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改进型OTA模型优化反馈补偿网络设计

2017-06-13 来源:Alain Laprade [责任编辑:wenwei]
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【导读】运算跨导放大器(OTA)产生跟差分输入电压成正比的电流源输出。为了在OTA中提供强固的静电放电(ESD)保护性能,OTA输出与封装引脚输出之间的裸片上应用了限流串联保护电阻(RESD)及电压钳位。器件制造商将ESD保护电阻的影响忽略不计,在数据表中没有介绍其参数。
 
然而,在设计电源电路时,忽略ESD保护电阻对OTA输出阻抗的影响可能会对电源的反馈环路补偿产生增益及相位误差。例如,ESD电阻的存在影响采用低压输入工作的升压转换器的性能。设计人员可以在其OTA模型中将ESD保护电阻考虑在内,从而避免这些增益及相位误差。
 
为了配合这样的举措,本文介绍将ESD电阻影响考虑在内的电源OTA补偿传递函数的推导过程。文中考虑了三种常见的补偿类型——I型、II型及III型。除了推导每类补偿的正确传递函数,还推导了ESD校正因数,使设计人员能够通过实验方法获得反馈控制传递函数。
 
改进型OTA模型
 
OTA是压控电流源放大器(见图1),它的输出电流与放大器的差分输入成正比。放大器跨导增益定义为gm。OTA要求的裸片面积比相互竞争的电压放大器更小(就同等带宽而言),常用作电源控制器及稳压器IC的反馈放大器。
 
改进型OTA模型优化反馈补偿网络设计
图1 OTA简化模型图
 
当提供了补偿引脚作为封装引脚输出选择时,通过OTA输出端的电压钳位及限流串联电阻的方式应用了裸片级ESD保护(见图2)。此外,OTA包含由并联连接的电阻(R0)和电容(C0)(另一端接地)构成的输出阻抗。放大器传递函数由OTA的输出阻抗结构与外部补偿网络一起确定。
 
改进型OTA模型优化反馈补偿网络设计
图2 改进的OTA模型,其中包含输出阻抗和RESD
 
在某些应用中,RESD对OTA传递函数的影响忽略不计。PFC升压转换器就是这样的例子。如果我们要获得将ESD电阻考虑在内的OTA传递函数的表达式(本文稍后将推导此表达式),并且代入参考资料中给出的补偿值,我们就会找到输入电压反馈分频器(feedback divider)将直流增益衰减至RESD带来的补偿误差可以忽略不计的点。
 
然而,采用低输入电压源(如汽车电池)工作的升压转换器不会从OTA输入电压分频器造成的输入电压增益大幅衰减获益。相应地,补偿网络电阻可能要求较低的值,以实现所要求的中频带增益衰减。我们考虑脉宽调制(PWM) IC的控制逻辑使用起源于ESD电阻OTA端的Vctrl信号作为反馈控制信号、但在反馈环路测量期间不能直接获得OTA输出(Vctrl)的情况。如果RESD的大小跟连接至Vc引脚的补偿网络的电阻相近,那么,电源反馈环路的仿真响应相对于测量的响应将包含增益及相位误差。
 
本文介绍电力电子社群描述为I类/II类/III类补偿网络的修改后的表达式,并将其与针对理想OTA推导出的表达式进行比较。虽然针对补偿网络响应的修改表达式将支持用于设计这些网络的分析方法,但在某些情况下,可能有需要或必要来以实验方式获取所要求的传递函数。在那些情况下,可能要求校正因数,以从基于IC补偿引脚Vc获得的实验测量结果来获取正确的OTA传递函数。本文推导了每种类型补偿的校正因数。图2所示的OTA模型是本文推导出的Iesd/IIesd/IIIesd型补偿网络的构建模块。
 
本文的讨论中将使用NCV8871升压控制器IC OTA的参数,以配合设计示例。在这些示例中,跟NCV8871相关的关键参数包括:Ro=3MΩ,gm=1.2mS,内部电压参考Vref=1.2V。此外,我们需要运用从NCV8871 IC设计团队获得的两个未公开的参数:RESD≈542Ω及Co≈10pF。
 
 
 
 
 
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关键字:OTA模型 化反馈补偿网络 设计 
本文链接:http://www.cntronics.com/cp-art/80032633
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