如何设计具有 COT 的稳定 Fly-Buck™ 转换器 - 1

作者：德州仪器 Xiang Fang

Fly-Buck™ 转换器拓扑被公认为是一种多功能的隔离式偏置电源，其在各类应用中得到了越来越多的关注。同步降压转换器可以配置成 Fly-Buck，但并非所有控制方法都能简单应用于这种拓扑。

图1. 纹波注入网络Rr、Cr 和Cac

LM5017 是一款支持恒定导通时间 (COT) 控制的 100V 同步降压稳压器，特别适合 Fly-Buck。COT 不需要补偿网络，可简化 Fly-Buck 设计，而且 Fly-Buck 的设计流程与普通降压设计或多或少有些相似。LM5017 产品页面上有很多设计实例。不过，有个问题还是会被经常问起：如何设计稳定的 COT Fly-Buck?答案可能很简单，但背后的解释可能则会很复杂。我们将通过两篇文章加以说明：本文我们将重点讨论技术分析，第二篇文章则将针对设计进行逐步指导。

顾名思义，占空导通时间是在给定输入电压下进行 COT 控制时的固定常数。关断时间可通过反馈引脚电压 (Vfb) 纹波来调制：当 Vfb 低于内部参考电压 (Vref) 时，就会触发下一个周期开关。纹波注入网络（如图 1 所示）通常用来生成 Vfb 纹波，因为它不仅可避免对输出纹波的依赖，而且还允许将低 ESR 陶瓷电容器用作输出电容器。注入纹波可仿真电感器电流纹波，其幅值约为：

。由于在 Fly-Buck 转换器中变压器的磁化电流与降压稳压器中的三角波形相同，因此设计 Fly-Buck 的纹波注入网络与降压转换器的相关设计相同。

关断时间会随 Vfb 纹波信号变化而变化，以对 COT 控制输出进行稳压，因此它不能被视为恒定频率控制系统。在电流模式与电压模式控制法中将系统近似为非时变的经典小信号模型在这里并不适用。这就是为什么 COT 控制的传输函数不能像其它控制法那样被明确导出的原因所在。在文献中，描述函数的方法可用来对 COT 控制进行建模。偏移问题相当复杂，已超出了本文所讨论的范围，不过通过分析得到的稳定性标准可简化为：

。这个不等式不是很直观，但能看出几个问题。Rr×Cr项与注入纹波幅值成反比，说明大量纹波可带来稳定的稳压效果。不过，添加至反馈信号的 AC 纹波会导致不良 DC 漂移，因此应使其适当保持为较小值。对于 LM5017 而言，在反馈引脚位置需要最低 25mV 的纹波。此外，从不等式还可以看出，增大电感和输出电容有助于满足该标准要求。电感器通常由纹波电流和开关频率等其它电源技术参数决定，而输出电容可能更便于调节。应采用足够的电容，而且不能忽略 DC 偏置对降低陶瓷电容的影响。

纹波注入网络的第三个组件是 AC 耦合电容器 Cac。它可为 FB 引脚旁路生成纹波的 AC 组分，而且它不是一个会对开关稳定性产生影响的重要组件。Cac 和反馈电阻分压器 RFBT 与 RFBB 可形成高通滤波器，其截止频率 (Fc) 应该足够低才能让纹波通过。推荐的 Fc 值可设定为小于开关频率的 1/10，即：

。较小的 Cac 有助于获得更快的瞬态，建议将 Cac 设定为小于 Cr。同样，这里的影响很小，而且 Cac 值在设计中并不是关键所在。

简而言之，采用 LM5017 COT 降压稳压器的 Fly-Buck 设计可归结为三个不等式，用以检查稳定性：

1. 稳定性标准：

2. 纹波电压要求：

3. 纹波 AC 耦合要求：

请注意，Ton(max) 和 Dmax 都发生在最低 Vin 条件下。在实际 Fly-Buck 设计中，只有第一个稳定性标准是关键项，应留出一些裕量。在设计 Fly-Buck 时，先从纹波注入网络的一些初始值开始，对以上三个不等式进行检查，然后对电路参数进行相应调节和迭代。在下一部分中，我们将针对在 Fly-Buck 设计中实施这些内容进行逐步指导。还有什么问题吗?

参考资料：

• EDN：产品指南：Fly-Buck 无需光耦合器即可为降压电路提供具有良好稳压的隔离式输出
• 应用手册《设计隔离式降压 (Fly-Buck) 转换器的 AN-2292》
• Tian, S，《陶瓷电容器恒定导通时间 V2 控制的小信号分析与设计》硕士论文，佛吉尼亚理工大学 2012 年
• 德州仪器的宽泛 Vin DC/DC 电源解决方案
  

前面我们探讨了使 Fly-Buck 设计稳定所需的重要设计指标。本文我们将介绍如何将这些设计指标应用到 Fly-Buck 电路设计中，以及这会对转换器工作产生怎样的影响。

图2. 典型的双输出LM5017 Fly-Buck 电路

我们假设您已经收集了所需的电源规范，并决定使用 LM5017 Fly-Buck 作为电源解决方案（图 2）。Fly-Buck 设计过程与普通降压转换器有很多共同之处。在确定一次侧电感和开关频率后，下一步就是设计合适的纹波注入网络（Rr、Cr 和 Cac），以确保稳定工作。设计步骤如下：

• 首先从一些初始值开始：Rr=10kΩ、Cr=10nF、Cac=1nF
• 调整输出电容，确保达到稳定性指标：
  

应提供足够的裕量以获得不等式左侧信息。如果将功率损耗包含在内，真正的占空比会更大一点，而且 DC 偏置额定值降低以及对陶瓷电容的温度影响会让电容值更低。

3. 确定 FB 引脚纹波是否高于 25mV：

通过调整 Rr 和 Cr 来设置纹波幅值。不要使其太大 (<100mV)，必要时可返回步骤 2 调整 Cout。

4. 确定 AC 耦合滤波器截止频率是否足够低：

Cac 的选择不是关键，建议值为 Fsw/10。只要 Fc 明显低于 Fsw，它就不会影响纹波的通过。

图 3 至图 5 中的电路仿真波形显示了不同纹波注入设置的影响。Fly-Buck 转换器规范如下：Vin=24V，Vopri=10V，Fsw=275kHz，Lpri=50uH，变压器匝数比为 1:1。在图 3 中，电路配置不符合稳定性标准，因此显示双脉冲的开关节点电压不稳定。在图 4 中，Rr 从 50kΩ 降至 30kΩ，开关性能变得稳定。图 5 是另外一种提高稳定性的方法：在不改变 Rr 和 Cr 的情况下，增大 Cout。这样有助于在达到指标的情况下保持低纹波电压。

图3. Rr=50kΩ，Cr=10nF，Cac=1nF，Cout=4.7uF

图4. Rr=30kΩ，Cr=10nF，Cac=1nF，Cout=4.7uF

图5. Rr=50kΩ，Cr=10nF，Cac=1nF，Cout=10uF

从实际出发，电源设计人员需要考虑很多方面，可能需要根据电路板测试结果进行调整。这些设计步骤是创建 LM5017 Fly-Buck 设计的良好开端。LM5017 Fly-Buck 的快速启动计算器在这里提供。有了它，您不仅可设计具有多达 4 个隔离输出的 Fly-Buck，而且还可获得纹波注入网络计算功能和其它外部组件。如有任何问题，请告诉我。

参考资料：

• 如何设计具有 COT 的稳定 Fly-Buck™ 转换器（第 1 部分）
• EDN：产品指南：Fly-Buck 无需光耦合器即可为降压电路提供具有良好稳压的隔离式输出
• 应用手册《设计隔离式降压 (Fly-Buck) 转换器的 AN-2292》
• Tian, S，《陶瓷电容器恒定导通时间 V2 控制的小信号分析与设计》硕士论文，佛吉尼亚理工大学 2012 年
• 德州仪器的宽泛 Vin DC/DC 电源解决方案
  

不错，学习了；

挺好的！学习了，请教下：其种FLY-BUCK可以工作在Dcm模式吗?如果工作在其断续模式下，有什么影响?fly-buck的工作频率可不可以在2Mhz左右?谢谢