Продовження 1-ї частини статті, опублікованої в номері 731 від жовтня 2015 року, на сторінках з 96 по 101.
Моделювання нового силового каскаду із струмом із замкнутим контуром
На рисунку 19 показана спрощена модель 1-го порядку ступеня потужності перетворювача з внутрішнім струмом, який просто розглядає індуктор як джерело струму, керований напругою uC штифта ITH підсилювача. Подібний підхід може бути застосований до інших топологій з управлінням режимом струму індуктивності. Наскільки хороша ця проста модель?
Рисунок 20 пропонує порівняння функції передачі GCV (s) = vOUT/vC між моделлю 1-го порядку та більш складною, але точною моделлю. Він відповідає поточному режиму перетворювача, що працює з частотою комутації 500 кГц. У цьому прикладі модель 1-го порядку має точність до 10 кГц,
1/50 частоти комутації fSW. Вище цього значення фазова діаграма моделі 1-го порядку вже не є точною. Отже, ця спрощена модель хороша лише для дизайну з низькою пропускною здатністю.
Насправді досить складно розробити точну модель малого сигналу для перетворювачів струму для всього діапазону частот. Модель поточного режиму Р. Рідлі [3] є найбільш широко використовуваною виробниками джерел живлення для управління піковим струмом та поточним режимом струму. Зовсім недавно Цзянь Лі розробив більш інтуїтивну модель схеми [4] для управління поточним режимом, яка також може бути використана для інших методів управління поточним режимом. Щоб полегшити це, інструмент проектування LTpowerCAD включає ці точні моделі, тому навіть користувач із незначним досвідом може легко спроектувати джерело живлення в поточному режимі без особливих знань про моделі Рідлі або Цзянь Лі.
Дизайн петльової компенсації перетворювача поточного режиму
На малюнках 16 і 21, Gcv (s) замкнутого струму каскаду струму визначається вибором компонентів каскаду потужності, які вибираються переважно на основі специфікацій постійного струму/продуктивності джерела живлення.
Тому коефіцієнт підсилення зовнішньої петлі напруги T (s) = GCV (s) A (s) KREF (s) визначається за допомогою каскаду Kref (s) зворотного зв'язку та ступеня компенсації A (s). Конструкції цих двох етапів значною мірою встановлять стабільність джерела та його реакцію на перехідні процеси.
Загалом, продуктивність замкнутого контуру напруги T (s) оцінюється за двома важливими значеннями: пропускна здатність контуру і межа стійкості контуру. Пропускна здатність петлі квантується частотою відсічення fC, при якій коефіцієнт підсилення Т (s) дорівнює одиниці (0 дБ). Рівень стійкості циклу, як правило, кількісно визначається цим запасом фази або запасом посилення.
Запас фази fm-контуру визначається як різниця між сумарною фазовою затримкою T (s) та –180 ° на частоті відсічення. Як правило, мінімальний запас фази становить 45 градусів або 60 градусів для забезпечення стабільності. У разі управління поточним режимом, щоб послабити шум перемикання в струмовому контурі, межа коефіцієнта підсилення циклу визначається як загасання при ½ · fSW. Як правило, бажано мінімальне загасання 8 дБ (-8 дБ коефіцієнта підсилення петлі) при ½ fSW.
Вибір бажаної граничної частоти в контурі напруги fC
Більша пропускна здатність допомагає досягти швидкої реакції на перехідні процеси. Однак збільшення пропускної здатності, як правило, зменшує запас стійкості і робить контур управління більш чутливим до перемикання шуму.
Оптимальна конструкція, як правило, забезпечує хороший баланс між пропускною здатністю (перехідною реакцією) та запасом стійкості. Насправді, управління поточним режимом також вводить подвійну пару полюсів wn завдяки ефекту дискретизації поточного сигналу при 1/2 fSW [3].
Ці подвійні полюси вносять небажану затримку фази порядку f · fSW. Як правило, для досягнення достатнього запасу фази та ослаблення шуму на платі вибирається частота відсікання менше 1/10–1/6 частоти перемикання фаз fSW.
Kref (s) Дизайн мережі дільника зворотного зв'язку з R1, R2, C1 і C2
На рисунку 16 коефіцієнт посилення KREF постійного струму Kref (s) - це відношення внутрішньої опорної напруги VREF до бажаної вихідної напруги постійного струму Vo. Резистори R1 і R2 використовуються для регулювання необхідної вихідної напруги постійного струму.
Конденсатор С2 може бути додатково доданий для поліпшення динамічної реакції контуру зворотного зв'язку. Концептуально при високій частоті С2 забезпечує тракт потужності з низьким імпедансом для змінного сигналу вихідної напруги і, таким чином, впорядковує перехідні реакції. Але С2 також може додати небажаний шум перемикання в контур управління. Тому фільтруючий конденсатор С1 може бути додатково вбудований для зменшення шуму перемикання. Як виражено у рівнянні 11, передавальна функція резистивного дільника KREF (s) із C1 та C2 має нуль та полюс. Малюнок 22 показує базовий графік KREF (s).
При проектуванні fz_ref> C1.
Як зазначено, максимальний підйом фази jREF_max визначається відношенням дільника KREF = VREF/VO. Оскільки VREF зафіксовано для даного контролера, найбільшого збільшення фази можна досягти при більшому збільшенні вихідної напруги VO.
Вибір jREF, C1 та C2 є балансом між бажаним збільшенням фази та небажаним збільшенням частоти посилення. Загальний коефіцієнт посилення циклу слід перевірити пізніше, щоб оптимізувати значення.
Дизайн компенсаційної мережі типу II з підсилювачем помилок ITH у контурі напруги
Зсув A (s) ITH є найважливішим елементом у розробці компенсації контуру, оскільки він визначає коефіцієнт посилення постійного струму, частоту відсікання (смугу пропускання) та межі фази/коефіцієнта підсилення напруги. Для виходу джерела струму, підсилювача провідності gm, його передавальна функція A (s) отримується за рівнянням 18:
де gm - коефіцієнт підсилення підсилювача похибки провідності. Zith (s) - це імпеданс компенсаційної мережі на ITH штифті виходу підсилювача.
З блок-схеми управління на рисунку 21 похибка регулювання петлі напруги може бути визначена наступним чином:
Отже, щоб мінімізувати помилку регулювання постійного струму, бажаний великий коефіцієнт посилення постійного струму A (s). Щоб максимізувати коефіцієнт посилення постійного струму A (s), спочатку конденсатор Cth розміщують на штифті ITH на виході підсилювача, щоб сформувати інтегратор. У цьому випадку коефіцієнт посилення передачі A (s) становить:
На малюнку 23 показана принципова схема A (s) та її діаграма Боде. Як видно, конденсатор Cth створює член інтегрування в A (s) з нескінченно високим коефіцієнтом посилення постійного струму. На жаль, крім вихідних –180 градусів негативного зворотного зв'язку, Cth додає ще –90 градусів затримки фази. Включаючи фазу –90 градусів ПЗВ, що відповідає ступеню потужності системи 1-го порядку, загальна фаза контуру напруги наближається до –360 градусів на частоті відсічення fC, і петля близька до нестабільності.
Насправді вихідний опір підсилювача джерела струму gm не є нескінченним. На малюнку 24, Ro - внутрішній вихідний опір ITH-штифта gm-підсилювача.
Ro зазвичай є дуже високим у контролерах лінійної технології, близько 500 кОм - 1 МОм. Отже, передавальна функція A (s) з одним конденсатором стає рівнянням 21.
Він має низькочастотний полюс fpo, визначений RO · Cth. Тому коефіцієнт підсилення постійного струму A (s) становить gm RO. Як показано на малюнку 24, A (s) все ще має відставання фаз –90 градусів для передбачуваної частоти відсічення fC_exp.
Щоб збільшити фазу, відповідну fC, додайте резистор Rth послідовно з Cth, щоб створити нуль, як показано в рівнянні 23 і на малюнку 25. Нуль додає затримку фази до +90 градусів.
Як показано на малюнку 25, якщо нульовий sthz розміщений перед граничною частотою fC, фаза A (s) в fC може бути значно збільшена.
В результаті це збільшує запас фази контуру напруги.
На жаль, при додаванні нульового sthz є штраф: коефіцієнт посилення A (s) значно збільшується на високих частотах вище fC. Отже, шум перемикання, швидше за все, виникає в контурі управління з меншим затуханням A (s) на частоті перемикання.
Для того, щоб компенсувати це збільшення коефіцієнта підсилення та послабити шум з плати, необхідно додати ще один невеликий керамічний конденсатор Cthp від ITH-штиря до землі мікросхеми, як показано на малюнку 26. Загалом, виберіть Cthp fp2 в смузі пропускання джерела, CTHP не має великого впливу на реакцію на перехідні процеси навантаження. Якщо CTHP занадто великий, так що fp2 наближається до fc, це може зменшити пропускну здатність і запас фази, що призведе до вищого перехідного зниження/перевитрати.
Спроектуйте джерело потокового режиму за допомогою інструменту проектування LTpowerCAD
За допомогою інструменту проектування LTpowerCADTM користувачі можуть легко спроектувати та оптимізувати компенсацію циклу та перехідні навантаження в джерелах поточного режиму Linear Technology.
Багато лінійних продуктів були точно змодельовані з їхніми параметрами циклу. Перш за все, користувачам потрібно розробити ступінь живлення, в якій їм потрібно по черзі спроектувати поточну мережу зондування та переконатися, що достатній сигнал змінного струму на мікросхему достатній.
Після цього, на сторінці проектування циклу, зображеному на рисунку 31, ви можете відрегулювати значення зміщення циклу R/C, просто переміщаючи смуги прокрутки та дивлячись на загальну смугу пропускання циклу, запас фази та продуктивність щодо відповідних перехідних процесів навантаження.
Для перетворювача доларів користувачам, як правило, потрібно розробити смугу пропускання менше 1/6 fSW, мати принаймні 45 градусів (або 60 градусів) запасу фази і мати принаймні 8 дБ загального ослаблення коефіцієнта посилення петлі для ½ fSW.
Для підсилювального перетворювача та через нуль правої півкулі (RHPZ) користувачам потрібно розрахувати пропускну здатність нижче 1/10 від найгіршої з можливих частот RHPZ.
Файл проекту LTpowerCAD можна експортувати до LTspice для моделювання в режимі реального часу, щоб детально перевірити динамічні характеристики джерела, такі як перехідні процеси навантаження, увімкнення/вимкнення, захист від перевантаження по струму тощо.
Вимірювання посилення потужності циклу
Програми LTpowerCAD та LTspice не призначені заміною остаточного вимірювання коефіцієнта посилення циклу фактичного джерела живлення в лабораторії. Завжди потрібно вимірювання перед тим, як надати конструкцію для кінцевого виробництва. Хоча моделі джерела живлення теоретично правильні, вони не можуть враховувати паразитів ланцюга та нелінійність компонентів, таких як варіації ESR вихідних конденсаторів, нелінійність індукторів та конденсаторів тощо.
Шум на друкованій платі та обмежена точність вимірювання також можуть спричинити помилки вимірювання. З цієї причини іноді теоретична модель і міра можуть бути дуже різними. У такому випадку для підтвердження стійкості контуру можна виконати тест на перехідні процеси навантаження.
На малюнку 32 показано типове налаштування вимірювання коефіцієнта посилення контуру неізольованого джерела живлення за допомогою аналізатора частоти. Для вимірювання коефіцієнта посилення петлі в петлю зворотного зв'язку напруги вставляється резистор від 50 Ом до 100 Ом, а на цей резистор подається ізольований сигнал змінного струму 50 мВ. Канал 2 підключається до вихідної напруги, а канал 1 - до іншого кінця резистора. Коефіцієнт підсилення обчислюється системою частотного аналізатора як Channel2/Channel1. На рисунку 33 показано вимірювання та графік Боде циклу, розрахований LTpowerCAD для типового джерела поточного режиму LTC3851A. Вони відповідають ключовому діапазону частот від 1 кГц до 100 кГц.
Інші фактори, що спричиняють нестабільність
Умова функціонування
Якщо форма осцилографа, що перемикається, або вихідна напруга нестабільна або тремтить, перш за все, користувачі повинні переконатися, що джерело працює стабільно, без перехідних процесів навантаження або вхідної напруги.
Для застосувань з дуже малим або дуже великим робочим циклом, якщо відбувається пропуск імпульсу, перевірте, чи досягнуто мінімальне обмеження часу ввімкнення чи вимкнення. Для джерел, які потребують зовнішнього сигналу синхронізації, переконайтеся, що сигнал чистий і знаходиться в лінійному діапазоні, передбаченому таблицею даних контролера.
Іноді також потрібно відрегулювати мережу фільтрів ФАПЧ (фазовий цикл).
Поточний сенсорний сигнал і шум
Щоб мінімізувати втрати потужності в сенсорному резисторі, в джерелі струму максимальна напруга сенсора, як правило, дуже низька. Наприклад, LTC3851A може мати максимальну чутливу напругу 50 мВ.
Шум плати може порушити поточний сенсорний контур і спричинити нестабільну реакцію перемикання. Щоб з'ясувати, чи є проблемою компенсація петлі, помістіть великий конденсатор 0,1 мкФ між ITH-контактом і землею ІС. Якщо джерело все ще нестабільне з цим конденсатором, наступним кроком є перегляд конструкції.
Загалом мережі індуктивності та струму зондування повинні бути спроектовані таким чином, щоб сигнал струму в індукторі пік-пік змінного струму становив щонайменше 10 мВ до 15 мВ на струмі датчика вимірювання ІС.
Крім того, поточні датчики зондування можна перенаправити за допомогою пари багатожильних дротових перемичок, щоб перевірити, чи це вирішує проблему.
Є кілька важливих аспектів відстеження нальоту [6]. Зондування за Кельвіном, як правило, потрібне з парою поточних доріжок зондування, розташованих близько один до одного до штифтів SENSE + та SENSE–.
Якщо в мережі SENSE– використовується шлях панелі, переконайтеся, що цей шлях не контактує з іншими площинами VOUT.
Конденсатор фільтра між SENSE + і SENSE– слід розміщувати якомога ближче до контактів мікросхеми з прямим підключенням до колії. Іноді опір потрібен у фільтрі, і ці резистори також повинні бути близькими до ІС.
Контролюйте розміщення і компонування мікросхеми
Розміщення та компонування компонентів, що оточують ІС управління, також мають велике значення [6]. Усі керамічні роз'єднувальні конденсатори, якщо це можливо, повинні бути близько до своїх висновків. Особливо важливо, щоб ITH-контактний конденсатор Cthp знаходився якомога ближче до ITH-контактів і до заземлення ІС. Мікросхема управління повинна мати острівний наземний сигнал (SGND) окремо від заземлення джерела живлення (PGND). Комутаційні вузли, такі як SW, BOOST, TG та BG, слід тримати подалі від малих чутливих до сигналу вузлів, таких як поточний сенс ITH, зворотний зв'язок та компенсація.
Резюме
Конструкція петльової компенсації часто вважається складним завданням для перемикання джерел живлення. У програмах із швидкими перехідними процесами дуже важливо проектувати джерело з високою пропускною здатністю та достатнім запасом стійкості. Цей процес займає багато часу.
Ця стаття пояснює основні поняття, які допоможуть інженерам зрозуміти це завдання. Інструмент проектування LTpowerCAD може бути використаний для значного спрощення проектування та оптимізації контуру живлення.