设计可变输出降压稳压器的三步法
创建可变输出降压稳压器具有许多优点。本应用笔记将分享为降压稳压器选择最佳元件以及验证设计的过程。本应用笔记的类似版本最初于2019年10月1日发表在《电源系统设计》上。
介绍
可变输出降压稳压器可用于各种目的，例如控制直流风扇的速度、设置 4–20mA 电流环路的电压、跟踪另一个电压或用于动态电压缩放。
图1给出了可变输出降压稳压器的典型示意图，该稳压器通过将数模转换器（DAC）的输出相加到反馈节点中而创建。DAC可以是任何电压源。
图1.可变输出降压稳压器示例。
本应用笔记重点介绍了以下设计可变降压的三步法：
确定设计所需的电压范围和合适的降压稳压器。
第 1 步：电压范围和合适的降压稳压器
在大多数情况下，系统中有一个电源轨可用作降压稳压器的输入。此示例使用24V，因为它是工业应用中的共轨。现在需要确定输出电压范围，此时需要格外小心，因为许多降压稳压器的输出电压范围有限，并且组件建议（如Ls和Cs）会根据所选的输出电压而变化。在这种类型的设计中，组件在不同输出的整个跨度内保持不变。稍后，需要使用在线设计工具/仿真器检查示例设计在最高和最低输出电压下的稳定性和阶跃响应。
本例使用6V–19V的输出电压范围和50mA的最大输出电流。通常，覆盖宽输入和输出电压范围的降压转换器是此类应用的理想选择。具体而言，本例使用50mA同步降压转换器，输入范围为4V–60V，0.8V至0.9×V在输出范围。
对于控制电压，我们使用DAC，但这里也可以使用另一个可变源，例如滤波脉宽调制（PWM）信号。本例使用带有内部基准的2mm×3mm、12位电压输出串行DAC。DAC可采用2.7V至5.5V电源供电。
采用 3.3V 电源和内部 2.5V 基准时，DAC 的输出可在 12 位数字控制下从 0V 至 2.5V 电压。为了控制可变电源，本例在0V以上和2.5V以下留出一点裕量，以解决反馈电阻的失调、增益和误差。变化输出（6V至19V）的全范围由0.1V至2.4V控制信号控制。如果需要校准或调整，两端留下100mV或大约82个DAC代码。
第 2 步：计算电阻网络
为了计算电阻值，可以更轻松地将可变电源电路视为理想的运算放大器电路（图 2）。在这种情况下，电源的作用类似于反相放大器，其中DAC是输入信号（V在).The 0.8V VQEe图中所示为内部0.8V基准，与同步降压转换器内部的误差放大器配合使用。
图2.可变电源电路作为理想的运算放大器电路。
使用此方法确定三个电阻值：
假设开关电源VOUT像理想的运算放大器一样线性响应DAC输入，输入输出关系是一条直线，公式很熟悉：
Y = mX + b
这里Y是开关稳压器（或运算放大器）的输出电压，X是DAC的输入电压（V在).使用两点（19V外在 0.1V 时在和 6V外在 2.4V 时在） 得到两个方程来求解 m（增益）和 b（偏移）。
19 = m（0.1） + b 6 = m（2.4） + b
解决这个问题，我们得到 m = -5.65 和 b = 19.57。
等式的图形类似于下面的图 3，斜率为负，零交叉为 19.57。
图3.输入到输出关系。
查看图2中的运算放大器图，可以使用以下运算放大器公式：
哪里
Y = X × m + b
哪里
使用 VQEe=0.8V，同步降压上的内部基准，然后选择R1的值。在这种情况下 261k？之所以选择它，是因为它位于MAX17551的评估板上，MAX17551是本例中使用的同步降压转换器。一些代数可以用来求解m和b：
产生 R3 = 46.08k？和 R2 = 14.63k？。
选择最接近的标准 1% 值给出 R3 = 46.4k？和 R2 = 14.7k？。这些标准值应重新插入运算放大器公式，以确保DAC输出的低端和高端仍然有足够的裕量。
可变降压电阻计算器可从本产品设计计算器页面的电源和电池管理部分下载，使这项任务更容易。
步骤 3：模拟设计
为了完成电路设计，我们使用了基于SIMPLIS的工具，该工具可用于设计电源，修改设计并检查结果。首先进入EE-Sim网页，选择MAX17551;输入所需的输入和输出值。本例使用标称 24V 电源和 19V 输出电压。选择最高输出电压（19V），以便在线工具为L1和C1选择适当的值（图1）。C1对稳定性至关重要，由于真实电容随着偏置电压的增加而降低，因此最好以预期的最高输出电压值开始设计。稍后，反馈电阻将更改为最低的预期输出电压。通过这种方法，可以在极端情况下检查设计的稳定性。图 4 显示了设计工具的设计要求屏幕。
图4.EE-Sim 设计和仿真工具中的输入/输出设计要求页面。
图5.由EE-Sim设计和仿真工具生成的原理图。
设计工具生成电路后，可以通过双击元件来更改元件。例如，如果您有最喜欢的电感器供应商，请双击电感器L1。从那里，您可以从众多预填充电感器中选择一种，也可以输入用户定义的电感值。请注意，如果更改其中一个临界值，例如 L1、C2 或 C3（图 5），则可能需要重新计算设计。在本例中，仅更改了反馈电阻，它们对环路补偿并不重要。
R4更改为261K以匹配评估套件，R5更改为保持19V输出。对设计进行了交流分析和50mA负载阶跃的仿真，结果如图7和图8所示。请注意，在交越频率处有71°的相位裕量，负载阶跃显示出大约150mV的偏移。
图6.输入用户定义的值。
图7.295外EE-Sim 生成的波特图。
图8.19外由 EE-SIM 生成的加载步骤。
输入并验证设计的最高输出电压部分后，将反馈路径中的较低电阻（图1中的R2）更改为最低输出电压。在EE-Sim中命名并保存设计，并将R5更改为一个值，该值将提供最低电压的输出（在本例中，R5被替换为40.2k？电阻器以获得6V输出）。重新运行仿真，确保设计收敛并具有相位裕量和良好的阶跃响应。EE-Sim允许您比较新旧设计，这使您可以快速轻松地检查所做的更改。
图9.19V 和 6V 设计的比较。
正如我们预期的那样，6V设计的相位裕量现在为62°，因为放大器现在以较低的增益工作。交越频率已从 12KHz 在 19V 时移动外在 6V 时至 37KHz外.尽管如此，仍然有足够的相位裕量，负载阶跃看起来不错。
离线仿真引擎
现在，设计已通过仿真检出，保存的19V设计可以下载并在离线仿真引擎上离线运行。此示例使用了 EE-Sim OASIS 仿真工具，该工具允许您更改设计或添加在线设计工具中不可用的组件。在本例中，将之前计算的三个电阻值相加，并放置一个波形发生器代替DAC。波形发生器可以针对各种波形（方波、正弦波、锯齿波等）进行设置，并具有一些其他功能，使其能够与模拟器配合使用。在周期性工作点（POP）分析期间延迟启动和怠速波形发生器很有帮助。
在本例中，在仿真中选择了60Hz正弦波来驱动0.1V至2.4V输入。正弦波展示了同步降压和离线仿真工具的多功能性（此外，拥有60Hz的正弦功率波可能很有用）。图10提供了原理图中修改的部分，图11显示了输入和输出的时域（瞬态）结果。
图 10.反馈电阻变化和波形发生器。
图 11.来自OASIS模拟工具的瞬态响应。
仿真表明，该设计的行为符合预期，当受到0.1V至2.4V信号激励时，会产生13V正弦波，该正弦波在6V至19V之间变化。MAX17551可变降压稳压器的设计文件可供下载。
测量结果
设计和仿真工具可生成物料清单 （BOM），并可轻松购买构建原型板所需的零件。在这种情况下，MAX17551的评估板使用生成的元件进行修改。求和节点注入0.1至2.4V正弦波，400？已添加负载。结果如图12和图13所示，它们与模拟结果非常吻合。
图 12.从MAX17551的改进评估板捕获示波器。
波形示波器测量
| 渠道 | 名字 | 18.908V |
|---|---|---|
| C1 | 最大 | 18.908V |
| C1 | 最低 | 5.908V |
| C2 | 最大 | 2.404V |
| C2 | 最低 | 96mV |
| C1 | 平均频率 | 59.998赫兹 |
图 13.来自改进的评估套件的测量读数。
总结
可变输出降压转换器在许多应用中都是有益的。但是，重要的是选择能够覆盖电压范围的正确转换器，然后检查设计在输出极端值下的稳定性。现代仿真工具可以大大加快设计过程，提高成功设计的机会。
审核编辑：郭婷
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