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  誤差放大器作為開關(guān)電源中的重要器件，對(duì)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。首先將光耦+TL431 和 CA-IS3102W 進(jìn)行了對(duì)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(shì)，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(chǎng)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(wú)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(duì)開關(guān)電源的被控制信號(hào)進(jìn)行實(shí)時(shí)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(dòng)電路：電路中存在有源功率器件，這些器件開通/關(guān)斷時(shí)需要瞬時(shí)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(dòng)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(duì)被控量進(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)控。如圖 1 所示?？刂葡到y(tǒng)對(duì)輸出電壓 Vo 進(jìn)行監(jiān)測(cè)。將 Vo 進(jìn)行分壓后和參考電壓進(jìn)行比較，且對(duì)誤差信號(hào)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(hào)為 COMP。

  2> COMP 信號(hào)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(hào)從一側(cè)送到另一側(cè)后，再將信號(hào)送入電源控制器。

  4> 電源控制器內(nèi)部轉(zhuǎn)換出 PWM 信號(hào)，控制功率驅(qū)動(dòng)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(shí)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(gè)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(shí)，會(huì)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(hào)轉(zhuǎn)化成電壓信號(hào)送至隔離電源控制器， 從而產(chǎn)生控制 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率級(jí)。

  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(shí)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(hào)調(diào)制成 PWM 信號(hào)，通過隔離柵后將 PWM 信號(hào)還原成模擬信號(hào)，輸出為 EAOUT 和 EAOUT2，或者轉(zhuǎn)化成 IOUT 電流信號(hào)。EAOUT 或 EAOUT2 作為控制信號(hào)送至隔離電源控制器，從而產(chǎn)生控制 PWM 信號(hào)驅(qū)動(dòng)功率級(jí)。

  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(dòng)態(tài)響應(yīng)速度快。

  e> 工作帶寬：動(dòng)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(shí)，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(gè)極點(diǎn)，1 個(gè)零點(diǎn)。

、

  圖 6 為Type II 型補(bǔ)償器。該補(bǔ)償器有 2 個(gè)極點(diǎn)，1 個(gè)零點(diǎn)。

  圖 7和圖 8 為Type III 型補(bǔ)償器。該補(bǔ)償器有3 個(gè)極點(diǎn)，2 個(gè)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(shí)，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(shí)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(hào)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(hào)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(jí)的傳遞函數(shù)，就可以計(jì)算出整個(gè)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(dòng)。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(dòng)控制器的 COMP 引腳。

  則從 EAOUT2 至 IOUT 的電流小信號(hào)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(hào)傳遞函數(shù) Gain_total_3(s)= 2.6 ?Gain_op(s) ? Gain_Comp(s)*H(s)* Gm_vi(s)。

  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)。