1.7 开关模式电源转换器补偿简单易行 —实际应用限制和常见问题第一部分

大家好

我们继续之前的关于开关电源补偿的相关知识的介绍

下面我们会进入讲一些 circuit limitation

和 other issues 其中的第一部分

首先我们看一下 bandwidth 和 transient response 之间的关联

左边这个波特图

我们可以看到 fC, 0dB 的 crossover frequency

然后还有一些 phase 的情况

那么这个 fC 我们设定到 10kHz

然后右边是个 transient response

有一个在负载上的 ΔI 的变化

我们看 output 会有掉，一些 drop 和 rise

我们把这个 output 的 maxmium drop 定位为 VP

然后从 step response 开始一直到 output 掉到最低

我们时间定义为 tP

那么 VP 和 tP 这两个关键参数显示我们的系统

对 transient response 的这个敏捷程度

那么理论上我们是希望 VP 和 tP 越小越好

我们首先排除其他的 ESR 的情况

slew rate 和一些 duty cycle 的一些 nonideal limitation

我们来纯粹的看这个反应跟带宽之间的关系

看到 tP 等于 1/4 fC

那么在这里为例的话

tP 等于 25ms

我们接下来看一下不同的补偿情况

不同的 phase margin 情况

对整个系统的 transient response 影响

第一种情况我们是认为

可以看为 current mode single pole

这意味着 phase margin 是90度

非常的 stable

那么 VP 呢就等于这个 function

那么算出来是180毫伏

我们先放在这里

接下来我们再看一个 current-mode critically damped

这意味着什么呢45度

phase margin 不是那么好

但这意味着带宽要高一些

那这意味什么呢

VP 我们接下来看一下公式

分母上有点区别

原来是 2π

现在变成 e 是大于2的

那么结果呢就130毫伏

那就是 response 更快

所以这意味着什么

意味着我们在带宽和稳定性之间在做 trade off

我们一开始在讲补偿的时候就提到过

我们要 trade off 两个东西

一个是我们要 maximumized crossover frequency

然后另外一点呢我们还要优化 adjust for best settling time

那么这就是两个极端情况

single pole approximation 这个 settling 是非常好的

比60度还好非常 smooth drop

那么 critically damped 的话呢是 phase margin 偏小

但是带宽会更好更快

补偿的时候我们自己要优化

看需求

在两者之间 trade off 的一个关系

那么接下来我们再看一下 voltage mode

那么基于 voltage mode double pole

和它整个的这个补偿的一些特性

那么它的公式有所不同

这边是个八倍的

那么整个算的话呢140毫伏

那它是要好于一些

之前的 current mode critically damped 的这种情况

比这个差一点

刚才说的不太恰当，差一点

但是比那个 single pole current mode 要好很多

这么一个东西

接下来我们看一下 switching regulator with poor compensation

我们先举一个例子

这边的话呢是我们用了 TPS54620

它是个 peak current-mode 的 converter

外部元器件我们已经为它设定好了

那么我们对这个系统加一个 transient response

右上角这个图

我们看见 Vout

我们现在应该大家都已经非常熟悉这个 response

behavior 和 phase margin 各种的一个相关的一些

那么你可以直接的看到 phase margin 不是很好

但是反应很快

那么我们接下来怎么办呢

我们把这个 device 一级一级地分析一下

那么先看一下 power stage

那 power stage 我们现在看的话是 phase 往180度去掉

gain 倾向于 40dB/decade

那么这个意味着什么呢

这个 power stage 的这个特点直接就意味着

它本来是应该一个 current mode

这样的话

就是说它的 power stage 应该倾向于是一个 single pole

但现在类似于 double pole

倾向于去 double pole

那这意味着什么

意味着我们的 slope compensation 加多了

也就是说那个倾向于 voltage mode

我们把它放在一边在看一下 error amplifier

我们萃取一下它的特性

那么 mid-band gain 看到大概 3dB

OK 我们放在这里先不管了

我们再来看一下 close loop

我们取 0dB

然后看一下 phase ，20度很差

crossover frequency 95k 接近 100K 带宽很高

接下来我们该怎么办呢

我们看一下

首先是 power stage

它是 IC 内部的

nothing we can do

我们没有办法去改变它

我们能够改变是什么呢

error amplifier

那也就是说刚才我们萃取的这个

mid-band gain 里面的一些特性

那么我们可以通过降低 mid-band gain

来切削整个 loop 的带宽

这样的话呢就会把稳定性再 gain back

那么咱们试一下,怎么做呢

就是 decrease Rcomp 和 rescale Ccomp 增加 Ccomp

然后这个 mid-band gain 现在看来有 -10dB

然后我们再来看整个 control loop

我们看一下带宽

首先是由刚才的 95k 变成只有 30k

然后 phase margin 升到了67度

我们再来看一下 transient response

是一致的

所以我们把系统稳定要调好

但是代价就是带宽小

就是我们一直提到的 maximumized crossover frequency

同时要照顾好 settling behavior settling time

trade off 的结果这就是

OK 好，谢谢大家

那么这是一些关于补偿的 limitation

和一些 issue 介绍的第一部分

那么下课我们继续，谢谢

大家好

我们继续之前的关于开关电源补偿的相关知识的介绍

下面我们会进入讲一些 circuit limitation

和 other issues 其中的第一部分

首先我们看一下 bandwidth 和 transient response 之间的关联

左边这个波特图

我们可以看到 fC, 0dB 的 crossover frequency

然后还有一些 phase 的情况

那么这个 fC 我们设定到 10kHz

然后右边是个 transient response

有一个在负载上的 ΔI 的变化

我们看 output 会有掉，一些 drop 和 rise

我们把这个 output 的 maxmium drop 定位为 VP

然后从 step response 开始一直到 output 掉到最低

我们时间定义为 tP

那么 VP 和 tP 这两个关键参数显示我们的系统

对 transient response 的这个敏捷程度

那么理论上我们是希望 VP 和 tP 越小越好

我们首先排除其他的 ESR 的情况

slew rate 和一些 duty cycle 的一些 nonideal limitation

我们来纯粹的看这个反应跟带宽之间的关系

看到 tP 等于 1/4 fC

那么在这里为例的话

tP 等于 25ms

我们接下来看一下不同的补偿情况

不同的 phase margin 情况

对整个系统的 transient response 影响

第一种情况我们是认为

可以看为 current mode single pole

这意味着 phase margin 是90度

非常的 stable

那么 VP 呢就等于这个 function

那么算出来是180毫伏

我们先放在这里

接下来我们再看一个 current-mode critically damped

这意味着什么呢45度

phase margin 不是那么好

但这意味着带宽要高一些

那这意味什么呢

VP 我们接下来看一下公式

分母上有点区别

原来是 2π

现在变成 e 是大于2的

那么结果呢就130毫伏

那就是 response 更快

所以这意味着什么

意味着我们在带宽和稳定性之间在做 trade off

我们一开始在讲补偿的时候就提到过

我们要 trade off 两个东西

一个是我们要 maximumized crossover frequency

然后另外一点呢我们还要优化 adjust for best settling time

那么这就是两个极端情况

single pole approximation 这个 settling 是非常好的

比60度还好非常 smooth drop

那么 critically damped 的话呢是 phase margin 偏小

但是带宽会更好更快

补偿的时候我们自己要优化

看需求

在两者之间 trade off 的一个关系

那么接下来我们再看一下 voltage mode

那么基于 voltage mode double pole

和它整个的这个补偿的一些特性

那么它的公式有所不同

这边是个八倍的

那么整个算的话呢140毫伏

那它是要好于一些

之前的 current mode critically damped 的这种情况

比这个差一点

刚才说的不太恰当，差一点

但是比那个 single pole current mode 要好很多

这么一个东西

接下来我们看一下 switching regulator with poor compensation

我们先举一个例子

这边的话呢是我们用了 TPS54620

它是个 peak current-mode 的 converter

外部元器件我们已经为它设定好了

那么我们对这个系统加一个 transient response

右上角这个图

我们看见 Vout

我们现在应该大家都已经非常熟悉这个 response

behavior 和 phase margin 各种的一个相关的一些

那么你可以直接的看到 phase margin 不是很好

但是反应很快

那么我们接下来怎么办呢

我们把这个 device 一级一级地分析一下

那么先看一下 power stage

那 power stage 我们现在看的话是 phase 往180度去掉

gain 倾向于 40dB/decade

那么这个意味着什么呢

这个 power stage 的这个特点直接就意味着

它本来是应该一个 current mode

这样的话

就是说它的 power stage 应该倾向于是一个 single pole

但现在类似于 double pole

倾向于去 double pole

那这意味着什么

意味着我们的 slope compensation 加多了

也就是说那个倾向于 voltage mode

我们把它放在一边在看一下 error amplifier

我们萃取一下它的特性

那么 mid-band gain 看到大概 3dB

OK 我们放在这里先不管了

我们再来看一下 close loop

我们取 0dB

然后看一下 phase ，20度很差

crossover frequency 95k 接近 100K 带宽很高

接下来我们该怎么办呢

我们看一下

首先是 power stage

它是 IC 内部的

nothing we can do

我们没有办法去改变它

我们能够改变是什么呢

error amplifier

那也就是说刚才我们萃取的这个

mid-band gain 里面的一些特性

那么我们可以通过降低 mid-band gain

来切削整个 loop 的带宽

这样的话呢就会把稳定性再 gain back

那么咱们试一下,怎么做呢

就是 decrease Rcomp 和 rescale Ccomp 增加 Ccomp

然后这个 mid-band gain 现在看来有 -10dB

然后我们再来看整个 control loop

我们看一下带宽

首先是由刚才的 95k 变成只有 30k

然后 phase margin 升到了67度

我们再来看一下 transient response

是一致的

所以我们把系统稳定要调好

但是代价就是带宽小

就是我们一直提到的 maximumized crossover frequency

同时要照顾好 settling behavior settling time

trade off 的结果这就是

OK 好，谢谢大家

那么这是一些关于补偿的 limitation

和一些 issue 介绍的第一部分

那么下课我们继续，谢谢