DCAP/DCAP2 Mode环路分析

好

接下去我们讲一下

DCAP和DCAP2模式的环路分析

首先 我们介绍一下 D-CAP 模式

这个名字是怎么来的

首先

我们最早的时候是想

让我整个控制环路更快更好的

去响应我的负载变动

那这样的话

我们就希望是直接去

采样我输出电容上面的一些信息

直接把电容上面的一些信息给采样回来

因为这个电容上面

包括了电感的 ripple 电流的信息

而这个电感电流通过

我的 ESR 可以产生纹波

所以我们平时最早的时候

一般选用输出电容是

聚脂电容或者说电解电容

它的 ESR 会比较大

这样我电容上的纹波信息会比较多

那我采样了这个 ripple 信息以后

我就可以把这个信息

回传到我内部的一个比较器

跟我的参考电压去做比较

然后通过比较器输出

去进行控制

所以我们平时就叫做

Directly from the output CAPacitors

就是我们等于是直接把

我输出电容上面的信息采集回来

来进行控制

这样来控制我的输出电压

所以我们称之为 D-CAP 模式

这个模式它其实主要还是

基于我里面的一个迟滞比较器

由于它是直接把我

输出电压的信号

ripple 信号采集回来

所以它里面其实不需要一个误差放大器

直接把这个信号采集进来

跟我的参考信号去做比较

这样我可以把

因为我里面是一个比较器

所以说整个环路的带宽是非常宽的

响应也是比较高的

这是我们5128系列实测的一个波形

我们的输出电流是从

1安培一直跳变到15安培

然后以3安培每微秒的

一个非常快的一个斜率进行上升

然后这是

我们可以看一下

它对应输出电压的一个跳变幅度

那这一格是50毫伏

我们可以看一下

当它在跳变的时候

我输出电压几乎就是跳变很少

基本上连10-20毫伏都没有

所以说这个电流响应的速度

是非常非常快的

基本上用电流模式去做的话是比较难的

那电压模式就是更难做了

所以为什么在很多一些

通讯的一些产品上面

它后面如果带的是

一些天线的一些调制解调器

或者说一些 Wi-Fi 芯片

Bluetooth 芯片

它的瞬时穿透能力是非常强的

那这样的话它其实就是一个

需要非常快的一个动态响应的一个 DCDC

那其实 D-CAP 模式

就是可以很好的去满足这个需求

而且它设计非常简单

然后补偿网络也非常简单

所以它整个环路控制也是相当简单

所以这是 D-CAP 模式

应该说是最大的一个优点了

但是它也有一些缺陷

就是说因为我们前面说说它是要

采集你的纹波信号

所以说你需要一个比较大的

ESR 的一个输出电容

比如说电解电容

所以有时候在一些板子面积不够大的情况下

就没有办法使用

还有就是说因为它对输出的纹波要求

也是非常高的

所以说它只有在纹波高的情况下

控制才会比较精确

所以说对于有一些后端的系统设计

纹波要求比较高的一些系统来说的话

其实还是有一些它的一些不足之处的

所以说我们怎么去解决刚才那两点不足呢

所以我们就推出了 D-CAP2 模式

那D-CAP2 模式就是现在很多客户

也在使用的这样的一个方式

我们可以看一下 D-CAP2 和 D-CAP

有什么区别

基本上它的区别很小很小

我们可以看一下

它也是采样我的输出电容的纹波

然后进我的比较器进行比较

但是唯一的不同是

就是说它在输入之前

它又叠加了一个人为的

一个 ripple 的一个产生信号

来进我的比较器进行比较

所以说 D-CAP2

它其实就是内部我去模拟的

一个电感电流上面的 ripple 信号

所产生这样的一个 ripple 信号

所以说 D-CAP2 其实我就是

人为去产生一个纹波信号

来去模拟我电感电流上的一个纹波信号

来达到和我 D-CAP 同样的

一个快速和精确的一个响应速度和一个控制

所以在这个情况下

对于我们输出电容的 ESR 要求

就不是很高了

所以说在这种控制模式下

我可以输出去加一些陶瓷电容

并且这样的话

我的输出电压的纹波也可以非常非常小

所以它基本上就是完全

把 D-CAP 的缺点给改正了

所以说如果我们没有纹波注入的功能的话

如果我们去选一个

ESR 非常小的一个电容的话

那这样的话

等于是我输出的电压的纹波会非常非常的小

那纹波非常非常小的话

那因为我们知道比较器它里面都是

有一个滞回窗口的

那如果当我的纹波比较小的话

这样会造成我比较器输出的信号

其实也是非常不稳定的

那这样的话会导致

我的输出的 SW 这个信号也一直在抖动

这是我加了纹波注入和不加纹波注入的

两个 SW 波形

我们可以看到

它其实都是用了陶瓷电容做输出电容的

因为我们知道陶瓷电容它的 ESR 特别小

所以说它会使我的输出电压的纹波也特别小

那在我输出电压纹波特别小的情况下

当我不去加了纹波注入的时候

我们可以发现

因为我纹波特别小

因为我纹波特别小

而我的比较器它其实是有一个滞回窗口的

当我的纹波一直在窗口里面的话

会导致我比较器输出其实是不稳定的

也是一个不正确的输出

它经常会导致我的 Q1 管

过早的打开或过晚的关断

所以它会在输出的 SW pin 脚上面

会形成这样一个抖动的一个波形

当我叠加了纹波注入以后

这样使我进入比较器的纹波信号会变大

变大以后它可以这样可以

更加精确的去使我比较器做一个控制的输出

D-CAP2 除了纹波注入功能以外

它还有抖动优化的功能

因为我们知道当我的 FB pin 脚

这边如果有一些干扰或一些扰动的话

它会使我的输出的 SW pin 脚不稳定

在这里我们又叠加了一个谐波补偿

它其实

我们可以看一下

如果当我这边如果有一个 noise 进来的话

会导致我 FB pin 脚的一个下降沿

会形成上下的震动

如果我添加了一个谐波补偿的话

这样我就可以把我参考电压的信号

给改变成是这样的一个补偿的信号

那我们可以看一下

如果当我不加这个谐波补偿的时候

我的抖动是有这么大一个范围

当我添加了谐波补偿以后的话

我可以把抖动减小到这么小的一个范围

所以抖动的优化功能它其实就是优化了

当我电压的反馈的信号有一些干扰的话

我可以使我的输出的 SW pin 脚

所以抖动优化的功能它其实就是

当我采集过来的

电压纹波信号有受到干扰

或者是说有一些 noise 进来的话

这样可以保证

我的输出的 SW pin 脚信号

更加稳定

所以我们可以看一下

TPS54327 D-CAP2 模式的一个 DCDC

当我从轻载跳重载的时侯

我的输出电压的跳变非常非常小

只有17个毫伏

那当我从重载跳轻载的时候

它的电压响应相对来说会差一点

那是因为 D-CAP2 里面它其实用的是

固定 On-time 时间

所以说如果当我发现

我的输出电压高的情况下

我就不启动我的 Ton

我直接让它的输出电压缓慢地掉下来

这是一个 TPS54327 的 D-CAP2 的

一个 DCDC 的一个电压输出的响应波形

我们可以看一下

从轻载跳重载的时候

从0到3安培的情况下

我的输出电压其实只往下跳变了一个17毫伏

这是一个非常非常快的一个动态响应

当我从重载跳轻载的情况下

我的响应会相对说会差一点

主要是因为这颗芯片

它是一个轻载高效的一个芯片

所以说

当我从重载跳到轻载的时侯

其实我只会去把我的 Q1 管给关断

我不会去把我的(下管)给打开

所以它会让输出电压去缓慢地下降

那如果是选用了非轻载高效

也就是强制 CCM 的模式的话

当我从重载跳轻载的时候

我会强制

在轻载情况下

我会强制把我的开关管给打开

所以说在那种芯片情况下

从重载到轻载的响应速度会更快

接下去我们看下

D-CAP2 的一个内部的一个控制框图

我们先看从 Duty cycle 这边

到我的输出电压

它其实跟电压模式是一样的

它是一个 LC 的一个二阶网络

HFB 是反馈电压网络

它其实就是一个电阻的分压的一个比例系数

在这里添加个电容

它其实就是一个前馈电容

它其实主要就是为了增加

整个系统的一个 phase margin

这样的整个一个补偿网络

它就是一个一阶的一个前馈网络

然后它产生一个 Feedback 信号

这个 Feedback 信号和内部的一个参考电压进行比较

比较以后会产生一个 Duty cycle

去给到前边的 S1 和 S2 管的一个控制

这里的 Hcomp

其实它这里就是一个一阶的前馈网络

所以它整的一个控制流程

就是说

我输出电压经过我的反馈网络

产生我的 FB 信号和我内部的

一个比较器进行比较

产生个 Duty cycle

再重新回到前面驱动器

去控制我的输出电压

这是 D-CAP2 的一个内部的一个流程图

其实我们可以通过这个状态方程

可以看到它的 GDV

也就是说从我的控制端到我的电压输出端

它其实就是一个 LC 的一个二阶网络

之所以这个二阶网络存在的话

所以说我们一定要在它前边去做

还有一个就是这边有一个 Ton delay

但是一般因为 D-CAP 和 D-CAP2

它的输入电压和我的输出电压

其实差别还是挺悬殊的

所以说在这边 Ton 的时间还是比较短的

所以说

对于整个 Ton delay 来说

其实我们可以去忽略不计

因为刚才讲过输出占空比和我 FB 信号

它的传递函数其实是一个阶前馈

那我们把它写出来这个前馈函数

其实就是直流增益去加上我的时常数

我们不同的设备

它的直流常数和时常数是不一样的

我们就举一下我们 562200 和 563200 的话

它的时常数大概是 13.1 微秒

而它的直流增益是 32.5

而这个时常数它对应的前馈零点

大概是位于 12.1k 赫兹左右

如果 HCOMP 能定下来以后

其它的传递函数就比较简单了

反馈的比例系数就是

我的 Vref 去除以 Vout

而占空比到输出

它其实就是一个二阶的网络

那二阶网络对的阻尼系数

和它的转折频率就是如下的表达式

然后我们把这几个传递函数整在一起

我们可以求出我们开环的直流增益就是如下

和对应的穿越频率我们也可以求出来

这个表达式可以对我们平时选择

这个 LC 有帮助

就比如拿我们现在目前用的

这两颗料来说

我的时常数和我的直流增益

这两个常数是定死的

也就是说这个前馈零点是已经定死的

然后这个 Vref 除以 Vout

这个一般是根据客户的输出电压来决定

我的分阻电压网络的

如果说当我的 Vout 越高的话

也就是说我整个我的穿越频率是比较低的

如果我的穿越频率比较小的情况下

对于我一些 DCDC

对于一些瞬态响应就不太好

所以在这种情况下

我们可以把我们的 LC 选的比较小一点

来去补偿我 Vout 比较高的情况

当然一样的

如果当我的 Vout 比较小情况下

我就需要把我的 LC 这个乘积放大

这样防止我的穿越频率过大

始终是保持在同一个穿越频率

这是 D-CAP2 绘制出来的

一个波特图

蓝色的是相位

红色的是增益曲线

其实我们可以看到

如果当我没有前馈补偿的时候

它是一个二阶函数

它是会以-2的斜率往下下降

所以说这个时候我们就必须要

增加一个前馈的一个补偿网络

使我的相位提升上去

使我最终在穿越频率的时候

我是保证 -1 斜率的增益

这样才能使整个系统稳定

这是54325它实测的一个波特图

我们可以看到

在二阶网络的转折频率点的时候

它的相位裕度掉的非常快

它是形成一个 -2dB 的斜率往下去下降

在下到此时的时候

它由于一阶补偿网络的作用

它把相位提升上去

同时它的斜率也变成 -1

使最终在穿越 0dB 的时候

它的相位裕度保持在30-60 度之间

因为前面我们讲过

D-CAP2 内部有一个一阶的前馈零点

D-CAP2 内部有一个一阶的前馈零点

所以当我们在选择

外部 LC 的二阶极点的时候

我们尽量把这个极点和内部的这个一阶零点

尽量保持在相同位置

使我们内部的这个一阶零点

可以去很好的去补偿外部的一个二阶零点

二阶极点

当然我们也可以

根据我们实测出来的这个穿越频率的点

可以去选择这个 LC 的一个乘积

可以把我们这个拐角往小挪

或者说往大的地方去挪

然后去调整它的穿越频率点

这个图是说明

当我的 LC 这个拐点频率

如果显得过低的话

它会导致我的穿越频率会过低

穿越频率过低的话它会使我

整个系统的一个瞬态响应会变差

同时由于我的穿越频率过低

它会使得我内部的一阶零点

并没有完全的发挥作用

而使得我最终的一个相位裕度会变差

如果我们把穿越频率选的过高的话

其实这样也不好

这个穿越频率我们最好是选择在

我们开关频率的二分之一或者三分之一以内

这个是我们一个实测的一个波特图

当我的电感输出在3.3微亨

输出电容是两个22微法并联的一个系统中

我们可以看到它的波特图

在穿越频率时候的

它的相位裕度其实是在28度左右

这样的相位裕度其实是不太够的

所以我们是需要经过前馈补偿方式去进行补偿

这是我们平时常用的一个前馈补偿的一个方式

它其实就是在

在我输出的反馈电阻这边去并一个电容

那这样的话它会

形成一个相互联系的一个零点和一个极点

这上面是它的一个计算公式

其实我们可以看一下

当我零点确定好以后

我的极点也可以去确定

那这个极点其实跟我的

Vout 和 Vref 是有关系的

所以如果当我的

Vout 比较低的一个情况下

也就是说我这个极点去过度的

去靠近这个零点

那其实对我整个的

一个相位裕度的一个提高

其实是没有什么太大影响的

而当我的输出电压比较大的一个情况下

那这样的话我的极点可以远离我的零点

那这样的话对我整个相位的一个提高

效果会比较明显

所以说有时候在

我们输出电压比较低的一个情况下

比如说输入在1伏的一个情况下

其实我用前馈方式补偿

其实效果并不是很明显

这是我们加了前馈补偿以后

它的一个输出的一个波特图

其实我们可以明显的发现

在穿越频率时候的相位裕度

其实得到了明显的一个提升

得到了48度

那如果是在输出电压比较低的一个情况下

通过前馈补偿方式不明显的话

其实我们可以适当的去

提高一下输出电容的 ESR

比如说

我们可以去选一些比如说聚脂电容

它的 ESR 相对说会稍微相对大一点

这样的话其实输出的 ESR

和输出电容的容值

它其实也可以去形成一个零点

对我的相位裕度也可以有些补偿

这个就是在我们输出电压比较低的情况下

通过前馈补偿效果不明显

这时候我们就可以选一些

比较稍微大一点的 ESR 的一个聚脂电容

那其实我们可以看

这个我们可以去理论上

去计算出这个 ESR 的一个理论值

Fco 其实就是我们前面一个拐点的

一个二阶的一个转折频率点

那我们可以通过这个方式可以计算出

我们所需要的一个输出电容的

一个 ESR 值

那这样的话

我们可以把这个零点

去补偿在那个二阶极点那边

这是我们用了 34 毫欧的聚脂电容的

一个输出电容测出来的一个波特图

其实我们可以看到

就是说我们稍微把 ESR 稍微提高一下以后

其实可以看到它的相位裕度

又得到了一些提升

可以在66度范围内

这是我们电流模式和 D-CAP2 模式的

一个总结

一个优缺点的总结

其实电流模式和 D-CAP 模式

其实也不能说是谁好谁坏

只是说在不同的应用场景中有各自的作用

比如说电流模式它的优点就在于

它的控制的频率精度

一般是可以做的比较高

而且它的频率可以做成同步的

如果是需要开关频率精确度比较高

而且又是可以同步的话

建议去选择电流模式

而且电流模式它的输出的电压范围

一般可以比较宽

它一般可以做到

我 Vout 是我 Vin 的

最高可以到70%左右

而且相比于电压模式它的补偿网络会更简单

而且动态响应也很好

缺点就是我们前面提到过就是说

电流模式它的补偿网络会

相对来说会要复杂一点

而且对于补偿网络的一些基本知识

要有所掌握

才能去设计一个比较好的一个补偿网络

另外一个就是说它的动态响应是比

D-CAP 和 D-CAP2 要慢的

因为它里面是一个误差放大器

而我整个响应的速度

就是受限于我这误差放大器的一个带宽

D-CAP2 的优点其实就是

电流模式的缺点

它其实动态响应可以做的非常非常的快

因为它内部是通过比较器翻转的方式去做的

而且它的补偿网络也非常简单

前面也都提到过了

就是没有什么特殊情况

一般是不太需要补偿网络的

它的缺点就在于

对我的输出电压的范围是受限制的

因为它主要受制于

里面的一个 On-time 的时间

因为当我的输出电压越高的话

其实我会导致里面的 On-time 过长

它会导致里面的时常数过大

所以导致我整个 On-time 的延时过长

而且有些设备

它内部产生 ripple 的共模电压

它比较内部的共模电压的

一个输入范围也受到限制

当然它的频率精度也是要比电流模式低的

而且不能是同步

然后纹波仅仅是针对 D-CAP 来说的话

D-CAP 的电压纹波会比较大

那现在 D-CAP2 它内部叠加了纹波注入

所以说

这个缺点其实也没有了

所以具体选择 D-CAP

D-CAP2 或者说是电流模式

还是要根据实际的应用去做选择

还是要根据实际的应用去做选择

好

接下去我们讲一下

DCAP和DCAP2模式的环路分析

首先 我们介绍一下 D-CAP 模式

这个名字是怎么来的

首先

我们最早的时候是想

让我整个控制环路更快更好的

去响应我的负载变动

那这样的话

我们就希望是直接去

采样我输出电容上面的一些信息

直接把电容上面的一些信息给采样回来

因为这个电容上面

包括了电感的 ripple 电流的信息

而这个电感电流通过

我的 ESR 可以产生纹波

所以我们平时最早的时候

一般选用输出电容是

聚脂电容或者说电解电容

它的 ESR 会比较大

这样我电容上的纹波信息会比较多

那我采样了这个 ripple 信息以后

我就可以把这个信息

回传到我内部的一个比较器

跟我的参考电压去做比较

然后通过比较器输出

去进行控制

所以我们平时就叫做

Directly from the output CAPacitors

就是我们等于是直接把

我输出电容上面的信息采集回来

来进行控制

这样来控制我的输出电压

所以我们称之为 D-CAP 模式

这个模式它其实主要还是

基于我里面的一个迟滞比较器

由于它是直接把我

输出电压的信号

ripple 信号采集回来

所以它里面其实不需要一个误差放大器

直接把这个信号采集进来

跟我的参考信号去做比较

这样我可以把

因为我里面是一个比较器

所以说整个环路的带宽是非常宽的

响应也是比较高的

这是我们5128系列实测的一个波形

我们的输出电流是从

1安培一直跳变到15安培

然后以3安培每微秒的

一个非常快的一个斜率进行上升

然后这是

我们可以看一下

它对应输出电压的一个跳变幅度

那这一格是50毫伏

我们可以看一下

当它在跳变的时候

我输出电压几乎就是跳变很少

基本上连10-20毫伏都没有

所以说这个电流响应的速度

是非常非常快的

基本上用电流模式去做的话是比较难的

那电压模式就是更难做了

所以为什么在很多一些

通讯的一些产品上面

它后面如果带的是

一些天线的一些调制解调器

或者说一些 Wi-Fi 芯片

Bluetooth 芯片

它的瞬时穿透能力是非常强的

那这样的话它其实就是一个

需要非常快的一个动态响应的一个 DCDC

那其实 D-CAP 模式

就是可以很好的去满足这个需求

而且它设计非常简单

然后补偿网络也非常简单

所以它整个环路控制也是相当简单

所以这是 D-CAP 模式

应该说是最大的一个优点了

但是它也有一些缺陷

就是说因为我们前面说说它是要

采集你的纹波信号

所以说你需要一个比较大的

ESR 的一个输出电容

比如说电解电容

所以有时候在一些板子面积不够大的情况下

就没有办法使用

还有就是说因为它对输出的纹波要求

也是非常高的

所以说它只有在纹波高的情况下

控制才会比较精确

所以说对于有一些后端的系统设计

纹波要求比较高的一些系统来说的话

其实还是有一些它的一些不足之处的

所以说我们怎么去解决刚才那两点不足呢

所以我们就推出了 D-CAP2 模式

那D-CAP2 模式就是现在很多客户

也在使用的这样的一个方式

我们可以看一下 D-CAP2 和 D-CAP

有什么区别

基本上它的区别很小很小

我们可以看一下

它也是采样我的输出电容的纹波

然后进我的比较器进行比较

但是唯一的不同是

就是说它在输入之前

它又叠加了一个人为的

一个 ripple 的一个产生信号

来进我的比较器进行比较

所以说 D-CAP2

它其实就是内部我去模拟的

一个电感电流上面的 ripple 信号

所产生这样的一个 ripple 信号

所以说 D-CAP2 其实我就是

人为去产生一个纹波信号

来去模拟我电感电流上的一个纹波信号

来达到和我 D-CAP 同样的

一个快速和精确的一个响应速度和一个控制

所以在这个情况下

对于我们输出电容的 ESR 要求

就不是很高了

所以说在这种控制模式下

我可以输出去加一些陶瓷电容

并且这样的话

我的输出电压的纹波也可以非常非常小

所以它基本上就是完全

把 D-CAP 的缺点给改正了

所以说如果我们没有纹波注入的功能的话

如果我们去选一个

ESR 非常小的一个电容的话

那这样的话

等于是我输出的电压的纹波会非常非常的小

那纹波非常非常小的话

那因为我们知道比较器它里面都是

有一个滞回窗口的

那如果当我的纹波比较小的话

这样会造成我比较器输出的信号

其实也是非常不稳定的

那这样的话会导致

我的输出的 SW 这个信号也一直在抖动

这是我加了纹波注入和不加纹波注入的

两个 SW 波形

我们可以看到

它其实都是用了陶瓷电容做输出电容的

因为我们知道陶瓷电容它的 ESR 特别小

所以说它会使我的输出电压的纹波也特别小

那在我输出电压纹波特别小的情况下

当我不去加了纹波注入的时候

我们可以发现

因为我纹波特别小

因为我纹波特别小

而我的比较器它其实是有一个滞回窗口的

当我的纹波一直在窗口里面的话

会导致我比较器输出其实是不稳定的

也是一个不正确的输出

它经常会导致我的 Q1 管

过早的打开或过晚的关断

所以它会在输出的 SW pin 脚上面

会形成这样一个抖动的一个波形

当我叠加了纹波注入以后

这样使我进入比较器的纹波信号会变大

变大以后它可以这样可以

更加精确的去使我比较器做一个控制的输出

D-CAP2 除了纹波注入功能以外

它还有抖动优化的功能

因为我们知道当我的 FB pin 脚

这边如果有一些干扰或一些扰动的话

它会使我的输出的 SW pin 脚不稳定

在这里我们又叠加了一个谐波补偿

它其实

我们可以看一下

如果当我这边如果有一个 noise 进来的话

会导致我 FB pin 脚的一个下降沿

会形成上下的震动

如果我添加了一个谐波补偿的话

这样我就可以把我参考电压的信号

给改变成是这样的一个补偿的信号

那我们可以看一下

如果当我不加这个谐波补偿的时候

我的抖动是有这么大一个范围

当我添加了谐波补偿以后的话

我可以把抖动减小到这么小的一个范围

所以抖动的优化功能它其实就是优化了

当我电压的反馈的信号有一些干扰的话

我可以使我的输出的 SW pin 脚

所以抖动优化的功能它其实就是

当我采集过来的

电压纹波信号有受到干扰

或者是说有一些 noise 进来的话

这样可以保证

我的输出的 SW pin 脚信号

更加稳定

所以我们可以看一下

TPS54327 D-CAP2 模式的一个 DCDC

当我从轻载跳重载的时侯

我的输出电压的跳变非常非常小

只有17个毫伏

那当我从重载跳轻载的时候

它的电压响应相对来说会差一点

那是因为 D-CAP2 里面它其实用的是

固定 On-time 时间

所以说如果当我发现

我的输出电压高的情况下

我就不启动我的 Ton

我直接让它的输出电压缓慢地掉下来

这是一个 TPS54327 的 D-CAP2 的

一个 DCDC 的一个电压输出的响应波形

我们可以看一下

从轻载跳重载的时候

从0到3安培的情况下

我的输出电压其实只往下跳变了一个17毫伏

这是一个非常非常快的一个动态响应

当我从重载跳轻载的情况下

我的响应会相对说会差一点

主要是因为这颗芯片

它是一个轻载高效的一个芯片

所以说

当我从重载跳到轻载的时侯

其实我只会去把我的 Q1 管给关断

我不会去把我的(下管)给打开

所以它会让输出电压去缓慢地下降

那如果是选用了非轻载高效

也就是强制 CCM 的模式的话

当我从重载跳轻载的时候

我会强制

在轻载情况下

我会强制把我的开关管给打开

所以说在那种芯片情况下

从重载到轻载的响应速度会更快

接下去我们看下

D-CAP2 的一个内部的一个控制框图

我们先看从 Duty cycle 这边

到我的输出电压

它其实跟电压模式是一样的

它是一个 LC 的一个二阶网络

HFB 是反馈电压网络

它其实就是一个电阻的分压的一个比例系数

在这里添加个电容

它其实就是一个前馈电容

它其实主要就是为了增加

整个系统的一个 phase margin

这样的整个一个补偿网络

它就是一个一阶的一个前馈网络

然后它产生一个 Feedback 信号

这个 Feedback 信号和内部的一个参考电压进行比较

比较以后会产生一个 Duty cycle

去给到前边的 S1 和 S2 管的一个控制

这里的 Hcomp

其实它这里就是一个一阶的前馈网络

所以它整的一个控制流程

就是说

我输出电压经过我的反馈网络

产生我的 FB 信号和我内部的

一个比较器进行比较

产生个 Duty cycle

再重新回到前面驱动器

去控制我的输出电压

这是 D-CAP2 的一个内部的一个流程图

其实我们可以通过这个状态方程

可以看到它的 GDV

也就是说从我的控制端到我的电压输出端

它其实就是一个 LC 的一个二阶网络

之所以这个二阶网络存在的话

所以说我们一定要在它前边去做

还有一个就是这边有一个 Ton delay

但是一般因为 D-CAP 和 D-CAP2

它的输入电压和我的输出电压

其实差别还是挺悬殊的

所以说在这边 Ton 的时间还是比较短的

所以说

对于整个 Ton delay 来说

其实我们可以去忽略不计

因为刚才讲过输出占空比和我 FB 信号

它的传递函数其实是一个阶前馈

那我们把它写出来这个前馈函数

其实就是直流增益去加上我的时常数

我们不同的设备

它的直流常数和时常数是不一样的

我们就举一下我们 562200 和 563200 的话

它的时常数大概是 13.1 微秒

而它的直流增益是 32.5

而这个时常数它对应的前馈零点

大概是位于 12.1k 赫兹左右

如果 HCOMP 能定下来以后

其它的传递函数就比较简单了

反馈的比例系数就是

我的 Vref 去除以 Vout

而占空比到输出

它其实就是一个二阶的网络

那二阶网络对的阻尼系数

和它的转折频率就是如下的表达式

然后我们把这几个传递函数整在一起

我们可以求出我们开环的直流增益就是如下

和对应的穿越频率我们也可以求出来

这个表达式可以对我们平时选择

这个 LC 有帮助

就比如拿我们现在目前用的

这两颗料来说

我的时常数和我的直流增益

这两个常数是定死的

也就是说这个前馈零点是已经定死的

然后这个 Vref 除以 Vout

这个一般是根据客户的输出电压来决定

我的分阻电压网络的

如果说当我的 Vout 越高的话

也就是说我整个我的穿越频率是比较低的

如果我的穿越频率比较小的情况下

对于我一些 DCDC

对于一些瞬态响应就不太好

所以在这种情况下

我们可以把我们的 LC 选的比较小一点

来去补偿我 Vout 比较高的情况

当然一样的

如果当我的 Vout 比较小情况下

我就需要把我的 LC 这个乘积放大

这样防止我的穿越频率过大

始终是保持在同一个穿越频率

这是 D-CAP2 绘制出来的

一个波特图

蓝色的是相位

红色的是增益曲线

其实我们可以看到

如果当我没有前馈补偿的时候

它是一个二阶函数

它是会以-2的斜率往下下降

所以说这个时候我们就必须要

增加一个前馈的一个补偿网络

使我的相位提升上去

使我最终在穿越频率的时候

我是保证 -1 斜率的增益

这样才能使整个系统稳定

这是54325它实测的一个波特图

我们可以看到

在二阶网络的转折频率点的时候

它的相位裕度掉的非常快

它是形成一个 -2dB 的斜率往下去下降

在下到此时的时候

它由于一阶补偿网络的作用

它把相位提升上去

同时它的斜率也变成 -1

使最终在穿越 0dB 的时候

它的相位裕度保持在30-60 度之间

因为前面我们讲过

D-CAP2 内部有一个一阶的前馈零点

D-CAP2 内部有一个一阶的前馈零点

所以当我们在选择

外部 LC 的二阶极点的时候

我们尽量把这个极点和内部的这个一阶零点

尽量保持在相同位置

使我们内部的这个一阶零点

可以去很好的去补偿外部的一个二阶零点

二阶极点

当然我们也可以

根据我们实测出来的这个穿越频率的点

可以去选择这个 LC 的一个乘积

可以把我们这个拐角往小挪

或者说往大的地方去挪

然后去调整它的穿越频率点

这个图是说明

当我的 LC 这个拐点频率

如果显得过低的话

它会导致我的穿越频率会过低

穿越频率过低的话它会使我

整个系统的一个瞬态响应会变差

同时由于我的穿越频率过低

它会使得我内部的一阶零点

并没有完全的发挥作用

而使得我最终的一个相位裕度会变差

如果我们把穿越频率选的过高的话

其实这样也不好

这个穿越频率我们最好是选择在

我们开关频率的二分之一或者三分之一以内

这个是我们一个实测的一个波特图

当我的电感输出在3.3微亨

输出电容是两个22微法并联的一个系统中

我们可以看到它的波特图

在穿越频率时候的

它的相位裕度其实是在28度左右

这样的相位裕度其实是不太够的

所以我们是需要经过前馈补偿方式去进行补偿

这是我们平时常用的一个前馈补偿的一个方式

它其实就是在

在我输出的反馈电阻这边去并一个电容

那这样的话它会

形成一个相互联系的一个零点和一个极点

这上面是它的一个计算公式

其实我们可以看一下

当我零点确定好以后

我的极点也可以去确定

那这个极点其实跟我的

Vout 和 Vref 是有关系的

所以如果当我的

Vout 比较低的一个情况下

也就是说我这个极点去过度的

去靠近这个零点

那其实对我整个的

一个相位裕度的一个提高

其实是没有什么太大影响的

而当我的输出电压比较大的一个情况下

那这样的话我的极点可以远离我的零点

那这样的话对我整个相位的一个提高

效果会比较明显

所以说有时候在

我们输出电压比较低的一个情况下

比如说输入在1伏的一个情况下

其实我用前馈方式补偿

其实效果并不是很明显

这是我们加了前馈补偿以后

它的一个输出的一个波特图

其实我们可以明显的发现

在穿越频率时候的相位裕度

其实得到了明显的一个提升

得到了48度

那如果是在输出电压比较低的一个情况下

通过前馈补偿方式不明显的话

其实我们可以适当的去

提高一下输出电容的 ESR

比如说

我们可以去选一些比如说聚脂电容

它的 ESR 相对说会稍微相对大一点

这样的话其实输出的 ESR

和输出电容的容值

它其实也可以去形成一个零点

对我的相位裕度也可以有些补偿

这个就是在我们输出电压比较低的情况下

通过前馈补偿效果不明显

这时候我们就可以选一些

比较稍微大一点的 ESR 的一个聚脂电容

那其实我们可以看

这个我们可以去理论上

去计算出这个 ESR 的一个理论值

Fco 其实就是我们前面一个拐点的

一个二阶的一个转折频率点

那我们可以通过这个方式可以计算出

我们所需要的一个输出电容的

一个 ESR 值

那这样的话

我们可以把这个零点

去补偿在那个二阶极点那边

这是我们用了 34 毫欧的聚脂电容的

一个输出电容测出来的一个波特图

其实我们可以看到

就是说我们稍微把 ESR 稍微提高一下以后

其实可以看到它的相位裕度

又得到了一些提升

可以在66度范围内

这是我们电流模式和 D-CAP2 模式的

一个总结

一个优缺点的总结

其实电流模式和 D-CAP 模式

其实也不能说是谁好谁坏

只是说在不同的应用场景中有各自的作用

比如说电流模式它的优点就在于

它的控制的频率精度

一般是可以做的比较高

而且它的频率可以做成同步的

如果是需要开关频率精确度比较高

而且又是可以同步的话

建议去选择电流模式

而且电流模式它的输出的电压范围

一般可以比较宽

它一般可以做到

我 Vout 是我 Vin 的

最高可以到70%左右

而且相比于电压模式它的补偿网络会更简单

而且动态响应也很好

缺点就是我们前面提到过就是说

电流模式它的补偿网络会

相对来说会要复杂一点

而且对于补偿网络的一些基本知识

要有所掌握

才能去设计一个比较好的一个补偿网络

另外一个就是说它的动态响应是比

D-CAP 和 D-CAP2 要慢的

因为它里面是一个误差放大器

而我整个响应的速度

就是受限于我这误差放大器的一个带宽

D-CAP2 的优点其实就是

电流模式的缺点

它其实动态响应可以做的非常非常的快

因为它内部是通过比较器翻转的方式去做的

而且它的补偿网络也非常简单

前面也都提到过了

就是没有什么特殊情况

一般是不太需要补偿网络的

它的缺点就在于

对我的输出电压的范围是受限制的

因为它主要受制于

里面的一个 On-time 的时间

因为当我的输出电压越高的话

其实我会导致里面的 On-time 过长

它会导致里面的时常数过大

所以导致我整个 On-time 的延时过长

而且有些设备

它内部产生 ripple 的共模电压

它比较内部的共模电压的

一个输入范围也受到限制

当然它的频率精度也是要比电流模式低的

而且不能是同步

然后纹波仅仅是针对 D-CAP 来说的话

D-CAP 的电压纹波会比较大

那现在 D-CAP2 它内部叠加了纹波注入

所以说

这个缺点其实也没有了

所以具体选择 D-CAP

D-CAP2 或者说是电流模式

还是要根据实际的应用去做选择

还是要根据实际的应用去做选择