设计步骤 有了以上的了解与认知后，很自然的一般补偿器设计的方法就可以应用了，现将这些步骤整理如下: 1.选择低压输入与满载做为补偿电路设计基准的功率电路。如前所述，采用这个工作点设计的补偿器可以延伸涵盖到其他工作点，并且有更好的相位裕量。 2.设定交越频率 fC，其回路增益波德图为 -20dB/dec 斜率。越高的交越频率，虽然代表着更快的瞬时响应，但是别忘了反激转换器固有的右半平面零点问题，这个零点无法用传统的极点补偿，所以交越频率必须远低于这个零点位置。实务上，离线反激转换器的交越频率多半设计在3kHz以下。 3.定义一个两极点、一零点的补偿电路，并设定补偿电路的零点为功率电路的低频极点；设定补偿电路的高频极点为功率电路的ESR零点。利用一组Type II 的补偿电路，恰可以结合功率电路的转移函数，成为目标回路增益。 4.根据功率电路在fC 的增益，算出补偿器的中频增益。 5.同时，相位裕量可以先预估。 6.补偿电路的转换函数可以确定了：
也就是说 (6) 式的 A、ωcp1 與 ωcz1 都可以计算出来了。 补偿电路的实现 1.选用最广泛使用的TL431与光耦合器架构，如图七。实现Type II 补偿器的电路结构有许多种，不在此讨论，仅提供最常用结合TL431与光耦的常规Type II电路计算与说明。
图七、实现反馈补偿的电路结构 2.图七补偿电路的小信号转换函数如下 [5]
图八为相应的补偿器波德图。
图八、Type II 补偿器波德图 3.从(7)式看，共有Ra、Rb、Rc3、Rd、Ca、Cb 及 CTR 等七个参数待定。而已知的只有前面算出的三个关系式。
换句话说，有四个参数必须从其他条件获得。 4.首先为电阻Rd，大部份新型的控制IC都已设定好，设计者可以从IC供货商数据中获得。 5.其次，TL431 的参考电压也可从供货商数据中得取，常规约为2.5V。为让TL431正常运作，通过Rb 的电流(Ivd) 至少须125μA，一般加上余裕，可以设定成250μA。所以 Ra 与Rb 就可以很容易的计算出来。
6.此外，光耦的电流传递比(CTR)可以从供货商数据里估计。事实上如前所述，CTR 为一非线性值，随通过光耦二极管电流大小而变。一般通过光耦二极管电流约为几百μA，CTR 约在0.1 到0.5之间，确实的数值必须透过精密量测而得。此例将假设CTR 为0.5。 7.如此一来，七个参数已经决定了四个，其余的三个参数可藉由(8)、(9)及(10)三个关系式算出唯一解。 8.算出RC3 的数值后必须要检讨一下。从TL431 运行原理，其阴极电压必须高于2.5V，同时流过阴极的电流必须大于1mA 才可以获得正确的稳压。通常会在光耦二极管上并联一个1kΩ 左右的电阻以提供足够的阴极电流。特别注意，这个并联电阻并不会改变系统小信号特性。所以可以得到下列关系式:
其中VF 为光耦二极管的顺向压降，常规约略为1.0V。RC3的最大值就可以估计出来了。
代入前面的例子，同时假定最大阴极电流为1.5mA，则RC3必须小于5.6kΩ。太高的RC3会降低补偿电路的中频增益。如果计算出来的RC3大于上限值就表示必须降低设定交越频率，或采用其他的补偿计算方法。 9.光耦合器在先天上存在一个并联于光耦三极管的等效电容，必须用电路量测的方法测得，常规约在2nF到5nF之间。补偿器计算出来的Cb值必须减去这个杂散电容，才是要外加的电容值。如果算出来的Cb值比杂散电容小，那就不需要外加电容了，不过因为不能完全补偿ESR零点(极点靠近低频)，所以相位裕量会变差一些。 設計工具與模擬驗證 为了让上述计算可以快速进行，特别制作两个Mathcad计算程序“Flyback CCM Type II Compensation” 与 “Flyback Loop Gain Analysis”，方便反馈的计算与分析。同时可藉由Simplis仿真来比较本文模型计算的误差。图九为Simplis仿真电路图，图十到图十二为本文提供的设计方法用Mathcad 分析计算与Simplis 模拟结果比较。图十为功率电路转移函数波德图，图十一为补偿器电路转移函数波德图，图十二为回路增益波德图。(a)为幅值，(b)为相位。图中红色实曲线为Mathcad依据小信号模型计算结果，蓝色虚曲线为用Simplis直接仿真的结果。可以看出从低频段到交越频率，小信号模型有很好的准确度。高频部份由于小信号模型的误差，有比较大的误差，不过因为回路增益已远小于1，对于实际瞬时响应影响不大。图十三为用Simplis仿真在输入电压为90V情况下阶梯负载变化(负载自1A瞬变到3A)的输出电压瞬时响应图，可以看出只有很小的过冲(overshoot)以及很快的回复时间(settling time)。
图九、Simplis 仿真电路图
图十、功率电路转移函数波德图 (a) 幅值, (b) 相位
图十一、补偿器电路转移函数波德图 (a) 幅值, (b) 相位
图十二、回路增益波德图 (a) 幅值, (b) 相位
图十三、负载瞬变瞬态响应图 參考文獻[1] Christophe P. Basso, “Switch-Mode Power Supplies Spice Simulations and Practical Designs”, McGraw_Hill, 2008. with Optocoupler Feedback”, IEEE PEDS 2005. [3] Yuri Panov and Milan M. Jovanovic´, “Small-Signal Analysis and Control Design of Isolated Power Supplies with Optocoupler Feedback”, IEEE TRANSACTIONS ON POWER ELECTRONICS, JULY 2005. [4] 王信雄, “定频返驰式转换器设计指南”, RTAD1202TC, 立锜科技设计指南, 2012. [5] John Schönberger, ”Design of a TL431-Based Controller for a Flyback Converter”, Plexim GmbH. |
