德州仪器:自动工具改进开关稳压器的响应频率

2015-10-18 14:59:58来源: EEWORLD
作者:德州仪器 (TI)工程师Wanda Garret

对于电源设计经验不足的系统设计人员来说,开关稳压器稳定性这一话题也许看上去 让人有些望而怯步。其实,确保稳压器的稳定性的最简单方法就是使用一款具有内在稳定性的转换器,比如说迟滞型转换器。然而,由于它们不断变化的开关频率, 会导致与开关噪声过滤相关的其它问题。另外一个选择就是内部补偿稳压器。这种类型的稳压器适用于很多设计,不过通常情况下不支持比6A高太多的负载电流, 对于降压稳压器来说也是如此。当需要更加精密的电源时,就需要具有外部补偿的稳压器了。

幸运的是,诸如TI的WEBENCH Power Designer[1]的设计工具包括补偿组件的选型。还有几款工具包含一些有助于对稳压器的稳定性进行评估的信息,像估算出的相位裕量,和/或者显示波特图的电气仿真,和/或者瞬态响应。

不 过,如果必须更换关键电路图组件的话,该怎么办呢?补偿变化如何匹配呢?此外,不同设计工具对这些问题的处理是不同的。WEBENCH电源设计工具包括一 个可以轻松更新补偿的全新补偿设计选项,这个功能甚至可以实现更快的响应或更好的相位裕量。这篇文章将提供一个设计示例,为您演示如何使用补偿设计工具, 以及获得所需瞬态响应和稳定性的不同选项。

在我们的示例中,我们用WEBENCH电源设计工具创建一个具有LM21215A-1[2]的电源设计。输入电压为3V至5V,12A电流时的输出电压为1V。设计完成时,在33.1kHz的交叉频率上显示出相位裕量为45.1°的运行值。45°周围的相位裕量还不错,表明快速响应与瞬态响应内最小过冲的均衡(图1和2)。


图1.具有由Cc1、Rc1和Cc2组成的外部补偿网络的降压开关稳压器。


图2.图1中开关稳压器的频率响应 (a) 和同一开关稳压器的负载瞬态响应 (b)。

替换关键组件会损坏稳压器稳定性

我 们有时必须替换那些会影响频率响应的组件。而其原因往往是在数个设计中需要使用特定组件,这样可以简化存货清单。如果我们将电感器的建议值从560nH更 改为1.2μH(仍然处于这款设计的建议范围内),相位裕量大约减少了37°。这个值低于我们45°的目标值。瞬态响应显示出,输出电压的振铃增加了很 多,这表示稳定性下降(图3)。


图 3.图.1中电路的频率响应。(a) 使用最初的560nH电感器(绿色增益曲线,橙色相位曲线),以及采用1.2μH电感器的频率响应(红色增益曲线,蓝色相位曲线)。针对同样两款设计变化 的负载瞬态响应 (b) 在使用1.2μH电感器的情况下稳定性较低。使用最初560μH电感器的输出电压为绿色迹线;采用1.2μH电感器时的输出电压为红色迹线;12A至 1.2A至12A负载阶跃为蓝色迹线。

提升稳压器稳定性

那么,我们如何提升相位裕量和稳定性呢?我们有几个可能的方法:

单独地更改补偿网络或其它主要组件,并测试结果;

使用WEBENCH Compensation Designer,以特定的相位裕量为目标;

使用WEBENCH Compensation Designer,直接改变频率响应的极点/零点;

使用WEBENCH Compensation Designer,更改补偿组件,并在将它们应用于设计之前测试结果。

WEBENCH Compensation Designer是一款WEBENCH Power Designer内的全新工具。它大为简化了稳压器频率响应的调节,快速测试可能变化的结果,以找到一款好的解决方案。

由于第一个方法太耗时,我们将不使用这种方法。我们查看一下其它三种方法的结果。

1)以特定的相位增益为目标。

在WEBENCH设计中,我们单击Re-Comp按钮来打开Compensation Designer。在最开始显示的是最初的设计性能(图4的左半部分),相位裕量为36.8°。建议的目标相位裕量为47°,目标交叉频率为50kHz。这两个值都是比较不错的目标值。

我 们将Optimization Tuning(优化调谐)转动至“Robustness(稳健耐用)”,以强调频率响应时的相位裕量。下一步单击“Auto Compensate(自动补偿)”。现在得到的相位裕量为47°,交叉频率为49kHz(图4的右半部分)。这就与我们的目标值相吻合了!然后,我们单 击“Apply Changes to Design(应用变更)。”检查波特图和瞬态响应仿真,确认目前的稳定性是否良好(图5)。


图4. WEBENCH Compensation Designer能够使用户检查现在的补偿和稳定性,并且将补偿设计调整到新的目标值上。在使用图1中的设计,以及更大的1.2μH电感器时,缺省目标值 和范围 (a) 旁边显示的绿色字体是频率响应汇总,以及补偿组件。此时将Optimization Tuning向“Robustness”移动,单击“Apply changes to design.”按钮。(b) 中的绿色字体显示的是已更新的频率响应汇总,以及补偿组件值。


图5. (a) 是根据图1,使用1.2μH电感器时的电路频率响应,采用最初补偿值(绿色增益曲线、橙色相位曲线),以及改进补偿值(红色增益曲线、蓝色增益曲线)时的 情况。针对同样两个设计变化的负载瞬态响应,(b) 显示的是使用全新补偿值时的更佳稳定性。使用最初补偿值时的输出电压为绿色迹线;使用更新补偿值时的输出电压为红色迹线;12A至1.2A至12A的负载 阶跃为蓝色迹线。

2)改变频率响应极点与零点。

选项2是一项更加具有挑战性的技术,并且需要用到某些控制原理专业知识。 打开Compensation Designer,我们选择Manual(手动)标签页(不是Auto标签页),并单击“Edit Poles/zeros(编辑极点/零点)”按钮。图6中显示的是频率响应中极点和零点的频率值。

通过将零点频率更改为更加靠近电感器和 输出电容器所生成的双极点 (1/2*sqrt(L*Cout)),我们可以改进相位裕量。在这个情况下,双极点的频率大约为8kHz。如果我们将零点1的目标频率设定为 4kHz(8kHz的一半),而将零点2的目标频率设定为8kHz,得到的相位裕量为49°,而此时的交叉频率大约为59kHz。这两个值大大地好于之前 的37°和20kHz的相位裕量和交叉频率值(图7)。



图6. (a) 中,在使用1.2μH电感器时的示例设计中,计算得出的极点与零点用绿色字体显示。(b) 中,将零点1的目标值改为4kHz,零点2的目标值改为8kHz之后,计算得出的极点和零点。


图7. 更改零点1和零点2的目标频率之前(灰线,标记A)和之后(绿线,标记B)绘制的波特图。

在零点已经被更改后,我们会发现相位裕量值被大大改进,从37°增加为49°。交叉频率也从35kHz增加到60kHz。还有其它能够在较高交叉频率下实现良好相位裕量的技术,比如说那些自动重新补偿所使用的技术,不过这些技术不在这篇文章的讨论范围之内!

3)更改补偿组件。

外部补偿组件决定了我们在选项2中讨论过的极点和零点。在我们的示例使用LM21215A-1器件时(图8),数据表中给出了与它们之间关系有关的方程式和信息(方程式1)。


图8.显示补偿组件Rc1、Rc2、Cc1、Cc2和Cc3的LM21215A-1设计电路原理图部分。

如果某些值与我们库存中的器件值不匹配的话,我们也许想单独调整补偿组件。或者,我们也许想试着改进频率响应。

以 第一个情况为例,在运转示例中使用我们最初使用的570nH电感器,我们可以看到Rc2的电阻值为806Ω。如果电阻值差最接近1%的库存电阻器为 750Ω,那么相位裕量从45°减少到大约44°,并且交叉频率丛33kHz减少到30kHz(图9)。我们需要决定这个更改是否影响过大,会不会有问 题。



图9. 补偿组件的起始值显示在左上角的方框中,得出的频率响应值显示在设计运行值方框的下方 (a)。Rc2的电阻值从806W变为750W后的结果显示在右下角的设计运行值方框内 (b)。需要注意的是,Cc3自动改变为1nF,部分抵消了Rc2的变化结果。

另外一个管理补偿组件值的方法是返回到Compensation Designer的“Auto”标签页。这是一个设置组件值范围的地方。我们可以调节任一组件的范围(图10)。



图10. WEBENCH Compensation Designer使得用户能够限制补偿组件所使用的值的范围。

结论

当需要检查、调整或优化电源设计的补偿时,WEBENCH Compensation Designer等工具为你提供你所需要的或多或少的自动化指南。

关键字:德州仪器  自动  工具  改进

编辑:冀凯 引用地址:http://www.eeworld.com.cn/dygl/2015/1018/article_26311.html
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