利用标准正降压转换器设计负升压转换器

负升压稳压器设计

经证明，正向传输函数简化为一个方程式5所示单极系统。现实控制环路例子可基于使用TI TPS54020EVM082 的设计，VIN = –2.0 V，VOUT = –3.0 V ，并且IOUT = 6 A 。这种电气设计可根据图3所示电路重新配置为一个负升压稳压器，其使用许多与EVM设计相同的组件。从现在起，后面的“输入”和“输出”均指升压模式输入和输出。方程式4可用于计算32kHz的最小RHPZ。控制环路设计的目标是有一个1.0kHz 的整体增益交叉，因此可以忽略ESR零点和RHPZ的影响。

表1列出了一些具体的参数和值。方程式6使用这些值描述正向传输函数：



图5显示了4个不同负载电阻值的GPS（s）波特图。注意，极点位置和低频增益为负载电阻的函数。另外，还要注意，在极点以后增益斜率不再变化（COUT 驱动）。在极点以前，增益依赖于负载，并且最大负载（最小RLOAD ）时出现最高频率极点。0.5.负载（ILOAD=6.0A）带来4.4kHz极点。我们还可以看到，RHPZ使增益上升而相位下降，从而造成无法补偿，并要求在RHPZ影响变为不利以前出现交叉。



这种设计的计划是，获得1.0kHz 开环传输函数的整体增益。1.0kHz 下，“车间”具有约+9 dB的增益。利用积分电路后面紧跟最高GPS（s）极点频率零点，并且使用一个可产生1.0kHz 预期交叉-9 dB的整体增益（+9 dB + –9 dB = 0 dB），可以轻松地对这种正向传输函数进行补偿。这种补偿接近于通过交叉的单极转降特性，并带来足够的相位余量。

波特稳定性标准

负反馈闭环系统具有一个如方程式7所示传输函数：



其中，G(s)为正向（“车间”）传输函数，H(s)为负反馈控制，而G（s）H（s）为开环传输函数。波特稳定性标准规定，除非G(s) H(s)=-1，否则Y(s)有理。在后一种情况下，Y(s)为无限且不稳定。如果出现不稳定，还必须具备两个条件。首先，|G(s)H(s)|必须等于1（增益=0dB ）；其次，G(s)H(s) 相位必须等于–180 °，相当于-1。包括相位余量和增益余量在内的波特图，用于评估控制设计接近这种条件的程度。当增益等于0 dB时，相位余量被定义为G(s)H(s)和–180 °之间的相位差，同时当相位等于–180 °时增益余量是指负增益。在电源设计过程中，通常考虑45°以上的相位余量。

表1 负升压稳压器的设计值和TPS54020产品说明书参数


误差放大器补偿



图6显示了误差放大器（EA），该电路的传输函数描述如下：



注意，跨导误差放大器的传输函数包括反馈分频器增益。如果它是一个电压反馈误差放大器，则分频器不会为一个增益项。查看方程式8我们发现，GEA（S）在0Hz处有一个极点，即下面频率下的一个补偿零点：



高频极点频率为：



注意，如果零点和极点以10或者以上作为间隔，则C15>>C1。我们的计划是，让增益等于1.0kHz时的-9dB。把零点放置于最高GPS（S）极点（4.4kHz），以补偿“车间”极点，然后再更高频率下放置其他极点。

评估f=1.0kHz的|GEA(s)|，并设置其等于-9dB，得到C1+C15≈0.117uF。我们选择最接近标准值0.10uF。给定C15和4.4kHz预期零点位置时，R1可计算为360Ω。我们选择最接近标准值的357Ω。高频极点放置在50kHz处。这种做法有些随意，但是该极点需大于10倍交叉频率。以确保它不会降低环路相位余量。需要添加该高频极点是因为，它让环路增益在高频下不断下降。经计算，C1为0.01uF。图7显示了转换器最终补偿环路的波特图。预计开环增益和相位，与测量的开环增益和相位紧密匹配，接近1.0kHz整体增益交叉。



测试数据

图7还包括了0.5Ω负载电源的测量波特图。在1.0kHz交叉附近，存在密切的相关性。图7所示预计波形还包括了RHPZ效应。1.0kHz和10kHz之间的增益和相位干扰被认为来自于控制器的非线性特性，并且在50%以上负载电流时开始出现。由于这种现象出现在交叉以上，因此它对环路稳定性无关紧要。

图8显示了0.5.（6A）负载的开关波形。正如我们预计的那样，它看起来与降压转换器的开关波形完全一致，但电平偏移至接地电压以下，具体取决于-3.0V VOUT 设置值。



其它考虑事项

关于这种转换器，我们还需要注意其它三个方面。首先，TPS54020 有单独的VIN 和VDD 。它实现了低电压（此处为2V）功率转换，而这对于许多其它转换器是不可能的。其次，这种负升压设计概念可扩展至更高电压，其仅受限于所选择转换器的额定值。最后且最重要的一点是，在升压转换器启动以前但在电压施加于PVIN引脚以后，升压输出的任何负载电流都通过低侧FET 体二极管来传导。即使以DC电流启动，TPS54020都能非常正常地工作，但是并非所有器件都能够以这种相同的方式运行。
因此，我们有必要添加一个与低侧内部FET 并联的肖特基二极管，以为该电流提供一条外部通路。