1.8 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二部分

大家好

我们今天继续关于开关电源补偿的一些相关知识介绍

我们接下来进行最后一部分

circuit limitation 和 other isssues 剩余的部分

我们先来看一下 practical limitation

这里我们讲的 limitation 着重于 fC

整个系统补偿之后的 crossover frequency

那么我们第一个讲的因素

就是 error amplifier 的 bandwidth

我们之前在介绍补偿的时候

我们都假设我们用到的这个放大器的带宽是无限

但其实呢它不是的

当它的带宽它自己有一个 3dB 这种 dominant pole behavior

它自己有个带宽

当它的带宽小于我们设定的 fC 的时候

以及跟其它的 pole 和 zero 的频率相接近的时候

那它就会影响到了我们的 fC

举个例子就说

当我们 design voltage mode type 3 的时候

这种 compensation 的时候

我们要尽量去选择一个就是 op amp 有更大的带宽的

这样我们才能优化我们的带宽。

那么还有一个因素是什么呢

就是 optocoupler

大家还记得之前的话有 current transfer ratio 一个特性

它从 secondary side sense 电流 到 primary side

那么这种情况下的时候

我们记得有个 RP 在它的 NPN 的 collector 上面

这个 RP 那点是有一个 pole 的

那么会看到这边有一些 plot

随着 RP 的增加

我们看见 gain 这个 3dB 在往低频移动

在 phase 上体现的是一样的

这就意味着这个 RP 也说它会影响到我们的 fC

我们要谨慎的去选择

当我们用这种 optocoupler 的时候

它可能会减少了我们的带宽

但我们还没有意识到

然后也会影响我们的稳定性

那么还有一个东西是一个硬伤是什么呢

就是 switching frequency

那对于 switching frequency 的话

我们都知道，一开始就跟大家提了

我们要把它设在就是说我们的整个 fC

要设在 switching frequency 的1/5到1/10

这是一个硬伤

然后当我们 work with current-mode boost converter 的时候

还会多个右半平面零点

那它就是比这个1/10或1/5带宽的这个伤更厉害的一个东西

那我们都是要考虑的

所以我们的 fC 整个系统的这个带宽很难做大

接下来我们看一下 DCM 和 CCM 的一些比较

那么之前的所有的介绍都是关于 CCM

所以你 DCM 也是要稳定的

那么怎么照顾到它呢

这里分别举了两个例子

有 current mode 和 voltage mode

然后红色的是 CCM

蓝色的是 DCM

这里边的话我们会看到有一些不同的地方

对 current mode 我们看到比较直接

就是从 CCM 到 DCM gain 有 drop

还有 phase 有 drop

总体来讲的话

带宽会被切小

然后 phase margin 没有变差

反倒变得更好，因为带宽变小

这是关于 current mode 的

关于 voltage mode 呢有一些更加质量的变化

在 CCM 我们看到这种 complex conjugate pole

然后以及 gain 上的 peaking

还有这个 phase 的 sharp drop

当我们进入 DCM 的时候

我会发现变成两个 real pole

然后 gain 没有 peaking

那这个是很好理解

就是说这个 LC resonant 没有了

因为电感电流已经非连续了

那么基于以上的话呢

我们有一个通俗的通认的一个理解

那也就是说当从 CCM 到 DCM 的时候呢

我们的 gain 都会 drop

然后我们 bandwidth 都会 drop

那也就是说我们这种情况下的话

如果 CCM 是稳定的

那 DCM 呢也会稳定

那么我们右边的话呢

有一些关于 DCM duty cycle 的计算

对于不同的 topology

公式比较复杂

因为 DCM 情况不像 CCM 那么简单

这些公式可以给大家作为参考

可以输入 excel 就可以很容易估出你的 DCM duty cycle

最后我们再来看一下关于 filter 的一些考虑

我们这里有分为 input filter 和 output filter

首先是你可能会问我不加 filter

还需要了解这些东西吗

你是需要的，为什么呢

那你需要加 filter

那可能是因为你要 output 和 input 更加 stable

ripple 更小

但是即使你不加你的 input 和 output 有 cable connection

它仍然会引入寄生的电感和电容

那么我们先来看一下 input 的 filter

我们的建议就是说

为了 stability Zout 要远小于 converter 的 Zin

那么我们有做一些推导

但是最终我们 conclude 回来

就是我们关键是这个 damping factor

在 damping factor 里面的话

有一项叫 Zin 是非常 critical 的

那么我们看一下我们的 device

我们 device Zin 首先一点

它是一个 negative 的 value

为什么这么看呢

假设你的 Vin 是在 drop

这个 converter 的 device 要保证它输出能量是 constant 的

这样的话 Vin 就要 rise

因为 Vin*Iin*efficiency = output power

那么如果 output power 是 constant

即使 Vin 掉了 Iin 也要 rise

所以它体现的是一个 negative impedance

我们回过头来再看 damping factor

这意味着这个公式里面有 negative part

那也就意味着如果参数设定不当

可能我们 damping factor 很差

没有办法 damp 掉整个系统的 disturbance

所以这是我们要注意的地方

我们去需要一定的 RL RC 和 ZS 的设定

还保证我们有足够的 damping

我们接下来看一下 second stage filters

那这里的话呢就是说除了正常的 L1 和 Cout1

我们又加入 L2 和 Cout2

那有的时候我们是为了减小 output ripple

让它更加的 stable

但是这么做的时候

我们明显引入了新的 LC

为了不干扰整个系统的稳定性

要遵循以下的一个 guideline

那就说 Cout1 一定要小于 Cout2

L2 要小于 L1

然后以及 second stage filter resonance 要 3fC 让它远

然后我们还要保持一定的 damping

OK 这是关于 output filter

所以我们来做一个 summary

对我们整个课程

也就是说我们从一开始有介绍什么是 feedback loop

以及我们为什么要用 compensation

因为这个 feedback 会引入我们有需要做补偿

因为它是负反馈

然后我们介绍了零极点

我们介绍了各种功率级的特性

也介绍了各种 feedback 网络的频率特性

以及我们怎么利用它来补偿

我们也举了一些补偿的实例

那中心思想就是说我们要 cancel 那些

unwanted zeros and poles in the entire loop

然后我们要 adjust for the best performence

在 trade off 我们的 crossover frequency 和 settling

所以这是一个关于补偿的一个全面的介绍

那么还有很多细节没有介绍

比如说之前提到 slope compensation 的

一些具体的原因和公式推导

那么以及还有关于其它的一些更详细的资料

可以通过以下的这些资源去寻找

同时我们还有一些 appendix

也希望大家可以去看一下

那么我们只是举了两个补偿的例子

那这边还有更多的大家可以在实际需要的时候呢对号入座

去获得更好的一个知识和认知

那么这些呢就是关于开关电源补偿的一个介绍的课程

那么就是说希望对大家有帮助

谢谢大家听讲，再见

大家好

我们今天继续关于开关电源补偿的一些相关知识介绍

我们接下来进行最后一部分

circuit limitation 和 other isssues 剩余的部分

我们先来看一下 practical limitation

这里我们讲的 limitation 着重于 fC

整个系统补偿之后的 crossover frequency

那么我们第一个讲的因素

就是 error amplifier 的 bandwidth

我们之前在介绍补偿的时候

我们都假设我们用到的这个放大器的带宽是无限

但其实呢它不是的

当它的带宽它自己有一个 3dB 这种 dominant pole behavior

它自己有个带宽

当它的带宽小于我们设定的 fC 的时候

以及跟其它的 pole 和 zero 的频率相接近的时候

那它就会影响到了我们的 fC

举个例子就说

当我们 design voltage mode type 3 的时候

这种 compensation 的时候

我们要尽量去选择一个就是 op amp 有更大的带宽的

这样我们才能优化我们的带宽。

那么还有一个因素是什么呢

就是 optocoupler

大家还记得之前的话有 current transfer ratio 一个特性

它从 secondary side sense 电流 到 primary side

那么这种情况下的时候

我们记得有个 RP 在它的 NPN 的 collector 上面

这个 RP 那点是有一个 pole 的

那么会看到这边有一些 plot

随着 RP 的增加

我们看见 gain 这个 3dB 在往低频移动

在 phase 上体现的是一样的

这就意味着这个 RP 也说它会影响到我们的 fC

我们要谨慎的去选择

当我们用这种 optocoupler 的时候

它可能会减少了我们的带宽

但我们还没有意识到

然后也会影响我们的稳定性

那么还有一个东西是一个硬伤是什么呢

就是 switching frequency

那对于 switching frequency 的话

我们都知道，一开始就跟大家提了

我们要把它设在就是说我们的整个 fC

要设在 switching frequency 的1/5到1/10

这是一个硬伤

然后当我们 work with current-mode boost converter 的时候

还会多个右半平面零点

那它就是比这个1/10或1/5带宽的这个伤更厉害的一个东西

那我们都是要考虑的

所以我们的 fC 整个系统的这个带宽很难做大

接下来我们看一下 DCM 和 CCM 的一些比较

那么之前的所有的介绍都是关于 CCM

所以你 DCM 也是要稳定的

那么怎么照顾到它呢

这里分别举了两个例子

有 current mode 和 voltage mode

然后红色的是 CCM

蓝色的是 DCM

这里边的话我们会看到有一些不同的地方

对 current mode 我们看到比较直接

就是从 CCM 到 DCM gain 有 drop

还有 phase 有 drop

总体来讲的话

带宽会被切小

然后 phase margin 没有变差

反倒变得更好，因为带宽变小

这是关于 current mode 的

关于 voltage mode 呢有一些更加质量的变化

在 CCM 我们看到这种 complex conjugate pole

然后以及 gain 上的 peaking

还有这个 phase 的 sharp drop

当我们进入 DCM 的时候

我会发现变成两个 real pole

然后 gain 没有 peaking

那这个是很好理解

就是说这个 LC resonant 没有了

因为电感电流已经非连续了

那么基于以上的话呢

我们有一个通俗的通认的一个理解

那也就是说当从 CCM 到 DCM 的时候呢

我们的 gain 都会 drop

然后我们 bandwidth 都会 drop

那也就是说我们这种情况下的话

如果 CCM 是稳定的

那 DCM 呢也会稳定

那么我们右边的话呢

有一些关于 DCM duty cycle 的计算

对于不同的 topology

公式比较复杂

因为 DCM 情况不像 CCM 那么简单

这些公式可以给大家作为参考

可以输入 excel 就可以很容易估出你的 DCM duty cycle

最后我们再来看一下关于 filter 的一些考虑

我们这里有分为 input filter 和 output filter

首先是你可能会问我不加 filter

还需要了解这些东西吗

你是需要的，为什么呢

那你需要加 filter

那可能是因为你要 output 和 input 更加 stable

ripple 更小

但是即使你不加你的 input 和 output 有 cable connection

它仍然会引入寄生的电感和电容

那么我们先来看一下 input 的 filter

我们的建议就是说

为了 stability Zout 要远小于 converter 的 Zin

那么我们有做一些推导

但是最终我们 conclude 回来

就是我们关键是这个 damping factor

在 damping factor 里面的话

有一项叫 Zin 是非常 critical 的

那么我们看一下我们的 device

我们 device Zin 首先一点

它是一个 negative 的 value

为什么这么看呢

假设你的 Vin 是在 drop

这个 converter 的 device 要保证它输出能量是 constant 的

这样的话 Vin 就要 rise

因为 Vin*Iin*efficiency = output power

那么如果 output power 是 constant

即使 Vin 掉了 Iin 也要 rise

所以它体现的是一个 negative impedance

我们回过头来再看 damping factor

这意味着这个公式里面有 negative part

那也就意味着如果参数设定不当

可能我们 damping factor 很差

没有办法 damp 掉整个系统的 disturbance

所以这是我们要注意的地方

我们去需要一定的 RL RC 和 ZS 的设定

还保证我们有足够的 damping

我们接下来看一下 second stage filters

那这里的话呢就是说除了正常的 L1 和 Cout1

我们又加入 L2 和 Cout2

那有的时候我们是为了减小 output ripple

让它更加的 stable

但是这么做的时候

我们明显引入了新的 LC

为了不干扰整个系统的稳定性

要遵循以下的一个 guideline

那就说 Cout1 一定要小于 Cout2

L2 要小于 L1

然后以及 second stage filter resonance 要 3fC 让它远

然后我们还要保持一定的 damping

OK 这是关于 output filter

所以我们来做一个 summary

对我们整个课程

也就是说我们从一开始有介绍什么是 feedback loop

以及我们为什么要用 compensation

因为这个 feedback 会引入我们有需要做补偿

因为它是负反馈

然后我们介绍了零极点

我们介绍了各种功率级的特性

也介绍了各种 feedback 网络的频率特性

以及我们怎么利用它来补偿

我们也举了一些补偿的实例

那中心思想就是说我们要 cancel 那些

unwanted zeros and poles in the entire loop

然后我们要 adjust for the best performence

在 trade off 我们的 crossover frequency 和 settling

所以这是一个关于补偿的一个全面的介绍

那么还有很多细节没有介绍

比如说之前提到 slope compensation 的

一些具体的原因和公式推导

那么以及还有关于其它的一些更详细的资料

可以通过以下的这些资源去寻找

同时我们还有一些 appendix

也希望大家可以去看一下

那么我们只是举了两个补偿的例子

那这边还有更多的大家可以在实际需要的时候呢对号入座

去获得更好的一个知识和认知

那么这些呢就是关于开关电源补偿的一个介绍的课程

那么就是说希望对大家有帮助

谢谢大家听讲，再见