1.6 开关模式电源转换器补偿简单易行 —补偿实例

大家好

我们今天继续来介绍开关电源补偿的相关知识

compensation examples 的这一部分

我们接下来会跟大家举一些实例

来看一下我们怎么用之前的知识来补偿

DCDC converter

那么我们首先来看一下 voltage mode

在这里是一个完整的 voltage mode converter 的回路

有 output filter 有 modulator

然后还有 amplifier

这里面我们直接采用了 type 3

在补偿它的时候

因为有很多的参数

很多因素我们要考虑，错综复杂

我们帮大家整理了一个顺序

一个 sequence

你按照这个顺序来补偿的话

就会比较有条理，不会乱

我们右边为大家准备了经常使用的公式

那左边的是我们向大家推荐的补偿的顺序

我们建议第一步

你先选择 RFBT

它主要是根据流过的电流和功率来进行计算

所以它的决定因素考虑比较少

我们先把它定下来

然后之后它会被作为一个基本的元素反复的计算

那么最重要的一件事情

接下来是什么呢

是决定带宽

我们一般情况下的话

取 switching 频率的 1/10

做为补偿之后的带宽

环路带宽

我们选择了带宽之后

接下来就要去计算 mid-band gain

怎么样用它来达到我们的带宽

mid-band gain 的公式在这边有

我们根据这个可以去进行计算

那么接下来之后的话

因为是 voltage mode

我们之前应该记得一个东西

就是它有 double pole 跟 LC 相关的

那么我们之前决定了 mid-band gain

其实我们假设一个东西

就是说我们把那些非理想的不想要的 pole 和 zero

把它 cancel 掉

只想要一个类似 integrator 一样的 20dB/decade drop 的 gain 和环路

也就意味着我们需要把 double pole cancel掉

我们这里把 ωZEA 和 ωFC 两个设定好

跟 ωo 也就是说我们 LC 的 double pole 频率一样

设定成一样把它 cancel 掉

这是低频的东西

接下来我们来设置一下高频的 ωFP

把它设定成跟 output 的这个 ESR 相关的 ωZ

这个零点设成一样的

让它们互相 cancel 掉

这样在高频我们也是很 clean

然后同时我们可以再设一下 ωHF

一个 high frequency 的 pole

一般情况下建议设定到开关电源的一半的频率

用来 attenuate 更多的 switching noise

那么接下来看一下我们这么做的结果

第一个是 power stage

没有补偿的正常的 power stage

我们看到有 ωo 是 40dB/decade drop

下面是我们用的工具 error amplifier type 3

这边是它的波特图

当我们按照建议的顺序和方法来设定参数之后

我们来看整个环路的 control loop 的带宽

control loop 的频率响应

我们看到红色的 gain 几乎是一条直线

像 integrator 一样 20dB/decade drop

然后 cut-off frequency

也就是说不是 cut-off, 是 0dB 在这里

我们已经再也看不到那些 double pole

和其它的 zero

所以我们的补偿是很有效果的

phase 也保持很好

这个 phase margin 90度

当然在实际情况当中不会这么理想

因为随着负载的变化以及各个参数随着温度的漂移

这些 pole 和 zero 并不能够完整的 cancel 掉

所以我们会看到一些 non-ideal

但是整体的这个趋势和方向是这样的

接下来我们看一下 current-mode 相关的

就叫 isolated current-mode flyback 这个补偿

我们这里面仍然是有 output filter

也有 output 输出级

然后有 modulator

这边有 optocoupler 来做 feedback 的一个 feedback 回路

区别的话呢这个有一个特点

就是说 slope compensation 这里

因为有 transformer

所以我们在折算它的时候要引入 transformer 的 turns ratio

类似的我们这边有补偿的 strategy

右边是常用的公式

左边是我们的建议

我们仍然是先把 RFBT 先计算出来

然后我们接下来找到 modulator transconductance

也就是这个 GM

有别于之前的 voltage mode

我们是先决定带宽

这里我们先决定右半平面零点

因为右半平面零点我们之前有提过

它的引入会让我们的 gain 增加 phase 变差

所以它才是真正的 limitation

我们要找到它

然后 worst case 的它

那这代表什么呢

就是在 minimum input voltage

和 maximum load current

在这种情况下右半平面零点在最低的频率

找到了这个频率之后

我们把我们的带宽设定在这个右半平面零点的1/4处

我们想尽量的远离它

然后一样的我们来设定 mid-band gain

mid-band gain 我们会看到它就是用来切带宽的

用 mid-band gain 我们把它设定好

来达到我们想要的带宽

这个相关的这些 component 参数

我们要把它调整到我们需要的

完事之后紧接着是我们 ωZEA

一般情况下是把它设定到 crossover frequency 的1/10

然后接下来我们还有 ωHF

一般把它设定在右半平面零点

虽然右半平面零点已经离我们很远了

但是我们仍然是希望把它 cancel 掉

因为它仍然会有一些 effect

我们接下来看一下补偿结果

首先 power stage

这里有 pole zero 一系列的 pole zero

这是我们用的 error amplifier

这是它特性

那么我们设定好

把它们合并在一起之后

这是我们得到的补偿结果

那么仍然是很 clean

这个 gain 很 clean

但大家可以注意到这个phase

跟之前不一样

之前会待在90度在 phase margin 这里有掉

那它这个 drop 是因为什么呢

因为右半平面零点虽然被我们排除在带宽以外

但是因为不是很远

它的效果还是进来了

phase 弄掉了

所以大家对右半平面零点要格外小心

OK 这就是今天我们要向大家介绍内容

有关于补偿的两个实例

一个是 voltage mode

一个是 current-mode flyback

谢谢大家听讲，下回我们继续

大家好

我们今天继续来介绍开关电源补偿的相关知识

compensation examples 的这一部分

我们接下来会跟大家举一些实例

来看一下我们怎么用之前的知识来补偿

DCDC converter

那么我们首先来看一下 voltage mode

在这里是一个完整的 voltage mode converter 的回路

有 output filter 有 modulator

然后还有 amplifier

这里面我们直接采用了 type 3

在补偿它的时候

因为有很多的参数

很多因素我们要考虑，错综复杂

我们帮大家整理了一个顺序

一个 sequence

你按照这个顺序来补偿的话

就会比较有条理，不会乱

我们右边为大家准备了经常使用的公式

那左边的是我们向大家推荐的补偿的顺序

我们建议第一步

你先选择 RFBT

它主要是根据流过的电流和功率来进行计算

所以它的决定因素考虑比较少

我们先把它定下来

然后之后它会被作为一个基本的元素反复的计算

那么最重要的一件事情

接下来是什么呢

是决定带宽

我们一般情况下的话

取 switching 频率的 1/10

做为补偿之后的带宽

环路带宽

我们选择了带宽之后

接下来就要去计算 mid-band gain

怎么样用它来达到我们的带宽

mid-band gain 的公式在这边有

我们根据这个可以去进行计算

那么接下来之后的话

因为是 voltage mode

我们之前应该记得一个东西

就是它有 double pole 跟 LC 相关的

那么我们之前决定了 mid-band gain

其实我们假设一个东西

就是说我们把那些非理想的不想要的 pole 和 zero

把它 cancel 掉

只想要一个类似 integrator 一样的 20dB/decade drop 的 gain 和环路

也就意味着我们需要把 double pole cancel掉

我们这里把 ωZEA 和 ωFC 两个设定好

跟 ωo 也就是说我们 LC 的 double pole 频率一样

设定成一样把它 cancel 掉

这是低频的东西

接下来我们来设置一下高频的 ωFP

把它设定成跟 output 的这个 ESR 相关的 ωZ

这个零点设成一样的

让它们互相 cancel 掉

这样在高频我们也是很 clean

然后同时我们可以再设一下 ωHF

一个 high frequency 的 pole

一般情况下建议设定到开关电源的一半的频率

用来 attenuate 更多的 switching noise

那么接下来看一下我们这么做的结果

第一个是 power stage

没有补偿的正常的 power stage

我们看到有 ωo 是 40dB/decade drop

下面是我们用的工具 error amplifier type 3

这边是它的波特图

当我们按照建议的顺序和方法来设定参数之后

我们来看整个环路的 control loop 的带宽

control loop 的频率响应

我们看到红色的 gain 几乎是一条直线

像 integrator 一样 20dB/decade drop

然后 cut-off frequency

也就是说不是 cut-off, 是 0dB 在这里

我们已经再也看不到那些 double pole

和其它的 zero

所以我们的补偿是很有效果的

phase 也保持很好

这个 phase margin 90度

当然在实际情况当中不会这么理想

因为随着负载的变化以及各个参数随着温度的漂移

这些 pole 和 zero 并不能够完整的 cancel 掉

所以我们会看到一些 non-ideal

但是整体的这个趋势和方向是这样的

接下来我们看一下 current-mode 相关的

就叫 isolated current-mode flyback 这个补偿

我们这里面仍然是有 output filter

也有 output 输出级

然后有 modulator

这边有 optocoupler 来做 feedback 的一个 feedback 回路

区别的话呢这个有一个特点

就是说 slope compensation 这里

因为有 transformer

所以我们在折算它的时候要引入 transformer 的 turns ratio

类似的我们这边有补偿的 strategy

右边是常用的公式

左边是我们的建议

我们仍然是先把 RFBT 先计算出来

然后我们接下来找到 modulator transconductance

也就是这个 GM

有别于之前的 voltage mode

我们是先决定带宽

这里我们先决定右半平面零点

因为右半平面零点我们之前有提过

它的引入会让我们的 gain 增加 phase 变差

所以它才是真正的 limitation

我们要找到它

然后 worst case 的它

那这代表什么呢

就是在 minimum input voltage

和 maximum load current

在这种情况下右半平面零点在最低的频率

找到了这个频率之后

我们把我们的带宽设定在这个右半平面零点的1/4处

我们想尽量的远离它

然后一样的我们来设定 mid-band gain

mid-band gain 我们会看到它就是用来切带宽的

用 mid-band gain 我们把它设定好

来达到我们想要的带宽

这个相关的这些 component 参数

我们要把它调整到我们需要的

完事之后紧接着是我们 ωZEA

一般情况下是把它设定到 crossover frequency 的1/10

然后接下来我们还有 ωHF

一般把它设定在右半平面零点

虽然右半平面零点已经离我们很远了

但是我们仍然是希望把它 cancel 掉

因为它仍然会有一些 effect

我们接下来看一下补偿结果

首先 power stage

这里有 pole zero 一系列的 pole zero

这是我们用的 error amplifier

这是它特性

那么我们设定好

把它们合并在一起之后

这是我们得到的补偿结果

那么仍然是很 clean

这个 gain 很 clean

但大家可以注意到这个phase

跟之前不一样

之前会待在90度在 phase margin 这里有掉

那它这个 drop 是因为什么呢

因为右半平面零点虽然被我们排除在带宽以外

但是因为不是很远

它的效果还是进来了

phase 弄掉了

所以大家对右半平面零点要格外小心

OK 这就是今天我们要向大家介绍内容

有关于补偿的两个实例

一个是 voltage mode

一个是 current-mode flyback

谢谢大家听讲，下回我们继续