【導(dǎo)讀】運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(OTA)產(chǎn)生跟差分輸入電壓成正比的電流源輸出。為了在OTA中提供強(qiáng)固的靜電放電(ESD)保護(hù)性能，OTA輸出與封裝引腳輸出之間的裸片上應(yīng)用了限流串聯(lián)保護(hù)電阻(RESD)及電壓鉗位。器件制造商將ESD保護(hù)電阻的影響忽略不計(jì)，在數(shù)據(jù)表中沒(méi)有介紹其參數(shù)。
然而，在設(shè)計(jì)電源電路時(shí)，忽略ESD保護(hù)電阻對(duì)OTA輸出阻抗的影響可能會(huì)對(duì)電源的反饋環(huán)路補(bǔ)償產(chǎn)生增益及相位誤差。例如，ESD電阻的存在影響采用低壓輸入工作的升壓轉(zhuǎn)換器的性能。設(shè)計(jì)人員可以在其OTA模型中將ESD保護(hù)電阻考慮在內(nèi)，從而避免這些增益及相位誤差。
為了配合這樣的舉措，本文介紹將ESD電阻影響考慮在內(nèi)的電源OTA補(bǔ)償傳遞函數(shù)的推導(dǎo)過(guò)程。文中考慮了三種常見(jiàn)的補(bǔ)償類型——I型、II型及III型。除了推導(dǎo)每類補(bǔ)償?shù)恼_傳遞函數(shù)，還推導(dǎo)了ESD校正因數(shù)，使設(shè)計(jì)人員能夠通過(guò)實(shí)驗(yàn)方法獲得反饋控制傳遞函數(shù)。
改進(jìn)型OTA模型
OTA是壓控電流源放大器(見(jiàn)圖1)，它的輸出電流與放大器的差分輸入成正比。放大器跨導(dǎo)增益定義為gm。OTA要求的裸片面積比相互競(jìng)爭(zhēng)的電壓放大器更小(就同等帶寬而言)，常用作電源控制器及穩(wěn)壓器IC的反饋放大器。
圖1 OTA簡(jiǎn)化模型圖
當(dāng)提供了補(bǔ)償引腳作為封裝引腳輸出選擇時(shí)，通過(guò)OTA輸出端的電壓鉗位及限流串聯(lián)電阻的方式應(yīng)用了裸片級(jí)ESD保護(hù)(見(jiàn)圖2)。此外，OTA包含由并聯(lián)連接的電阻(R0)和電容(C0)(另一端接地)構(gòu)成的輸出阻抗。放大器傳遞函數(shù)由OTA的輸出阻抗結(jié)構(gòu)與外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)一起確定。
圖2 改進(jìn)的OTA模型，其中包含輸出阻抗和RESD
在某些應(yīng)用中，RESD對(duì)OTA傳遞函數(shù)的影響忽略不計(jì)。PFC升壓轉(zhuǎn)換器就是這樣的例子。如果我們要獲得將ESD電阻考慮在內(nèi)的OTA傳遞函數(shù)的表達(dá)式(本文稍后將推導(dǎo)此表達(dá)式)，并且代入?yún)⒖假Y料中給出的補(bǔ)償值，我們就會(huì)找到輸入電壓反饋分頻器(feedback divider)將直流增益衰減至RESD帶來(lái)的補(bǔ)償誤差可以忽略不計(jì)的點(diǎn)。
然而，采用低輸入電壓源(如汽車電池)工作的升壓轉(zhuǎn)換器不會(huì)從OTA輸入電壓分頻器造成的輸入電壓增益大幅衰減獲益。相應(yīng)地，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)電阻可能要求較低的值，以實(shí)現(xiàn)所要求的中頻帶增益衰減。我們考慮脈寬調(diào)制(PWM) IC的控制邏輯使用起源于ESD電阻OTA端的Vctrl信號(hào)作為反饋控制信號(hào)、但在反饋環(huán)路測(cè)量期間不能直接獲得OTA輸出(Vctrl)的情況。如果RESD的大小跟連接至Vc引腳的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電阻相近，那么，電源反饋環(huán)路的仿真響應(yīng)相對(duì)于測(cè)量的響應(yīng)將包含增益及相位誤差。
本文介紹電力電子社群描述為I類/II類/III類補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的修改后的表達(dá)式，并將其與針對(duì)理想OTA推導(dǎo)出的表達(dá)式進(jìn)行比較。雖然針對(duì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)響應(yīng)的修改表達(dá)式將支持用于設(shè)計(jì)這些網(wǎng)絡(luò)的分析方法，但在某些情況下，可能有需要或必要來(lái)以實(shí)驗(yàn)方式獲取所要求的傳遞函數(shù)。在那些情況下，可能要求校正因數(shù)，以從基于IC補(bǔ)償引腳Vc獲得的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果來(lái)獲取正確的OTA傳遞函數(shù)。本文推導(dǎo)了每種類型補(bǔ)償?shù)男Ｕ驍?shù)。圖2所示的OTA模型是本文推導(dǎo)出的Iesd/IIesd/IIIesd型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的構(gòu)建模塊。
本文的討論中將使用NCV8871升壓控制器IC OTA的參數(shù)，以配合設(shè)計(jì)示例。在這些示例中，跟NCV8871相關(guān)的關(guān)鍵參數(shù)包括：Ro=3MΩ，gm=1.2mS，內(nèi)部電壓參考Vref=1.2V。此外，我們需要運(yùn)用從NCV8871 IC設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)獲得的兩個(gè)未公開(kāi)的參數(shù)：RESD≈542Ω及Co≈10pF。
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