5.3 直流直流转换器常见错误及解决方案3 - 环路不稳与软启保护

那么接下来我们先看第五个问题

大家可以看到这个下面这个波形里面

这是我们开关节点的波形

我们可以看到这里有

两小一大的开关节点的电压波形

这个是在 17V 输入 1.8V 输出

大概 duty cycle 是在 11% 的工作情况下

那么我们首先看到这种有大小波的情况

第一直觉应该是有可能就是

说这个环路会不会出现不稳定的情况

那么我们来看一下

它的整个系统的环路响应图

从右边这个波特图里面

可以看到它的增益跟相位曲线的关系

那么我们可以看到当增益过零的时候

它的相位裕量大概也是大于 60 度

也就是相位裕量是足够的

但是我们可以看到的增益裕量

增益裕量是当相位过零的时候

增益的绝对值

这个时候我们从这个波特图里面看到

增益裕量是远远小于 5dB 的

很名显这个时候系统

就有可能会出现不稳定的情况

遇到这种情况

我们首先要做的就是把整个环路

能够优化起来

我们可以从右边这个图里面可以看到

这是我们优化之后的波特图

那么优化之后的波特图

我们可以看到

相位于裕量我们在增益过零的时候

依然能够保证大约是接近 60 度

那么增益裕量这个时候

在相位过零的时候

已经能够达到 13dB 的增益裕量

那么这个时候

就使增益裕量就大于 10dB

来确保我们系统

能够在所有的工作条件下

都能够稳定的工作

那我们这时候可以看

左边开关节点的波形图

这个时候每个开关周期

它的脉宽基本上都是保持稳定的

也就是整个系统已经实现了稳定了

对于这种环路稳定性

我们经常可以看到

输出电压可能会有个低频的振荡纹波

那我们可以看到这个图里面

我们这个时候可以看到有个

40kHz 的振荡的低频纹波

那么我们在做整个电路设计的时候

也对整个环路的波特图做了设计

那么它的相位裕量也是可以做到 60 度

那么增益裕量也可以做到 16.7dB

那么很明显

它的相位裕量和增益裕量都是足够了

那么为什么这个时候

我们设计出来的电路

会出现低频振荡

那么我们这个时候就需要来看

整个系统的真正的原理图

我们检查这个系统的真实原理图就会发现

我们实际上在

我们 BUCK 电路的输出

第一级的 LC 之后

实际上还加了一级磁珠

加一个输出电容的滤波电路

作为第二级的纹波滤波电路

来实现很小的输出电压纹波

但是这个第二级的输出的

LC 滤波电路却没有被计算到

我们整个系统的环路里面

也就是说我们在做系统设计的时候

并没有考虑到这个第二级的 LC 滤波电路

我们这个时候可以按照

我们第二级 LC 滤波电路

包括磁珠跟我们输出电容的容值来计算

发现它的谐振频率

刚好是接近于 40kHz

这个频率就很明显跟我们前面所看到的

低频振荡频率是一模一样的

那么我们这个时候

就要需要来检查一下

整个系统的真正的电路

我们之前可能在做设计的时候

就只关注到我们 BUCK 的

输入到输出的 LC 滤波

这这一级的电路

实际上我们在真正的电路板上

有可能还加了一个系统级的输出滤波器

那么可能是由一颗磁珠

加一个很大的输出滤波电容来组成的

那么这样子做的目的

有可能是为了达到更小的输出电压纹波

但是加了这个磁珠之后

它实际上就在我们输出端

形成一个第二级的 LC 滤波电路

因为磁珠

可以等效认为是很小的电感

那么这个 LC 电路

就会形成另外新的衰减点

同样的话

如果说我们这个时候

把这个第二级的 LC 电路也考虑进来的话

我们这个时候整个系统的

环路的波特图就可以

跟我们之前的设计思路是完全不一样的

我们可以看右边这个图里面

这两条红色的线

实际上就是这个时候

是把真正的

第二级的 LC 电路都考虑进来之后

就会发现

我们加入了第二级的 LC 滤波电路之后

会在大概是 40kHz 左右

会有一个谐振频率点

也就是第二级的衰减点的地方

那么会导致在这一点

相位会出现急剧的下降

然后增益这里也会有往前凸的情况

有可能出现条件稳定的情况

我们发现这个谐振频率点

是刚好是 40kHz

那么跟我们之前测试看到的

40kHz 的低频振荡纹波是完全一致的

那么也就是由第二级的

LC 滤波电路来导致了

输出电压的低频振荡纹波的问题

做整个电路设计的时候

如果说在整个系统板上

会有第二级的 LC 滤波电路

我们这个时候必须要把这个

第二级的 LC 滤波电路

也考虑到我们整个系统的设计里面去

第六个问题

我们可以看到中间这个波形

那么这个很明显就是变换器

在不停重启的过程

我们可以看到输出电压

成一定斜率上升之后

突然就开始往下掉

应该是出现了整个系统关机的情况

然后过了一段时间之后

再重新恢复打嗝的模式

然后过了一段时间

再重新恢复软起

然后再保护

这样子循环往复的打嗝的过程

这种输出电压出现不停地开关机的情况

原因有可能很多

也有可能是输入过压输入欠压

或者是触发了输出短路之类的

那么在我们这个例子里面

它的原因是什么呢

我们把这个电感电流

也一起抓到这个波形里面

跟输出电压一起看

我们发现电感电流

在输出电压成斜率上升的时候

电感电流很大

大概会有 10A 左右

但是这个时候

我们并没有加负载电流在输出端

那么有可能这么大的电感电流

流过 Converter 就触发了

我们整个变换器的过流保护

那么过流保护之后

我们系统可能就是不停的重启打嗝

然后重新再打嗝

所以问题来了

为什么会在软启的时候

电感电流会有个这么大的值

那么让我们把整个软启过程

来仔细的分析一遍

右边我们这里是一个图

这里代表了我们整个电路

在软起过程中输出电压

跟电感电流的关系

那么我们可以看到

在输出电压呈斜率上升的时候

确实有比较大的电流

流动在电感里面

这个时候就有可能会触发 OCP 保护

这个时候我们要需要分析一下

电感电流到底是因为什么

导致这么大的

我们可以看一下

下面这个 BUCK 变换器的

主要的电流流动的框图

那么对于输出端电感电流

它实际上会等于

负载电流

加上输出电容的充电电流

在输出端电感电流

它实际上会分成两个支路

一个是给负载的电流

一个是给我们输出电容的充电电流

那么很明显 IL

实际上是等于 IL 和 IC 的和

那么 ILOAD 实际上就是负载电流

那么我们 IC 是多少呢

IC 实际上就是整个输出电容的充电电流

我们可以通过整个软启过程的时间

来对它作出估算

我们可以看左边这个公式

那么 IC 它实际上是会等于 CΔV/ΔT

那么这个里面的 ΔV 实际上就是

我们输出电压 U0

然后爬到我们所需要的设定电压值的

电压变化区间

那么 ΔT 它实际上

就代表了我们整个的软启的整个时间

所以说我们把这个 ΔV ΔT

算进去之后就可以得到我们 IC 的值

得到 IC 值之后

我们这个时候

就可以根据基尔霍夫电流定律

然后知道 IL 实际上是等于 ILOAD+IC

那么很明显的可以看到

在软启的这个阶段之内

电感电流为什么会比正常工作时候的

电感电流会高一截呢

这个时候就是因为有 IC

从电感流向输出电容

那么这个时候对于输入电容来说

它是实际上就是会等于

负载电流加充电电流也就是电感电流

然后再乘以占空比的比值

所以说我们从上面的公式就可以看出来

越短的软启时间也就是 ΔT 越小

那么同样的 ΔV 的条件下

那么 IC 会越大

这个时候我们就要确保

我们要避免 IL 的电流

会触发整个芯片的过流保护的点

那么在有的应用里面

比如说是母线电压上

比如说 12V 的母线电压上

它可能挂了很多个不同的 PLL 的模块

那么如果说所有的模块

都是同一时间启动的话

那么这个时候会

从母线上会吸一个非常大的电流

可能会导致我们母线电压出现急剧跌落

那么我们这个时候

就可以采用时序控制的一种方法

比如说我们如果是有多个模块

都是接到同一个母线上

我们可以选择让多个模块依次软启

避免我们所有的模块都在同一时间

从母线上吸取电流

就可以保证输出电压不会出现很大的跌落

那么接下来我们先看第五个问题

大家可以看到这个下面这个波形里面

这是我们开关节点的波形

我们可以看到这里有

两小一大的开关节点的电压波形

这个是在 17V 输入 1.8V 输出

大概 duty cycle 是在 11% 的工作情况下

那么我们首先看到这种有大小波的情况

第一直觉应该是有可能就是

说这个环路会不会出现不稳定的情况

那么我们来看一下

它的整个系统的环路响应图

从右边这个波特图里面

可以看到它的增益跟相位曲线的关系

那么我们可以看到当增益过零的时候

它的相位裕量大概也是大于 60 度

也就是相位裕量是足够的

但是我们可以看到的增益裕量

增益裕量是当相位过零的时候

增益的绝对值

这个时候我们从这个波特图里面看到

增益裕量是远远小于 5dB 的

很名显这个时候系统

就有可能会出现不稳定的情况

遇到这种情况

我们首先要做的就是把整个环路

能够优化起来

我们可以从右边这个图里面可以看到

这是我们优化之后的波特图

那么优化之后的波特图

我们可以看到

相位于裕量我们在增益过零的时候

依然能够保证大约是接近 60 度

那么增益裕量这个时候

在相位过零的时候

已经能够达到 13dB 的增益裕量

那么这个时候

就使增益裕量就大于 10dB

来确保我们系统

能够在所有的工作条件下

都能够稳定的工作

那我们这时候可以看

左边开关节点的波形图

这个时候每个开关周期

它的脉宽基本上都是保持稳定的

也就是整个系统已经实现了稳定了

对于这种环路稳定性

我们经常可以看到

输出电压可能会有个低频的振荡纹波

那我们可以看到这个图里面

我们这个时候可以看到有个

40kHz 的振荡的低频纹波

那么我们在做整个电路设计的时候

也对整个环路的波特图做了设计

那么它的相位裕量也是可以做到 60 度

那么增益裕量也可以做到 16.7dB

那么很明显

它的相位裕量和增益裕量都是足够了

那么为什么这个时候

我们设计出来的电路

会出现低频振荡

那么我们这个时候就需要来看

整个系统的真正的原理图

我们检查这个系统的真实原理图就会发现

我们实际上在

我们 BUCK 电路的输出

第一级的 LC 之后

实际上还加了一级磁珠

加一个输出电容的滤波电路

作为第二级的纹波滤波电路

来实现很小的输出电压纹波

但是这个第二级的输出的

LC 滤波电路却没有被计算到

我们整个系统的环路里面

也就是说我们在做系统设计的时候

并没有考虑到这个第二级的 LC 滤波电路

我们这个时候可以按照

我们第二级 LC 滤波电路

包括磁珠跟我们输出电容的容值来计算

发现它的谐振频率

刚好是接近于 40kHz

这个频率就很明显跟我们前面所看到的

低频振荡频率是一模一样的

那么我们这个时候

就要需要来检查一下

整个系统的真正的电路

我们之前可能在做设计的时候

就只关注到我们 BUCK 的

输入到输出的 LC 滤波

这这一级的电路

实际上我们在真正的电路板上

有可能还加了一个系统级的输出滤波器

那么可能是由一颗磁珠

加一个很大的输出滤波电容来组成的

那么这样子做的目的

有可能是为了达到更小的输出电压纹波

但是加了这个磁珠之后

它实际上就在我们输出端

形成一个第二级的 LC 滤波电路

因为磁珠

可以等效认为是很小的电感

那么这个 LC 电路

就会形成另外新的衰减点

同样的话

如果说我们这个时候

把这个第二级的 LC 电路也考虑进来的话

我们这个时候整个系统的

环路的波特图就可以

跟我们之前的设计思路是完全不一样的

我们可以看右边这个图里面

这两条红色的线

实际上就是这个时候

是把真正的

第二级的 LC 电路都考虑进来之后

就会发现

我们加入了第二级的 LC 滤波电路之后

会在大概是 40kHz 左右

会有一个谐振频率点

也就是第二级的衰减点的地方

那么会导致在这一点

相位会出现急剧的下降

然后增益这里也会有往前凸的情况

有可能出现条件稳定的情况

我们发现这个谐振频率点

是刚好是 40kHz

那么跟我们之前测试看到的

40kHz 的低频振荡纹波是完全一致的

那么也就是由第二级的

LC 滤波电路来导致了

输出电压的低频振荡纹波的问题

做整个电路设计的时候

如果说在整个系统板上

会有第二级的 LC 滤波电路

我们这个时候必须要把这个

第二级的 LC 滤波电路

也考虑到我们整个系统的设计里面去

第六个问题

我们可以看到中间这个波形

那么这个很明显就是变换器

在不停重启的过程

我们可以看到输出电压

成一定斜率上升之后

突然就开始往下掉

应该是出现了整个系统关机的情况

然后过了一段时间之后

再重新恢复打嗝的模式

然后过了一段时间

再重新恢复软起

然后再保护

这样子循环往复的打嗝的过程

这种输出电压出现不停地开关机的情况

原因有可能很多

也有可能是输入过压输入欠压

或者是触发了输出短路之类的

那么在我们这个例子里面

它的原因是什么呢

我们把这个电感电流

也一起抓到这个波形里面

跟输出电压一起看

我们发现电感电流

在输出电压成斜率上升的时候

电感电流很大

大概会有 10A 左右

但是这个时候

我们并没有加负载电流在输出端

那么有可能这么大的电感电流

流过 Converter 就触发了

我们整个变换器的过流保护

那么过流保护之后

我们系统可能就是不停的重启打嗝

然后重新再打嗝

所以问题来了

为什么会在软启的时候

电感电流会有个这么大的值

那么让我们把整个软启过程

来仔细的分析一遍

右边我们这里是一个图

这里代表了我们整个电路

在软起过程中输出电压

跟电感电流的关系

那么我们可以看到

在输出电压呈斜率上升的时候

确实有比较大的电流

流动在电感里面

这个时候就有可能会触发 OCP 保护

这个时候我们要需要分析一下

电感电流到底是因为什么

导致这么大的

我们可以看一下

下面这个 BUCK 变换器的

主要的电流流动的框图

那么对于输出端电感电流

它实际上会等于

负载电流

加上输出电容的充电电流

在输出端电感电流

它实际上会分成两个支路

一个是给负载的电流

一个是给我们输出电容的充电电流

那么很明显 IL

实际上是等于 IL 和 IC 的和

那么 ILOAD 实际上就是负载电流

那么我们 IC 是多少呢

IC 实际上就是整个输出电容的充电电流

我们可以通过整个软启过程的时间

来对它作出估算

我们可以看左边这个公式

那么 IC 它实际上是会等于 CΔV/ΔT

那么这个里面的 ΔV 实际上就是

我们输出电压 U0

然后爬到我们所需要的设定电压值的

电压变化区间

那么 ΔT 它实际上

就代表了我们整个的软启的整个时间

所以说我们把这个 ΔV ΔT

算进去之后就可以得到我们 IC 的值

得到 IC 值之后

我们这个时候

就可以根据基尔霍夫电流定律

然后知道 IL 实际上是等于 ILOAD+IC

那么很明显的可以看到

在软启的这个阶段之内

电感电流为什么会比正常工作时候的

电感电流会高一截呢

这个时候就是因为有 IC

从电感流向输出电容

那么这个时候对于输入电容来说

它是实际上就是会等于

负载电流加充电电流也就是电感电流

然后再乘以占空比的比值

所以说我们从上面的公式就可以看出来

越短的软启时间也就是 ΔT 越小

那么同样的 ΔV 的条件下

那么 IC 会越大

这个时候我们就要确保

我们要避免 IL 的电流

会触发整个芯片的过流保护的点

那么在有的应用里面

比如说是母线电压上

比如说 12V 的母线电压上

它可能挂了很多个不同的 PLL 的模块

那么如果说所有的模块

都是同一时间启动的话

那么这个时候会

从母线上会吸一个非常大的电流

可能会导致我们母线电压出现急剧跌落

那么我们这个时候

就可以采用时序控制的一种方法

比如说我们如果是有多个模块

都是接到同一个母线上

我们可以选择让多个模块依次软启

避免我们所有的模块都在同一时间

从母线上吸取电流

就可以保证输出电压不会出现很大的跌落