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设计补偿器网络以改善开关频率响应

2019-07-14 03:09发布

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　　直流开关电压转换器(或“开关调节器”)控制回路的特点是频率响应。频率响应影响开关调节器的反应时间对瞬态变化、精度和稳定性的影响，并在输入电压、负载和工作周期变化的情况下，如何保持设定的电压输出。　　工程师可以通过增加补偿器网络来改善开关调节器的频率响应。目标是调整频率响应，使开关调整器的交叉频率处于最佳位置(提供高带宽)，但该单元具有足够的相位和增益范围，以获得良好的动态响应、线路和负载调节和稳定性。如果工作做得好，最终的结果是一个开关调节器，它在一个宽的频率范围内是稳定的，但是没有过度补偿，因此它的动态响应很差。　　本文介绍了开关调压器的补偿网络的基本原理，并说明了网络的类型如何影响电源的频率响应和最终性能。
　　应对不稳定　　一个设计工程师经常会发现他或她最初的电路布局的开关调节器是不稳定的。不稳定性可以引起磁性元件或陶瓷电容器的噪声，在开关波形中抖动，输出电压的振荡，功率场效应晶体管的过热和其他不良的副作用。图1显示了一个不稳定的降压(“buck”)开关调节器的典型输出波形。　　线性技术电流和电压输出图。
　　图1:不稳定开关调节器的电流和电压输出。(由线性技术)　　尽管造成不稳定性的原因有很多——例如，PCB产生的噪音——一个常见的原因是电源控制回路的补偿不足。为了解决这个问题，工程师必须增加一个补偿网络。正确实施,补偿网络的输出((s))一起反馈电压(VFB)分配器将优化控制循环特征,确保直流(零频率)增益高,交叉频率(或带宽)(fc)高,和良好的阶段,gain-margins导致开关调节器具有良好的动态响应,线,负载调整率和稳定性。　　通过环路带宽和环稳定裕度来量化开关调节器的控制回路的性能。带宽是由交叉频率定义的，在这个频率上，循环增益等于1 (0 dB)。更高的带宽有助于快速的瞬态响应，代价是环稳定裕度和控制回路对开关噪声的敏感性。环稳定裕度通常以相位裕度和增益裕度来量化。阶段保证金被定义为整体的区别在交叉频率相位延迟和-180°,增益裕度时获得的相位滞后180°。　　假设获得情节十字架0分贝只有一次(电压调节器和一个低通滤波器的输出级几乎总是如此)系统将是稳定的,如果相位滞后的交叉频率小于180°。经验丰富的工程师的目标是实现一个阶段利润大于45°(小于315°)。通常,一个阶段的45°是一个很好的瞬态响应和阻尼之间的妥协。对于boost或buck-切换调节器，增益裕度应在10db以上。
　　类型的补偿网络　　开关调节器采用闭合反馈回路来调节输出电压。图2显示了典型的buck控制器的电压模式控制方案。补偿网络为误差放大器形成反馈电路。自从引入了开关调节器，工程师们已经开发了三种常用的补偿网络(以它们引入控制回路的零和极点的数量命名)，类型I, II和III。　　线性技术开关控制回路图。
　　图2:将补偿网络加到误差放大器的开关控制回路。(由线性技术)　　1型补偿最大化了电路的直流增益，从而最小化了直流调节误差。补偿是通过将电容(Cth)加到误差放大器的输出来实现的。电容器的增加在A(s)内产生一个无限高的DC增益的积分项。增加电容器的缺点是它引入了-90度相位滞后，与其他反馈回路相结合，可以使电路接近不稳定。　　制造商在其模块上提供了一个错误放大器输出引脚(如线性技术的LTC3851上的“第i”针，一个最大开关频率为810 kHz的同步的，开关的调节器控制器)。一个快速测试来检查如果控制回路的来源不稳定在一个电源可以通过连接执行一个大电容(例如0.1µF)销。如果缺少补偿是电路不稳定的原因，电容器通常会将电源的带宽降低到低频的诱导稳定性。如果电容器没有效果，建议工程师到别处寻找不稳定的来源。　　为了提高稳定性，可以将电阻(Rth)与原电容串联在一起。电阻器的作用是添加一个“零”(Sthz)，产生一个+90的相位超前。关键在于选择正确的电阻值，使相位超前在交叉频率前引入，从而在频率上显著增加相位，从而提高电压环的相位裕度和稳定性。图3显示了这样一个补偿网络的一个小信号模型，以及它的频率响应的Bode图(叠加在电容的作用上(虚线))。注意，额外的零增加了交叉频率的相位裕度。　　线性技术误差放大器和电阻/电容补偿网络图。
　　图3:小信号模型显示误差放大器和电阻/电容补偿网络及相关的波德图。(由线性技术)　　不幸的是，电阻的作用不仅仅是产生相位超前;它也提高了高频的增益。这种副作用增加了开关调节器的运行频率(通常是高的)功率元件产生的噪声会影响输出的可能性。　　解决方案是添加第二个电容(Cthp)，其值远低于Cth，尽可能靠近电源模块的第i个插头，将大头针与地面连接。第二电容器的引入引入了一种高频的“极”，它被引入到波德图中，理想的位置应该位于交叉频率和开关频率(fs)之间。电杆的作用是降低开关频率附近的增益。(该组件也可能会减少交叉频率的相位，因此必须小心选择其值，以消除对相位裕度的噪声豁免。)这样的两个(II)极点，一个零补偿网络被称为II型。　　图4显示了一个建议用于使用Intersil ISL85415开关调整器的II型补偿网络。该设备的开关频率为500 kHz，需要输入3至36 V，输出功率为0.6至34 V，最高可达500 mA。　　一种双侧降压转换器的二型补偿网络图。
　　图4:Intersil buck转换器的II型补偿网络。　　图5显示了使用如图4所示的补偿网络的buck转换器的Bode图。通过这种补偿网络,开关变换器75千赫带宽75°阶段保证金和6分贝增益裕度。　　这是一种用于交换器的波德图。
　　图5:图4所示的补偿网络的Intersil buck转换器的Bode图。　　虽然II型补偿网络可以工作得很好,进一步优化电源的频率响应可以通过实现一个更复杂的补偿网络形状的轮廓在类似的方式获得对频率的二型网络但略带事情更多。这个网络的特点是三(三)极和二(或三)零，称为第三型。　　与上述二型网络,低频极提供high-DC获得最小化DC-regulation错误和第一个高频钢管放置取消产生的零输出滤波电容器的等效串联电阻(ESR)0(fESR)。与第二型网络一样，第二高频极点配置在交叉频率后，在反馈回路中衰减开关噪声，而不影响相位裕度。电感和电容在功率级引起其他零。　　III型补偿是复杂和费时的，因为它需要找到六个R/C值的最优组合。Power模块制造商Intersil提供了一些参考文献[3]中对这些值进行初始计算的指导原则。图6显示了一个类型III补偿网络。该电路导致如图7所示的转换器的频率响应。补偿网络增益不超过误差放大器的开环增益是很重要的。　　线性技术第三类补偿网络图。
　　图6:第三类补偿网络。(由线性技术)　　线性技术开关频率响应和频率响应的图像。
　　图7:使用图6中所示的补偿网络，使用频率响应A(s)(红 {MOD})来切换调节频率响应(蓝 {MOD})。(由线性技术)
　　分析软件　　第3类补偿网络值的初始计算应该只考虑一个指南，建议通过使用具有绘图功能的商业可用的分析软件包来生成实际的增益和相位图。一旦获得了增益和相位图，可能需要稍微改变组件值以获得更好的响应。　　所有主要的电源模块制造商都提供软件包，使补偿网络设计一个相对简单的过程。例如，线性技术提供了它的LTpowerCAD，该公司将其描述为“一个完整的电源设计工具程序，可以大大简化电源设计的任务。”类似地，Intersil提供其PowerNavigator软件(主要用于数字电源供应)，Fairchild半导体供应电源WebDesigner和德州仪器(TI) power Stage Designer工具“帮助设计最常用的开关模式电源的电源阶段”。　　另一个让工程师的生活更容易的选择是选择一个具有内部补偿功能的芯片。缺点是缺乏灵活性，因为设计者被芯片供应商的补偿方案所困扰，这可能不是他或她的应用的理想，但好处是更简单的设计，更少的外部组件，和减少的材料(BOM)。　　内部补偿芯片的一个例子是TI的LM46000 buck调节器。该芯片能够驱动从3.5到60 V的输入电压范围内的负载电流达到500ma，输出功率为1到28v。LM46000有一个可调的开关频率从200khz到2.2 MHz。
　　寻求帮助　　基于一个半导体制造商的电源模块设计一个开关调节器似乎很简单。所有主要的供应商都为他们的产品提供应用电路，以确保在给定的条件下供电。但是，最终产品可以呈现一组不受应用程序信息覆盖的操作条件。这样的操作条件可以暴露初始设计中的不稳定性，并以补偿网络的形式要求额外的电路。　　补偿网络设计的细节并不简单，需要对控制理论有合理的理解，包括对s平面上的极点和零的分析。由于缺乏经验，过度补偿导致设计具有限制带宽和较差的瞬态响应非常容易。这种设计要求输出电容的过剩，以改善材料(BOM)和电源大小的瞬态响应。　　经验不足的工程师被建议访问电力模块供应商的在线资源，如线性技术、Fairchild半导体、Intersil和TI。此外，这些制造商都提供软件包，以减轻环补偿网络设计的复杂性。

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