由于Buck变换器是一种典型的低通二阶滤波器,所以就以二阶模型进行分析。典型的二阶LC低通滤波器的原理图为:
RLC二阶电路图
其标准传递函数为:
我们首先来看这个传递函数的根以及对系统动态的影响;
在这个根的表达式中,品质因数Q是关键因素,并分以下三种情况:
(1)Q<0.5:平方根下的表达式为正,系统具有两个独立实数根;
(2)Q=0.5:平方根下的表达式为0,系统具有两个重合的实数根;
(3)Q<0.5:平方根下的表达式为负,系统具有一对带实数部分的共轭复数根;
Q值的变化是如何影响系统响应的?如下是系统在不同Q值条件下的阶跃响应。
不同Q值条件下的阶跃响应
分析了Q的影响对时域的影响,现在看看根在s平面对系统的响应如何。
所以系统的根只能在S域的左半平面LHP,虽然呈现不同的阻尼,但起码系统还能够稳定;如果根出现在虚轴或者右半平面零点,那么系统不稳定或者不收敛。在系统设计中一定要保证传递函数的根在s域的左半平面。
其中一个最典型的例子就是输出电容ESR的影响,特别是电解电容的ESR受环境温度的变化非常大,由于ESR可以等效为一个零点,ESR的变化就会影响品质因数并改变根的性质,比如一个470uF的输出电容,在25C的典型ESR是90mohm,然后如果考虑温度的变化范围是-40C~+105C和产品生产的离散性,ESR的变化范围是50~200mohm,那么零点的变化范围是1/2x3.14x200mx470u=1.7kHz和1/2x3.14x50mx470u=6.8kHz。我们可以看一下它的根轨迹趋势是如何变化的。
根轨迹图
在整个温度范围内ESR变化导致根的变化,对系统的时域响应也会产生不同的变化,所以有时候工程师在常温测试环路OK,但是在做高低温实验时发现系统不问题,就是这个原因造成的。
s平面有助于定位根的位置并查看其实部或虚部各自的作用
可以看到,低Q值时两个根是分开的,没有虚数部分;随着Q的增加,沿着X轴相对移动;当Q=0.5时,两个极点重合;随着Q继续增加,极点分离,产生虚部;Q再继续增大,实部(阻尼)趋于消失;当Q->∞,极点最终达到虚轴。