DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器在“信號與系統(tǒng)”小班研討課 案例分析中的應(yīng)用

郭勇 羅樂 肖菊蘭 胡蓉 粟娟 廖無瑕 黎敏強

[摘 要] DC-DC電壓轉(zhuǎn)換芯片在電子系統(tǒng)和產(chǎn)品中得到了廣泛應(yīng)用。一般，開關(guān)電源初學(xué)者習(xí)慣照搬數(shù)據(jù)手冊上的參數(shù)設(shè)計電路，而對該電路背后深層次的理論知識知之甚少。該文將“信號與系統(tǒng)”課程的零極點知識運用到電流模式開光電源的控制理論當(dāng)中，提出了設(shè)計一個小紋波降壓轉(zhuǎn)換器的具體思路和方法。通過本案例的學(xué)習(xí)，一方面將認識到“信號與系統(tǒng)”課程的實際應(yīng)用價值，同時也將認識到電路是設(shè)計出來的，而非照抄照搬。

[關(guān)鍵詞] 信號與系統(tǒng);小班研討;DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器;峰值電流模式控制

[基金項目] 成都工業(yè)學(xué)院“2017-2020年人才培養(yǎng)質(zhì)量和教學(xué)改革項目”;2018年度大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓(xùn)練計劃省級立項項目（201811116090）;

2018年度成都工業(yè)學(xué)院“青苗計劃”項目（2018QM034）;成都工業(yè)學(xué)院實驗室開放基金項目

[作者簡介] 郭 勇（1981—），男，重慶銅梁人，博士，成都工業(yè)學(xué)院電子工程學(xué)院講師，主要從事光電子學(xué)、微波光子學(xué)研究。

[中圖分類號] G642.0? ? [文獻標識碼] A? ? [文章編號] 1674-9324（2020）23-0306-02? ? [收稿日期] 2020-01-08

一、引言

“信號與系統(tǒng)”是工科專業(yè)重要的專業(yè)基礎(chǔ)必修課程，不僅是工程學(xué)課程的重要組成部分，而且是工科專業(yè)學(xué)生在本科教育中獲得的具有較高實際應(yīng)用價值的課程之一。正是本課程在工科高等教育人才培養(yǎng)中的重要地位，針對“信號與系統(tǒng)”課程的各類教育教學(xué)改革不斷涌現(xiàn)，包括基于翻轉(zhuǎn)課堂的案例教學(xué)[1]、基于工程教育專業(yè)認證的課程改革[2]和小班討論課模式的教學(xué)改革探索與實踐[3-4]等形式。本論文將TI的降壓轉(zhuǎn)換器參數(shù)設(shè)計運用到“信號與系統(tǒng)”小班研討課程的案例分析當(dāng)中，以復(fù)頻域小信號環(huán)路補償模型為基礎(chǔ)，建立了該模型的簡化控制-輸出增益?zhèn)鬟f函數(shù)，通過對傳遞函數(shù)的理論分析與計算，并通過實際評估開發(fā)板上電測試，驗證了理論分析的正確性。

二、DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器復(fù)頻域小信號模型理論分析

在直流電壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計領(lǐng)域，相比于傳統(tǒng)的電壓模式控制技術(shù)，電流模式控制是電力電子學(xué)的研究熱點之一，而峰值電流模式（PCM）控制是近年在電壓轉(zhuǎn)換器芯片中廣泛使用的技術(shù)。簡化的小信號PCM分析模型如圖1所示，圖中僅用iL電流源代替電感電路，這在電流模式分析建模中是合理的近似，CO是輸出濾波電容的總?cè)葜?，取值由負載瞬態(tài)響應(yīng)、輸出電壓紋波和總線電容值共同決定，RESR是濾波電容等效串聯(lián)電阻，RL是等效負載，R1和R2是輸出電壓反饋取樣電阻，RC、CC和CRoll是環(huán)路補償網(wǎng)絡(luò)的電阻和電容，Cff是提升交叉頻率的補償電容。

由圖1可知PCM降壓轉(zhuǎn)換器總的環(huán)路增益為：

現(xiàn)基于TPS54020芯片設(shè)計一DC-DC降壓轉(zhuǎn)換器以驗證上述設(shè)計方法的正確性，具體的設(shè)計參數(shù)和原理圖請參閱TI的官方文檔SLVU777。

由上述參數(shù)仿真計算得到系統(tǒng)的環(huán)路增益和相位特性曲線，在交叉頻率處的相位裕量足以使系統(tǒng)穩(wěn)定工作。由TPS54020EVM開發(fā)板實際測量得到的輸出電壓波形如圖2所示，可知降壓轉(zhuǎn)換器的輸出電壓沒有發(fā)生振蕩，且輸出電壓峰峰值變化為12mV，符合系統(tǒng)設(shè)計時要求的小于20mV峰峰值輸出紋波電壓要求。

四、結(jié)語

本文將直流降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計與“信號與系統(tǒng)”的零、極點知識相結(jié)合，既豐富了“信號與系統(tǒng)”小班研討課的分析案例，又增強了同學(xué)們進行實際電子系統(tǒng)設(shè)計的能力。通過本案例的學(xué)習(xí)，既可以讓學(xué)生的抽象思維能力得到充分訓(xùn)練，還培養(yǎng)了學(xué)生綜合應(yīng)用“信號與系統(tǒng)”課程知識解決實際工程問題的能力，為進一步學(xué)習(xí)新知識、研究新問題，打下堅實基礎(chǔ)。

參考文獻

[1]王靜，張慧，崔雪.基于翻轉(zhuǎn)課堂“信號與系統(tǒng)”案例教學(xué)探討[J].電氣電子教學(xué)學(xué)報，2019，41（01）：87-90.

[2]張彪，呂明.基于工程專業(yè)認證的“信號與系統(tǒng)”課程教學(xué)目標的制定及實現(xiàn)[J].中國電子教育，2018，（001）：36-40.

[3]張揚，鄒麟，趙帥.“信號與系統(tǒng)”小班教學(xué)和考核改革的探討[J].實驗技術(shù)與管理，2015，32（12）：19-21.

[4]胡紅平，康志偉，彭微.“信號與系統(tǒng)”小班討論課教學(xué)改革的探索與實踐[J].教育教學(xué)論壇，2018（31）：139-140.

Application of DC-DC Buck Converter in Case Analysis of Small Class Discussion of Signal and System Course

GUO Yong，LUO Le，XIAO Ju-lan，HU Rong，SU Juan，LIAO Wu-xia，LI Min-qiang

（College of Electronic Engineering，Chengdu Institute of Technology，Chengdu，Sichuan 611730，China）

Abstract：DC-DC voltage conversion chips are widely used in electronic systems and products.In general，beginners of switching power are used to copying the parameter design circuit in the data manual，but little is known about the deep theoretical knowledge behind the circuit.In this paper，the zero-pole knowledge of Signal and System course is applied to the control theory of current mode switching power supply.Through the study of this case，the students will realize the practical application value of the Signal and System course，and also the students will realize deeply that the circuit is designed rather than copied.

Key words：Signal and System;small class discussion;DC-DC buck converter;peak current mode control