避免电源不稳定的九步设计法(下)

摘要：本文主要介绍了电源设计过程中，为避免可能出现的不稳定情况所采用的对应的设计方法。

6 第6步：选择RF1

电阻RF1通常不影响环路响应，因此不会出现在任何增益相位公式中。它可以设定电阻分压器，以便TL431电路根据参考引脚的输入电流获得合适的偏置电流。对于该电阻，10k?电阻是比较好的初始选择。电阻值过高容易使误差放大器严重缺乏偏置电流，而过低容易增大功率耗散。一般情况下，RF1的推荐取值范围为2k?到50k?。

　　7 第7步：选择RF2

电阻RF2决定输出电压，一旦RF1固定后，就可以通过下面的公式轻松计算出RF2：

其中：V_O = 输出电压，V_REF = TL431参考电压(通常为2.5V或1.25V)。

因此，对于12V输出，当参考电压为2.5V，RF1为10k?时，可计算得出RF2 = 38kW。

建议电阻RF1和RF2采用1%电阻。

8 第8步：选择补偿电容CF1

选择补偿电容，使零点ƒ_ZERO与ƒ_POLE(TOPSwitch IC的7kHz内部极点(ƒ_TOPSWITCH)的位置能够在所需的交叉频率ƒ_CROSSOVER下提供最大的相位提升，该交叉频率在上面第1步中选定(通常为1kHz)。

我们对单个控制器级模型(详见上面图1)的传递函数进行的分析表明，ƒ_ZERO由RC网络决定，后者由TL431的输入电阻(RF2)和补偿网络电容(CF1)形成。在100Hz的范围内选择ƒ_ZERO。如果设计要以非连续导通模式工作，那么推荐将ƒ_ZERO设为50Hz，以避免在非连续导通模式下出现有条件的稳定性。

使用下面的公式来选择电容：

9 第9步：选择增益调整电阻RF3

电阻RF3设定开路传递函数的增益。这种调整具有将整个幅值图上移或下移的作用，但不会影响相位响应。在理想情况下，您应绘制单个的功率级和控制级传递函数，确定实现所需的交叉频率所要求的增益降低，然后相应调整RF3的大小。

如要通过分解方式确定RF3的值，可绘制功率级P(s)(非线性开关元件G(s)[开关、变压器和次级侧二极管]的传递函数与LC滤波器H(s)[由等效电感量LE和输出电容形成]的传递函数的乘积)与控制器GCONTROLLER(s)(TOPSwitch IC传递函数与TL431误差放大器和参考IC的传递函数的乘积)的乘积的开环传递函数(幅值与相位)。涉及的公式非常多，因此不在这里罗列。具体公式请参考Power Integrations网站上应用指南AN-57的附录A和B。

为简化起见，在计算控制器增益KC时假定RF3 = 1。由此：

其中：K_TL431 = TL431的开环增益(产品数据手册中给出)，K_TOP = TOPSwitch控制器的增益(以曲线斜率表示，该曲线在产品数据手册中定义开关占空比(d)与控制引脚电流(IC)的变化关系。例如，TOPSwitch-GX产品系列的增益为0.2/mA，而TOPSwitch-JX产品系列的增益为0.4/mA)。

根据AN-57中提供的公式绘制测算出的结果，确定必须降低多少增益量KC才能获得第1步中规定的所需交叉频率。增益的降低(不影响相位)应通过增益限制电阻RF3来实现。如果X表示在所需交叉频率(以dB为单位进行测量)下的过量增益，可以根据以下公式计算RF3：

PI ExpertTM是Power Integrations推出的一款免费电源设计软件，它可以自动绘制上面提及的传递函数，从而确定TOPSwitch设计中的RF3值。对于想在不借助昂贵的数学建模工具的情况下完成这一过程的设计师来说，这是一款非常有用的工具。

如果设计师寻求采用更带实验性的方法，那么他可以在下面表1中找到一系列基于我们的实验数据的RF3建议起始值。由于RF3值与寄生环路阻尼、输出电压和基本环路增益成函数关系，因此此表中的建议值将不会有效适用于所有设计。它们可能需要多个迭代测试周期才能取得所需的稳定性。这些值更强调以保守的方式向系统提供更多的增益。因此，如果在选择和测试其中的RF3值后无法获得令人满意的瞬态响应，请逐渐增大RF3值(以非常小的增量)，同时重复进行瞬态负载测试，直至找到能实现所需性能的最小RF3值。

上表还列出了最大电阻值(与CTR = 1.0的光耦器一起使用)以确保电压稳定。选定的RF3值不应超出此列中的最大值。如果RF3值较大，会限制光耦器的LED电流并造成电压失调。

如果使用CTR值较大的光耦器，起始值应相应增大。例如，如果在12V电源中使用了一个CTR为4.0(400%)的光耦器，上表中RF3的起始值和最大值应乘以系数4。

10 第10步(必要时采用)：选择相位提升网络(RF4和CF2)

如果在通过调整整个环路增益实现所需的交叉频率后发现环路的相位裕量不足，可以添加一个可选的相位提升网络(RF4和CF2)来确保环路在所有条件下的稳定性。如果电源有三个以上的输出，推荐添加此电路。可通过以下公式计算RF4和CF2：