三步法:计算BUCK变换器的反馈电阻


BUCK变换器峰值电流模式的反馈补偿元件为Rc、Cc和Cp,在反馈设计计算Rc,电源芯片IC的数据表中,经常看到下面的公式:

其中,

Co:输出电容

fc:穿越频率,也就是系统的带宽

Gm:电压误差放大器的跨导

Gcs:功率级的检测电流跨导

Vo:输出电压

VFB:电压误差放大器的参考电压

 

图1:峰值电流模式的原理图


但是,电源芯片IC的数据表中,通常都没有给出这个公式的推导过程,经常有许多工程师问到这个公式是如何得到的,本文就用三个步骤详细的推导这个公式。


收藏一图学会计算反馈电阻Rc


图2:反馈电阻Rc计算总图

 

1、设定穿越频率fc,在开环传递函数波特图上计算fc的增益A(fc)


开环传递函数波特图,标示出了功率级的极点、零点和开环直流增益ADC如图3所示。


功率级的极点、零点和开环直流增益ADC的推导过程,见文章最后。


图3:开环波特图

 

设定系统的穿越频率fc,确定系统的带宽,先不考虑Cc和Cp的影响,如果设定系统的穿越频率fc,在开环波特图曲线中就可以计算其对应的增益A(fc)。已知:功率级的极点频率为fp和增益ADC,穿越频率fc点的增益为:


注意:fp到fc为-20dB的滚降,fp的频率低,增益大;fc的频率高,增益小,因此,二者频率比值,要反过来,为增益比值的倒数。


图4:系统的穿越频率

 

2、设定反馈电阻Rc的直流增益Rc/Rz=1/A(fc)

 

系统加上反馈补偿网络Rc、Cc和Cp,补偿后的波特图穿过C点,如图5的C点所示,也就是补偿后的波特图的C点频率为fc,增益为1。为了实现这个目的,开环波特图的fc频率对应的B点以及整个曲线,都向下整体移动【20lgA(fc)】dBB点就可以移动到C点的位置,就可以实现20KHz的穿越频率。


如:图5中fc=20KHz,频率对应的B点的增益为A(20KHz)开环波特图上,dB增益为:

【20lgA(20KHz)】dB=20dB

A(20KHz)=10。


图5:开环波特图曲线整体向下平移


那么,只要反馈电阻Rc产生-【20lgA(fc)】dB的直流增益,就可以让B点以及整个开环波特图曲线向下移动【20lgA(fc)】dB的距离,如图6所示中,【20lgA(fc)】dB=

|BC|dB=|B'C|dB


图6:补偿电阻Rc的增益


注意波特图曲线上dB共轭的B和B'点,它们的增益互为倒数。


反馈电阻Rc产生的直流增益dB值为-【20lgA(fc)】dB,其直流增益值为:

如:图6中,fc=20KHz:

A(20KHz)=10ARc=1/10。


在反馈环,Rc的直流增益为(推导过程见文章最后):

所以:

由此二个公式,得到:

 

3、求解反馈电阻Rc的值


功率级极点的频率、开环直流增益ADC压误差放大器开环增益AV推导过程见文章最后

代入下式:

得到:

解得:

 


附录


1、无反馈补偿网络的开环波特图及直流增益ADC


如果没有反馈补偿网络Rc、Cc和Cp,如图7所示,G为功率级,H1为反馈环,电压误差放大器为开环输出,R1和R2为反馈分压电阻。

 

1.1、功率级

功率环的传递函数表达式为:

其中,

Ro:输出负载电阻

Io:输出电流

Rs:电流检测电阻

Ai:电流放大器

忽略输出电感的极点,G(s)为:


功率级的输出电容Co和输出负载电阻Ro形成一个极点fp,输出电容Co和它的ESR形成一个零点fz:



更多说明查看:BUCK变换器反馈设计手册


功率级的检测电流跨导Gcs为:

因此:

 

1.2、反馈环


没有反馈补偿网络Rc、Cc和Cp,电压误差放大器的开环增益AV为:

其中, Rz:电压误差放大器的输出阻抗

Gm:电压误差的放大器的跨导

 

反馈环H1为:


1.3、没有反馈补偿网络的开环传递函数


没有反馈补偿网络,系统的开环传递函数表达式为:

没有反馈补偿网络,开环直流增益ADC为:


图7:无反馈网络峰值电流模式原理图


1.4、开环波特图


由功率级的极点、零点和开环直流增益ADC,就可以得到图3所示的开环波特图。


 图3:开环波特图

 

2、增加反馈补偿网络,Rc产生的直流增益ARc

 

增加补偿电阻Rc后,电压误差放大器的输出电阻为Rc和Rz的并联值,注意到:Rz远大于Rc:Rz>>Rc,电压误差放大器的输出电阻近似为Rc,电压误差放大器的增益变为:

没有补偿电阻Rc,电压误差放大器的输出为:

得到:

因此,增加Rc产生的直流增益为:

Rz>>Rc,Rc产生的直流增益小于1,其产生的直流增益dB为负值。