无延时线 基本上对于电源的增益没有影响 然而 如果我们看一下相位曲线 如果没有延时线 我们会发现相移始终不超过90度 但是如果有了传输线 相移会远远超过了90度 如果我们在设计中未能了解这点 可能就会在环路稳定性上碰到麻烦 这里可能会在我们的控制环路中 产生额外的90度相移 并导致不稳定的工作 因此 这里是仿真结果与实际测量值的比较 同样可以看到 仿真结果和实际测量的环路增益非常的吻合 然后 如果我们看一下相位 我们可以看到仿真中采用了传输线的相位 和测试结果非常的一致 如果没有引入传输线 预测结果将会非常的差 事实上 并不是所有场合都必要加入传输线 因为我们知道相位上明显的差异发生相当高的频率段 比如 这是一个工作在600kHz的电源 在开关频率十分之一的频率之前 我们并没有看到两个曲线之间有明显的分叉 以上是我们关于电源在P-Spice中非常简单的仿真 并且只需花费几分钟时间 你可以在仿真中使用完全不同的补偿器件来快速完成设计 最后 感谢您关注电源小贴士 关于更多电源小贴士 敬请访问电源管理DesignLine 并且搜索电源设计小贴士 或者点击本视频中的链接获得有关的所有文章 谢谢