三 D-CAP自适应导通文波注入电路解析和环路测试方法

下面我说第三部分

第三部分是详细解释纹波注入电路

和采用 D-CAP 这种模式的环路测试的方法

我刚才说了我的输出 D-CAP 所采用的一个控制机理

就是利用输出电容的 ESR 值

上面所产生的纹波电压作为一个反馈量

那这样的话可能会带来一个问题

就是如果用户使用或设计人员使用的

都是纯陶瓷的电容作为输出电容的话

就会出现问题

当输出电容的 ESR 值很低的时候

那么这时候加载在输出电容的 ESR 值

上面的纹波电压会非常的低

以至于低到了不能够去

作为我的一个信号反馈的时候

就会出现稳定性的问题

所以 TI 就想了一个非常聪明的一个办法

就是我能不能在电感里面的充电和放电的电流

利用这个充电和放电电流所产生的这种电压

来作为一个反馈电压呢？

那么实际上这种做法是非常可行的

那么我们怎么做的这件事情了呢？

首先我们知道电感

它也有一个充电和放电的时间常数

就是 L/DCR

那如果我能够把电感的充电

和放电的时间常数

和我外面加的 RC 的时间常数

能够做一个相等处理

那是不是我就能够

把电感里面的纹波电流提取出来

而把它作为一个纹波电压

直接反馈到或叠加在输出的分压电阻的返回端上了呢

实际上是可以的

那实际上我们是这么做的

首先在电感的输入端和电感的输出端加一个 RC

那在 RC 的中间节点里面提取我的一个纹波电压

注意这个纹波电压

实际上是已经叠加了一个直流分量

而我们不需要直流分量

而只要它的交流成分

所以加了一个隔直电容 Cb

一个 1nF 的一个隔直电容 Cb

透过这个 Cb 的这个隔直电容

我们把我的交流成分提取出来

叠加在我的返回端上

从而实现了纹波注入的这种电路

纹波注入的这种电路

主要是用来输出电容是纯陶瓷电容的这种应用场合

那么需要一个纹波注入电路

如果我的输出电容是采用的 ESR 值比较高的电解电容

那么这一块的 RC 的纹波注入电路是可以省略的

但是输出电容如果采用的

是 ESR 值比较高的这种电解电容所带来一个问题

就是我的输出的纹波变得很大

这在很多应用里面可能是不能接受的

所以现在大部分的这种比较可行的方法

就是还是采用纯陶瓷的这种电容

那么可以得到纹波非常小的这种电压

如果采用输出电容全是纯陶瓷的这种电容的话

我就必须要在电感的两侧并联

一个 RC 电路作为纹波注入电路

从而保证我的 DC-DC 的工作稳定

我们现在在这一章里面

这一页里面主要是讨论的

就是环路稳定的这个模型

也就是说，对于任何的 DC-DC 来说

即使采用 D-CAP 来说的这种机理的 DC-DC

那么虽然我们不需要我的这个外边的补偿网络的参与

也能够保障系统是稳定的

但实际上我仍然还是遵循着这个小信号的稳定模型

来作为一个理论依据

来实现我整个稳定的

我们可以看到它

对于任何这个波特图

或者叫做相位裕量或增益裕量图来说的话

实际上都是有两条曲线来去作为判据的

一条叫增益曲线

另外一条的叫做相位曲线

那这曲线是怎么来的呢？

对任何的 DC-DC 电源来说的话

由于它的输出是采用 LC 的这种方式作为滤波器的

我们知道 LC 的滤波器实际上都是非稳定系统

因为它有两个极点

而且是同频率的一个双极点

这个就使得它的相位裕量为零

所以与生俱来它是非稳定的

因此我们必须要通过某种方式

来抵消我的功率级上面的一个额外的极点

来保证我的稳定

所以我们可以通过这个 RC 纹波注入电路

使得我在返回端上额外的叠加一个纹波电压

从而能够有效地

去抵消我的 LC 极点中的其中的一个极点

而满足我的稳定性的要求

所以通过我的功率级的相位曲线

和我的控制级的相位曲线作为一个叠加

从而得到了右上角的这个波特图的曲线

也就是我的增益曲线一定是以 20dB 的斜率

或者 -1 斜率来穿越我的 0dB 点

也就是我的这个增益为 1 的时候的这个点

可以看到

如果没有我的纹波注入的 ESR 的这个纹波电压

那么必然会出现一个双极点的一个现象

那么这个是以 -2 斜率 -40dB 的曲线

这条曲线明显的是一个非稳定的一条曲线

所以我在这边加入了一个零点进去之后

就会抵消它一个极点

从而使得 -40dB 变成了 -20dB

也就说以 -1 的斜率而穿过的 0dB 点

形成一个稳定的判据

用户肯定会或者设计人肯定会提出另外一个问题

就是你们有没有说能够把纹波注入电路

能够取消的这种芯片呢？

因为毕竟做 RC 纹波注入电路

虽然我已经极大的简化了我的环路补偿的这一部分设计

但依然是需要额外的电容和电阻

来满足我的这个稳定性需求

还是有点儿麻烦

那么非常好的结果就是

TI 出产了这种产品

那么这种产品我们叫做 D-CAPⅡ

也就是 D-CAP 加上内部的 RC 的谐波网络

那么组成了一个新的控制的芯片

那么叫 D-CAPⅡ

D-CAPⅡ 所带来一个最终的结果

就是把我的外部的 RC 的纹波注入电路

完全的省略掉

所以会变得更加的简单

那下面开始说

环路稳定性怎么测量

因为对于有些用户来说的话

环路稳定性必须要透过仪器测量

才能够判断它的这个设定是不是符合要求的

才能够判断它的这个设定是不是符合要求的

那对于 D-CAP 这种环路测试的方法和传统的这种

比如刚才说的运放加比较器的方式来测是不一样的

那么我们可以看到传统的测试方法

就是在我的输出上面串一个 20Ω 的电阻

通过在这个电阻上面注入一个交流的正弦波的干扰

从而透过它内部回复的反馈环路再反馈回来

然后也就是 A 和 B 反馈回来之后

然后形成了刚才所看到的波特图

在这种方式的话是没有问题的

可是对于 D-CAP 这种控制机理的芯片来说的话是不行的

因为 D-CAP 这种控制机理的这种芯片

它内部是没有一个高增益的误差放大器单元的

它内部是没有一个高增益的误差放大器单元的

它内部只有一个比较器单元

所以不能够用这种方式

来作为一个而环路测试的这么一种方法

那么需要怎么做呢？

首先我还是需要一个 20Ω 的信号

注入的这么个电阻等效电阻

但是一定要注意

在这个电阻的位置可以看到

它和纹波注入电路是要发生关联的

一定是要发生关联

可以看到它的输出端和 20Ω 上面

实际上是并联了一颗电容

那么在这个 RC 纹波注入的电容的这一侧

又直接与我的分压电阻的上电阻的输入端直接连接

这个时候可以把两个信号可以耦合到我的输出

耦合到我的返回端上

一个是透过我的 20Ω 并联的这个电容

以及我的 RC 纹波注入的这个电容

然后隔直电容注入到我的返回端

那这一块实际上注入的是一个直流量

注意，这是一个直流量

而这边的三个电容实际上注入的是一个交流的分量

那么这种所带来一个好处就是

能够使得我的稳定性的测量变得非常的精确

下面我说第三部分

第三部分是详细解释纹波注入电路

和采用 D-CAP 这种模式的环路测试的方法

我刚才说了我的输出 D-CAP 所采用的一个控制机理

就是利用输出电容的 ESR 值

上面所产生的纹波电压作为一个反馈量

那这样的话可能会带来一个问题

就是如果用户使用或设计人员使用的

都是纯陶瓷的电容作为输出电容的话

就会出现问题

当输出电容的 ESR 值很低的时候

那么这时候加载在输出电容的 ESR 值

上面的纹波电压会非常的低

以至于低到了不能够去

作为我的一个信号反馈的时候

就会出现稳定性的问题

所以 TI 就想了一个非常聪明的一个办法

就是我能不能在电感里面的充电和放电的电流

利用这个充电和放电电流所产生的这种电压

来作为一个反馈电压呢？

那么实际上这种做法是非常可行的

那么我们怎么做的这件事情了呢？

首先我们知道电感

它也有一个充电和放电的时间常数

就是 L/DCR

那如果我能够把电感的充电

和放电的时间常数

和我外面加的 RC 的时间常数

能够做一个相等处理

那是不是我就能够

把电感里面的纹波电流提取出来

而把它作为一个纹波电压

直接反馈到或叠加在输出的分压电阻的返回端上了呢

实际上是可以的

那实际上我们是这么做的

首先在电感的输入端和电感的输出端加一个 RC

那在 RC 的中间节点里面提取我的一个纹波电压

注意这个纹波电压

实际上是已经叠加了一个直流分量

而我们不需要直流分量

而只要它的交流成分

所以加了一个隔直电容 Cb

一个 1nF 的一个隔直电容 Cb

透过这个 Cb 的这个隔直电容

我们把我的交流成分提取出来

叠加在我的返回端上

从而实现了纹波注入的这种电路

纹波注入的这种电路

主要是用来输出电容是纯陶瓷电容的这种应用场合

那么需要一个纹波注入电路

如果我的输出电容是采用的 ESR 值比较高的电解电容

那么这一块的 RC 的纹波注入电路是可以省略的

但是输出电容如果采用的

是 ESR 值比较高的这种电解电容所带来一个问题

就是我的输出的纹波变得很大

这在很多应用里面可能是不能接受的

所以现在大部分的这种比较可行的方法

就是还是采用纯陶瓷的这种电容

那么可以得到纹波非常小的这种电压

如果采用输出电容全是纯陶瓷的这种电容的话

我就必须要在电感的两侧并联

一个 RC 电路作为纹波注入电路

从而保证我的 DC-DC 的工作稳定

我们现在在这一章里面

这一页里面主要是讨论的

就是环路稳定的这个模型

也就是说，对于任何的 DC-DC 来说

即使采用 D-CAP 来说的这种机理的 DC-DC

那么虽然我们不需要我的这个外边的补偿网络的参与

也能够保障系统是稳定的

但实际上我仍然还是遵循着这个小信号的稳定模型

来作为一个理论依据

来实现我整个稳定的

我们可以看到它

对于任何这个波特图

或者叫做相位裕量或增益裕量图来说的话

实际上都是有两条曲线来去作为判据的

一条叫增益曲线

另外一条的叫做相位曲线

那这曲线是怎么来的呢？

对任何的 DC-DC 电源来说的话

由于它的输出是采用 LC 的这种方式作为滤波器的

我们知道 LC 的滤波器实际上都是非稳定系统

因为它有两个极点

而且是同频率的一个双极点

这个就使得它的相位裕量为零

所以与生俱来它是非稳定的

因此我们必须要通过某种方式

来抵消我的功率级上面的一个额外的极点

来保证我的稳定

所以我们可以通过这个 RC 纹波注入电路

使得我在返回端上额外的叠加一个纹波电压

从而能够有效地

去抵消我的 LC 极点中的其中的一个极点

而满足我的稳定性的要求

所以通过我的功率级的相位曲线

和我的控制级的相位曲线作为一个叠加

从而得到了右上角的这个波特图的曲线

也就是我的增益曲线一定是以 20dB 的斜率

或者 -1 斜率来穿越我的 0dB 点

也就是我的这个增益为 1 的时候的这个点

可以看到

如果没有我的纹波注入的 ESR 的这个纹波电压

那么必然会出现一个双极点的一个现象

那么这个是以 -2 斜率 -40dB 的曲线

这条曲线明显的是一个非稳定的一条曲线

所以我在这边加入了一个零点进去之后

就会抵消它一个极点

从而使得 -40dB 变成了 -20dB

也就说以 -1 的斜率而穿过的 0dB 点

形成一个稳定的判据

用户肯定会或者设计人肯定会提出另外一个问题

就是你们有没有说能够把纹波注入电路

能够取消的这种芯片呢？

因为毕竟做 RC 纹波注入电路

虽然我已经极大的简化了我的环路补偿的这一部分设计

但依然是需要额外的电容和电阻

来满足我的这个稳定性需求

还是有点儿麻烦

那么非常好的结果就是

TI 出产了这种产品

那么这种产品我们叫做 D-CAPⅡ

也就是 D-CAP 加上内部的 RC 的谐波网络

那么组成了一个新的控制的芯片

那么叫 D-CAPⅡ

D-CAPⅡ 所带来一个最终的结果

就是把我的外部的 RC 的纹波注入电路

完全的省略掉

所以会变得更加的简单

那下面开始说

环路稳定性怎么测量

因为对于有些用户来说的话

环路稳定性必须要透过仪器测量

才能够判断它的这个设定是不是符合要求的

才能够判断它的这个设定是不是符合要求的

那对于 D-CAP 这种环路测试的方法和传统的这种

比如刚才说的运放加比较器的方式来测是不一样的

那么我们可以看到传统的测试方法

就是在我的输出上面串一个 20Ω 的电阻

通过在这个电阻上面注入一个交流的正弦波的干扰

从而透过它内部回复的反馈环路再反馈回来

然后也就是 A 和 B 反馈回来之后

然后形成了刚才所看到的波特图

在这种方式的话是没有问题的

可是对于 D-CAP 这种控制机理的芯片来说的话是不行的

因为 D-CAP 这种控制机理的这种芯片

它内部是没有一个高增益的误差放大器单元的

它内部是没有一个高增益的误差放大器单元的

它内部只有一个比较器单元

所以不能够用这种方式

来作为一个而环路测试的这么一种方法

那么需要怎么做呢？

首先我还是需要一个 20Ω 的信号

注入的这么个电阻等效电阻

但是一定要注意

在这个电阻的位置可以看到

它和纹波注入电路是要发生关联的

一定是要发生关联

可以看到它的输出端和 20Ω 上面

实际上是并联了一颗电容

那么在这个 RC 纹波注入的电容的这一侧

又直接与我的分压电阻的上电阻的输入端直接连接

这个时候可以把两个信号可以耦合到我的输出

耦合到我的返回端上

一个是透过我的 20Ω 并联的这个电容

以及我的 RC 纹波注入的这个电容

然后隔直电容注入到我的返回端

那这一块实际上注入的是一个直流量

注意，这是一个直流量

而这边的三个电容实际上注入的是一个交流的分量

那么这种所带来一个好处就是

能够使得我的稳定性的测量变得非常的精确