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应用方案 | 如何使用隔离运算放大器构建电源环路补偿

误差放大器作为开关电源中的重要器件,对开关电源环路进行补偿,开关电源的输出的精度和响应速度有着重要作用。本文首先将光耦+TL431 和 CA-IS3102W 进行了对比,阐述了川土微电子CA-IS3102W在开关电源应用中的优势,给出了典型应用中的一些方法和建议。

可通过以下方式进行样片申请:

1、登录官网

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2、拨打021-50838601-821、0755-86538083进行申请;

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01 隔离运算放大器的应用场合及隔离开关电源工作原理

隔离开关电源的基本组成:

a> 功率器件:有源器件如 MOSFET、 IGBT、 SiC、 GaN 等;无源器件如二极管。
b> 磁性器件:变压器。隔离电源中变压器将输入侧(一般为高压侧)和输出侧(一般为低压侧)隔离。能量通过变压器从一侧传输到另外一侧。由于两侧地不同,从而实现隔离。
c> 控制电路:对开关电源的被控制信号进行实时监控。通过负反馈控制将目标量控制在设定值。
d> 驱动电路:电路中存在有源功率器件,这些器件开通/关断时需要瞬时释放和吸收能量,保证开关管的安全开通和关断。驱动电路也是影响开关电源转换效率的关键因素之一。

隔离开关电源的工作原理:

1> 控制电路对被控量进行实时监控。如图 1 所示。控制系统对输出电压 Vo 进行监测。将 Vo 进行分压后和参考电压进行比较,且对误差信号进行放大。一般使用 Type II 或者 Type III 补偿。补偿放大信号为 COMP。

2> COMP 信号通过一定方式从隔离一侧送到另外一侧。外界使用比较多的是光耦方式,也可以使用隔离运算放大器实现。
3> 将 COMP 信号从一侧送到另一侧后,再将信号送入电源控制器。
4> 电源控制器内部转换出 PWM 信号,控制功率驱动管从而控制能量使输出电压维持在设定值。

使用光耦隔离的隔离开关电源框图:
在该应用中, TL431 作为基准电压源提供 2.5V 参考电压源。同时通过改变 Rc 和 Cc 实现环路补偿。由于光耦必须提供一个最小工作电流,因此 R1 作为限流电阻使用并且阻值不能太大,二次侧产生电流 i1。光耦工作时,会将二次侧电流按照一定比例(CTR)传输到一次侧并产生一次侧电流 i2。一次侧的电阻和电容网络将电流信号转化成电压信号送至隔离电源控制器, 从而产生控制 PWM 信号驱动功率级。

使用电容式隔离运算放大器的开关电源框图在该应用中,隔离运算放大器作为基准电压源提供 1.225V 参考电压源。同时通过改变 Z1 和 Z2 的电阻电容网络实现环路补偿。补偿后输出值 COMP 通过 OOK 将模拟信号调制成 PWM 信号,通过隔离栅后将 PWM 信号还原成模拟信号,输出为 EAOUT 和 EAOUT2,或者转化成 IOUT 电流信号。EAOUT 或 EAOUT2 作为控制信号送至隔离电源控制器,从而产生控制 PWM 信号驱动功率级。

光耦和 TL431 方案和隔离运算放大器比较:
表1为光耦+TL431 方案和 CA-IS3101B/CA-IS3102W 方案的比较。

通过比较可知, CA-IS3101B/CA-IS3102W 方案的性能优于光耦+TL431 方案:
a> 低参考电压:使用 CA-IS3101B/CA-IS3102W 可以得到更低的输出电压。
b> 基准电压稳定性:输出电压更加稳定。
c> 低基准误差:输出电压精度高。
d> 响应速度快:动态响应速度快。
e> 工作带宽:动态响应速度快。
f> 工作寿命:产品稳定性及寿命。

02 隔离运算放大器的使用

隔离运算放大器增益的计算:
如图 4 所示,从 FB 至 COMP 的传递函数:

当改变当 Z1 和 Z2 的电阻电容网络时,可以形成不同的补偿器,具有不同的频率响应特性。

图 5 为 Type I 型补偿器。该补偿器有 1 个极点,1 个零点。

 图 6 为Type II 型补偿器。该补偿器有 2 个极点,1 个零点。

图 7和图 8 为Type III 型补偿器。该补偿器有3 个极点,2 个零点。

由于 CA-IS310x 从 COMP 到 EAOUT 的带宽为 400kHz,设计隔离开关电源时,如果开关频率比较高,则必须考虑该-3dB 带宽。计算环路时必须将此频率响应曲线添加到补偿器中。如图 9 所示。
频率响应传递函数为:

在实际应用中,还需要考虑反馈系统的传递函数,即从输出 VOUT 至补偿器输入 FB 的传递函数。
在实际应用中,为了将输出电压调整到预定值,一般采用反馈分压电阻,因此控制环路中还必须要考虑反馈函数,反馈网络如图 10 所示,假设反馈网络传递函数为 H(s)。第一种传递函数 H(s)=1,第二种传递函数H(s) =RB/RB+RT。

从输出 VOUT 补偿网络至 EAOUT 的信号传递函数

Gain_total_1(s)=

Gain_op(s) ∗ Gain_Comp(s)*H(s)。

从输出 VOUT 补偿网络至 EAOUT2 的信号传递函数 

Gain_total_2(s)=

2.6 ∗ Gain_op(s) ∗ Gain_Comp(s)*H(s)。

结合以上计算配合功率级的传递函数,就可以计算出整个系统环路所需要的补偿参数。

IOUT 引脚在系统环路控制中的应用:
CA-IS3101B/CA-IS3102W 专门提供一路电流型输出 IOUT 可直接驱动。该电流将 EAOUT2 上的电流进行镜像并在 IOUT 上形成电流,以替代光耦晶体管去驱动控制器的 COMP 引脚。

则从 EAOUT2 至 IOUT 的电流小信号传递函数Gm_vi(s) = – 2/Rx,从输出 VOUT 补偿网络至 IOUT 的小信号传递函数 Gain_total_3(s)= 2.6 ∗Gain_op(s) ∗ Gain_Comp(s)*H(s)* Gm_vi(s)。

03 小结

CA-IS3101B和CA-IS3102W在隔离开关电源应用中作为反馈和补偿网络使用。分析了实际应用中常见的几种补偿网络,推导出几种补偿器的传递函数。

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CA-IF4420符合 ISO11898-2 (2016) 高速CAN(控制器局域网络)物理层标准。所有器件均设计用于数据速率高达 5Mbps(兆位每秒)的 CAN FD网络。该器件支持总线故障保护电压±58 V,具有极性控制端口POL,可以控制总线的极性。该系列器件包含VIO电源的电平逻辑转换,允许将收发器IO直接连接到1.8V、2.5V、3.3V或5V逻辑IO。
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