【導(dǎo)讀】誤差放大器作為開關(guān)電源中的重要器件，對開關(guān)電源環(huán)路進(jìn)行補(bǔ)償，開關(guān)電源的輸出的精度和響應(yīng)速度有著重要作用。本文首先將光耦+TL431 和 CA-IS3102W 進(jìn)行了對比，闡述了川土微電子CA-IS3102W在開關(guān)電源應(yīng)用中的優(yōu)勢，給出了典型應(yīng)用中的一些方法和建議。
01 隔離運(yùn)算放大器的應(yīng)用場合及隔離開關(guān)電源工作原理
隔離開關(guān)電源的基本組成：
a> 功率器件：有源器件如 MOSFET、 IGBT、 SiC、 GaN 等；無源器件如二極管。
b> 磁性器件：變壓器。隔離電源中變壓器將輸入側(cè)（一般為高壓側(cè)）和輸出側(cè)（一般為低壓側(cè)）隔離。能量通過變壓器從一側(cè)傳輸?shù)搅硗庖粋?cè)。由于兩側(cè)地不同，從而實(shí)現(xiàn)隔離。
c> 控制電路：對開關(guān)電源的被控制信號進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。通過負(fù)反饋控制將目標(biāo)量控制在設(shè)定值。
d> 驅(qū)動電路：電路中存在有源功率器件，這些器件開通/關(guān)斷時需要瞬時釋放和吸收能量，保證開關(guān)管的安全開通和關(guān)斷。驅(qū)動電路也是影響開關(guān)電源轉(zhuǎn)換效率的關(guān)鍵因素之一。
隔離開關(guān)電源的工作原理：
1> 控制電路對被控量進(jìn)行實(shí)時監(jiān)控。如圖 1 所示。控制系統(tǒng)對輸出電壓 Vo 進(jìn)行監(jiān)測。將 Vo 進(jìn)行分壓后和參考電壓進(jìn)行比較，且對誤差信號進(jìn)行放大。一般使用 Type II 或者 Type III 補(bǔ)償。補(bǔ)償放大信號為 COMP。
2> COMP 信號通過一定方式從隔離一側(cè)送到另外一側(cè)。外界使用比較多的是光耦方式，也可以使用隔離運(yùn)算放大器實(shí)現(xiàn)。
3> 將 COMP 信號從一側(cè)送到另一側(cè)后，再將信號送入電源控制器。
4> 電源控制器內(nèi)部轉(zhuǎn)換出 PWM 信號，控制功率驅(qū)動管從而控制能量使輸出電壓維持在設(shè)定值。
使用光耦隔離的隔離開關(guān)電源框圖：
在該應(yīng)用中， TL431 作為基準(zhǔn)電壓源提供 2.5V 參考電壓源。同時通過改變 Rc 和 Cc 實(shí)現(xiàn)環(huán)路補(bǔ)償。由于光耦必須提供一個最小工作電流，因此 R1 作為限流電阻使用并且阻值不能太大，二次側(cè)產(chǎn)生電流 i1。光耦工作時，會將二次側(cè)電流按照一定比例(CTR)傳輸?shù)揭淮蝹?cè)并產(chǎn)生一次側(cè)電流 i2。一次側(cè)的電阻和電容網(wǎng)絡(luò)將電流信號轉(zhuǎn)化成電壓信號送至隔離電源控制器， 從而產(chǎn)生控制 PWM 信號驅(qū)動功率級。
使用電容式隔離運(yùn)算放大器的開關(guān)電源框圖在該應(yīng)用中，隔離運(yùn)算放大器作為基準(zhǔn)電壓源提供 1.225V 參考電壓源。同時通過改變 Z1 和 Z2 的電阻電容網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)環(huán)路補(bǔ)償。補(bǔ)償后輸出值 COMP 通過 OOK 將模擬信號調(diào)制成 PWM 信號，通過隔離柵后將 PWM 信號還原成模擬信號，輸出為 EAOUT 和 EAOUT2，或者轉(zhuǎn)化成 IOUT 電流信號。EAOUT 或 EAOUT2 作為控制信號送至隔離電源控制器，從而產(chǎn)生控制 PWM 信號驅(qū)動功率級。
光耦和 TL431 方案和隔離運(yùn)算放大器比較：
表1為光耦+TL431 方案和 CA-IS3101B/CA-IS3102W 方案的比較。
通過比較可知， CA-IS3101B/CA-IS3102W 方案的性能優(yōu)于光耦+TL431 方案：
a> 低參考電壓：使用 CA-IS3101B/CA-IS3102W 可以得到更低的輸出電壓。
b> 基準(zhǔn)電壓穩(wěn)定性：輸出電壓更加穩(wěn)定。
c> 低基準(zhǔn)誤差：輸出電壓精度高。
d> 響應(yīng)速度快：動態(tài)響應(yīng)速度快。
e> 工作帶寬：動態(tài)響應(yīng)速度快。
f> 工作壽命：產(chǎn)品穩(wěn)定性及壽命。
02 隔離運(yùn)算放大器的使用
隔離運(yùn)算放大器增益的計(jì)算：
如圖 4 所示，從 FB 至 COMP 的傳遞函數(shù)：
當(dāng)改變當(dāng) Z1 和 Z2 的電阻電容網(wǎng)絡(luò)時，可以形成不同的補(bǔ)償器，具有不同的頻率響應(yīng)特性。
圖 5 為 Type I 型補(bǔ)償器。該補(bǔ)償器有 1 個極點(diǎn)，1 個零點(diǎn)。
圖 6 為Type II 型補(bǔ)償器。該補(bǔ)償器有 2 個極點(diǎn)，1 個零點(diǎn)。
圖 7和圖 8 為Type III 型補(bǔ)償器。該補(bǔ)償器有3 個極點(diǎn)，2 個零點(diǎn)。
由于 CA-IS310x 從 COMP 到 EAOUT 的帶寬為 400kHz，設(shè)計(jì)隔離開關(guān)電源時，如果開關(guān)頻率比較高，則必須考慮該-3dB 帶寬。計(jì)算環(huán)路時必須將此頻率響應(yīng)曲線添加到補(bǔ)償器中。如圖 9 所示。
頻率響應(yīng)傳遞函數(shù)為：
在實(shí)際應(yīng)用中，還需要考慮反饋系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，即從輸出 VOUT 至補(bǔ)償器輸入 FB 的傳遞函數(shù)。
在實(shí)際應(yīng)用中，為了將輸出電壓調(diào)整到預(yù)定值，一般采用反饋分壓電阻，因此控制環(huán)路中還必須要考慮反饋函數(shù)，反饋網(wǎng)絡(luò)如圖 10 所示，假設(shè)反饋網(wǎng)絡(luò)傳遞函數(shù)為 H(s)。第一種傳遞函數(shù) H(s)=1，第二種傳遞函數(shù)H(s) =RB/RB+RT。
從輸出 VOUT 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)至 EAOUT 的信號傳遞函數(shù)
Gain_total_1(s)=
Gain_op(s) ? Gain_Comp(s)*H(s)。
從輸出 VOUT 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)至 EAOUT2 的信號傳遞函數(shù)
Gain_total_2(s)=
2.6 ? Gain_op(s) ? Gain_Comp(s)*H(s)。
結(jié)合以上計(jì)算配合功率級的傳遞函數(shù)，就可以計(jì)算出整個系統(tǒng)環(huán)路所需要的補(bǔ)償參數(shù)。
IOUT 引腳在系統(tǒng)環(huán)路控制中的應(yīng)用：
CA-IS3101B/CA-IS3102W 專門提供一路電流型輸出 IOUT 可直接驅(qū)動。該電流將 EAOUT2 上的電流進(jìn)行鏡像并在 IOUT 上形成電流，以替代光耦晶體管去驅(qū)動控制器的 COMP 引腳。
則從 EAOUT2 至 IOUT 的電流小信號傳遞函數(shù)Gm_vi(s) = – 2/Rx，從輸出 VOUT 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)至 IOUT 的小信號傳遞函數(shù) Gain_total_3(s)= 2.6 ?Gain_op(s) ? Gain_Comp(s)*H(s)* Gm_vi(s)。
03 小結(jié)
CA-IS3101B和CA-IS3102W在隔離開關(guān)電源應(yīng)用中作為反饋和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)使用。分析了實(shí)際應(yīng)用中常見的幾種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，推導(dǎo)出幾種補(bǔ)償器的傳遞函數(shù)。
來源：川土微電子
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