自動(dòng)工具改進(jìn)開關(guān)穩(wěn)壓器的響應(yīng)頻率

作者：德州儀器 (TI)工程師Wanda Garret

對于電源設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)不足的系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員來說，開關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)定性這一話題也許看上去 讓人有些望而怯步。其實(shí)，確保穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性的最簡單方法就是使用一款具有內(nèi)在穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)換器，比如說遲滯型轉(zhuǎn)換器。然而，由于它們不斷變化的開關(guān)頻率， 會(huì)導(dǎo)致與開關(guān)噪聲過濾相關(guān)的其它問題。另外一個(gè)選擇就是內(nèi)部補(bǔ)償穩(wěn)壓器。這種類型的穩(wěn)壓器適用于很多設(shè)計(jì)，不過通常情況下不支持比6A高太多的負(fù)載電流， 對于降壓穩(wěn)壓器來說也是如此。當(dāng)需要更加精密的電源時(shí)，就需要具有外部補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓器了。

幸運(yùn)的是，諸如TI的WEBENCH Power Designer^[1]的設(shè)計(jì)工具包括補(bǔ)償組件的選型。還有幾款工具包含一些有助于對穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性進(jìn)行評估的信息，像估算出的相位裕量，和/或者顯示波特圖的電氣仿真，和/或者瞬態(tài)響應(yīng)。

不 過，如果必須更換關(guān)鍵電路圖組件的話，該怎么辦呢？補(bǔ)償變化如何匹配呢？此外，不同設(shè)計(jì)工具對這些問題的處理是不同的。WEBENCH電源設(shè)計(jì)工具包括一 個(gè)可以輕松更新補(bǔ)償?shù)娜卵a(bǔ)償設(shè)計(jì)選項(xiàng)，這個(gè)功能甚至可以實(shí)現(xiàn)更快的響應(yīng)或更好的相位裕量。這篇文章將提供一個(gè)設(shè)計(jì)示例，為您演示如何使用補(bǔ)償設(shè)計(jì)工具， 以及獲得所需瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性的不同選項(xiàng)。

在我們的示例中，我們用WEBENCH電源設(shè)計(jì)工具創(chuàng)建一個(gè)具有LM21215A-1^[2]的電源設(shè)計(jì)。輸入電壓為3V至5V，12A電流時(shí)的輸出電壓為1V。設(shè)計(jì)完成時(shí)，在33.1kHz的交叉頻率上顯示出相位裕量為45.1°的運(yùn)行值。45°周圍的相位裕量還不錯(cuò)，表明快速響應(yīng)與瞬態(tài)響應(yīng)內(nèi)最小過沖的均衡（圖1和2）。


圖1.具有由Cc1、Rc1和Cc2組成的外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。


圖2.圖1中開關(guān)穩(wěn)壓器的頻率響應(yīng) (a) 和同一開關(guān)穩(wěn)壓器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng) (b)。

替換關(guān)鍵組件會(huì)損壞穩(wěn)壓器穩(wěn)定性

我 們有時(shí)必須替換那些會(huì)影響頻率響應(yīng)的組件。而其原因往往是在數(shù)個(gè)設(shè)計(jì)中需要使用特定組件，這樣可以簡化存貨清單。如果我們將電感器的建議值從560nH更 改為1.2μH（仍然處于這款設(shè)計(jì)的建議范圍內(nèi)），相位裕量大約減少了37°。這個(gè)值低于我們45°的目標(biāo)值。瞬態(tài)響應(yīng)顯示出，輸出電壓的振鈴增加了很 多，這表示穩(wěn)定性下降（圖3）。


圖 3.圖.1中電路的頻率響應(yīng)。(a) 使用最初的560nH電感器（綠色增益曲線，橙色相位曲線），以及采用1.2μH電感器的頻率響應(yīng)（紅色增益曲線，藍(lán)色相位曲線）。針對同樣兩款設(shè)計(jì)變化 的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng) (b) 在使用1.2μH電感器的情況下穩(wěn)定性較低。使用最初560μH電感器的輸出電壓為綠色跡線；采用1.2μH電感器時(shí)的輸出電壓為紅色跡線；12A至 1.2A至12A負(fù)載階躍為藍(lán)色跡線。

提升穩(wěn)壓器穩(wěn)定性

那么，我們?nèi)绾翁嵘辔辉Ａ亢头€(wěn)定性呢？我們有幾個(gè)可能的方法：

單獨(dú)地更改補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)或其它主要組件，并測試結(jié)果；

使用WEBENCH Compensation Designer，以特定的相位裕量為目標(biāo)；

使用WEBENCH Compensation Designer，直接改變頻率響應(yīng)的極點(diǎn)/零點(diǎn)；

使用WEBENCH Compensation Designer，更改補(bǔ)償組件，并在將它們應(yīng)用于設(shè)計(jì)之前測試結(jié)果。

WEBENCH Compensation Designer是一款WEBENCH Power Designer內(nèi)的全新工具。它大為簡化了穩(wěn)壓器頻率響應(yīng)的調(diào)節(jié)，快速測試可能變化的結(jié)果，以找到一款好的解決方案。

由于第一個(gè)方法太耗時(shí)，我們將不使用這種方法。我們查看一下其它三種方法的結(jié)果。

1）以特定的相位增益為目標(biāo)。

在WEBENCH設(shè)計(jì)中，我們單擊Re-Comp按鈕來打開Compensation Designer。在最開始顯示的是最初的設(shè)計(jì)性能（圖4的左半部分），相位裕量為36.8°。建議的目標(biāo)相位裕量為47°，目標(biāo)交叉頻率為50kHz。這兩個(gè)值都是比較不錯(cuò)的目標(biāo)值。

我 們將Optimization Tuning（優(yōu)化調(diào)諧）轉(zhuǎn)動(dòng)至“Robustness（穩(wěn)健耐用）”，以強(qiáng)調(diào)頻率響應(yīng)時(shí)的相位裕量。下一步單擊“Auto Compensate（自動(dòng)補(bǔ)償）”?，F(xiàn)在得到的相位裕量為47°，交叉頻率為49kHz（圖4的右半部分）。這就與我們的目標(biāo)值相吻合了！然后，我們單 擊“Apply Changes to Design（應(yīng)用變更）。”檢查波特圖和瞬態(tài)響應(yīng)仿真，確認(rèn)目前的穩(wěn)定性是否良好（圖5）。


圖4. WEBENCH Compensation Designer能夠使用戶檢查現(xiàn)在的補(bǔ)償和穩(wěn)定性，并且將補(bǔ)償設(shè)計(jì)調(diào)整到新的目標(biāo)值上。在使用圖1中的設(shè)計(jì)，以及更大的1.2μH電感器時(shí)，缺省目標(biāo)值 和范圍 (a) 旁邊顯示的綠色字體是頻率響應(yīng)匯總，以及補(bǔ)償組件。此時(shí)將Optimization Tuning向“Robustness”移動(dòng)，單擊“Apply changes to design.”按鈕。(b) 中的綠色字體顯示的是已更新的頻率響應(yīng)匯總，以及補(bǔ)償組件值。


圖5. (a) 是根據(jù)圖1，使用1.2μH電感器時(shí)的電路頻率響應(yīng)，采用最初補(bǔ)償值（綠色增益曲線、橙色相位曲線），以及改進(jìn)補(bǔ)償值（紅色增益曲線、藍(lán)色增益曲線）時(shí)的 情況。針對同樣兩個(gè)設(shè)計(jì)變化的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，(b) 顯示的是使用全新補(bǔ)償值時(shí)的更佳穩(wěn)定性。使用最初補(bǔ)償值時(shí)的輸出電壓為綠色跡線；使用更新補(bǔ)償值時(shí)的輸出電壓為紅色跡線；12A至1.2A至12A的負(fù)載 階躍為藍(lán)色跡線。

2）改變頻率響應(yīng)極點(diǎn)與零點(diǎn)。

選項(xiàng)2是一項(xiàng)更加具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)，并且需要用到某些控制原理專業(yè)知識(shí)。 打開Compensation Designer，我們選擇Manual（手動(dòng)）標(biāo)簽頁（不是Auto標(biāo)簽頁），并單擊“Edit Poles/zeros（編輯極點(diǎn)/零點(diǎn)）”按鈕。圖6中顯示的是頻率響應(yīng)中極點(diǎn)和零點(diǎn)的頻率值。

通過將零點(diǎn)頻率更改為更加靠近電感器和 輸出電容器所生成的雙極點(diǎn) (1/2?*sqrt(L*Cout))，我們可以改進(jìn)相位裕量。在這個(gè)情況下，雙極點(diǎn)的頻率大約為8kHz。如果我們將零點(diǎn)1的目標(biāo)頻率設(shè)定為 4kHz（8kHz的一半），而將零點(diǎn)2的目標(biāo)頻率設(shè)定為8kHz，得到的相位裕量為49°，而此時(shí)的交叉頻率大約為59kHz。這兩個(gè)值大大地好于之前 的37°和20kHz的相位裕量和交叉頻率值（圖7）。



圖6. (a) 中，在使用1.2μH電感器時(shí)的示例設(shè)計(jì)中，計(jì)算得出的極點(diǎn)與零點(diǎn)用綠色字體顯示。(b) 中，將零點(diǎn)1的目標(biāo)值改為4kHz，零點(diǎn)2的目標(biāo)值改為8kHz之后，計(jì)算得出的極點(diǎn)和零點(diǎn)。


圖7. 更改零點(diǎn)1和零點(diǎn)2的目標(biāo)頻率之前（灰線，標(biāo)記A）和之后（綠線，標(biāo)記B）繪制的波特圖。

在零點(diǎn)已經(jīng)被更改后，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)相位裕量值被大大改進(jìn)，從37°增加為49°。交叉頻率也從35kHz增加到60kHz。還有其它能夠在較高交叉頻率下實(shí)現(xiàn)良好相位裕量的技術(shù)，比如說那些自動(dòng)重新補(bǔ)償所使用的技術(shù)，不過這些技術(shù)不在這篇文章的討論范圍之內(nèi)！

3）更改補(bǔ)償組件。

外部補(bǔ)償組件決定了我們在選項(xiàng)2中討論過的極點(diǎn)和零點(diǎn)。在我們的示例使用LM21215A-1器件時(shí)（圖8），數(shù)據(jù)表中給出了與它們之間關(guān)系有關(guān)的方程式和信息（方程式1）。


圖8.顯示補(bǔ)償組件Rc1、Rc2、Cc1、Cc2和Cc3的LM21215A-1設(shè)計(jì)電路原理圖部分。

如果某些值與我們庫存中的器件值不匹配的話，我們也許想單獨(dú)調(diào)整補(bǔ)償組件?；蛘?，我們也許想試著改進(jìn)頻率響應(yīng)。

以 第一個(gè)情況為例，在運(yùn)轉(zhuǎn)示例中使用我們最初使用的570nH電感器，我們可以看到Rc2的電阻值為806Ω。如果電阻值差最接近1%的庫存電阻器為 750Ω，那么相位裕量從45°減少到大約44°，并且交叉頻率叢33kHz減少到30kHz（圖9）。我們需要決定這個(gè)更改是否影響過大，會(huì)不會(huì)有問 題。



圖9. 補(bǔ)償組件的起始值顯示在左上角的方框中，得出的頻率響應(yīng)值顯示在設(shè)計(jì)運(yùn)行值方框的下方 (a)。Rc2的電阻值從806W變?yōu)?50W后的結(jié)果顯示在右下角的設(shè)計(jì)運(yùn)行值方框內(nèi) (b)。需要注意的是，Cc3自動(dòng)改變?yōu)?nF，部分抵消了Rc2的變化結(jié)果。

另外一個(gè)管理補(bǔ)償組件值的方法是返回到Compensation Designer的“Auto”標(biāo)簽頁。這是一個(gè)設(shè)置組件值范圍的地方。我們可以調(diào)節(jié)任一組件的范圍（圖10）。



圖10. WEBENCH Compensation Designer使得用戶能夠限制補(bǔ)償組件所使用的值的范圍。

結(jié)論

當(dāng)需要檢查、調(diào)整或優(yōu)化電源設(shè)計(jì)的補(bǔ)償時(shí)，WEBENCH Compensation Designer等工具為你提供你所需要的或多或少的自動(dòng)化指南。