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利用控制回路优化工具简化电源转换器设计

2021-02-23 Magnus Karlsson博士,高级信号处理专家,伟创力电源模块 阅读:
以往,转换器制造商除了依靠电源模块专家的专业知识来设计滤波器,优化控制回路,然后得到结果以外,别无其他选择。现在,这个时代已经一去不复返。系统设计人员现在可以使用免费软件来快速、容易地得到结果。电源系统设计软件中嵌入的环路补偿工具已经得到发展,工程师在概念阶段可以利用它来优化电压,这样就可以方便地尝试不同的配置,然后重新运行仿真,直到获得最佳结果。那么,推动这一进步的工程原理是什么?

首先,值得指出的是,在电源转换器的输入和输出上增加感容滤波器有许多目的。这类滤波器不仅可以减少反射纹波电流和输出噪声,而且可以满足EMC辐射和抗扰性法规的要求。cT7ednc

现在,可以使用回路补偿软件例程以简单的格式来对设计进行检查并对这些指标的结果进行仿真。也就是说,工程师可以通过事先评估任何问题和挑战,更好地了解哪些电源模块适合系统所需。规格齐全的回路补偿软件,可以在数分钟内直接在数字Z域对电源转换器进行设计、仿真、分析和配置。cT7ednc

评估控制回路的稳定性

为了实现电压/滤波器的优化,可以采用多种方式使用回路补偿软件工具。要优先考虑的是寻找超出要求的任何电压偏差——不仅是峰值,而且包括标称电压附近的整个区域。需要注意的是,回路优化例程对设计良好的外部去耦滤波器——即电源模块与负载之间距离较短(越近越好,但必须在10cm内)的滤波器——来说最有效。15mΩ或更低ESR(等效串联电阻)电容器在实现优化控制回路方面也非常有用。cT7ednc

另一种方案是并联使用多个较小的电容器(具有相同的类型和时间常数),以降低ESR。用控制理论来讲,没有什么比模型的精度更好。因此,有必要使用正确的ESR值,以及使用寄生电感(由电源模块和负载之间走线所引起)的正确估计值,这反过来又将在负载瞬变期间提供更好的电压偏差预测,以及设计的鲁棒性。cT7ednc

数字控制技术的影响

电源转换器中引入数字控制技术,使许多用户在设计适当的控制回路补偿时遇到了困难。一种常见的方法是使用传统的模拟工具来确定解决方案,然后将该解决方案转换到数字Z域。但是,这种方法可能很耗时,而且得到的解决方案往往不是最佳。cT7ednc

这成为了推动有效、可靠电压优化技术发展的原因之一。其他因素则取决于设计项目进展的固有方式。不幸的是,电源通常是在设计最后阶段才进行考虑,此时许多设计工程师才将这个功能添加到电路板的角落或任何剩余区域。其结果是电源模块无法靠近负载放置,这就存在关键指标出现性能不良的风险。此外,由于预算限制,许多设计人员会选择比如ESR值为45mΩ的电容器,而不是15mΩ的电容器,后者的成本大约是前者的两倍。cT7ednc

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1:根据初始输出滤波器配置对滤波电容和走线电感值(包括相关的ESR值)进行详细建模。cT7ednc

要确定回路补偿工具的输出滤波器部分包括哪些电容,最简单方法是,按每种类型的总电容和最长的时间常数来对它们进行计算和分类(1)。这个过程将展示两种待包含的电容类型,即那些总电容值最大和时间常数最长的电容。其他电容的时间常数通常很小,以至于它们不会对控制回路造成干扰,或者可以针对额外的元件/模型不确定性增设裕量来予以处理。cT7ednc

实现有效的仿真

在所有情况下,有必要通过有效仿真来对电压进行优化。以一个滤波器设计为例,它在靠近负载处的ESR值为45mΩ,并具有大约20nH的大电感(模块和负载之间)。在此,可以使用回路补偿来指示所关心的区域。例如,如2所示,在本示例中,去载后电压会出现巨大的偏差。显然,靠近负载处20nH的电感和较大的ESR值会形成一个激进的控制回路,而另一个问题是频率带宽范围,因为它会从14kHz的标称值扩展到128kHz的最大值。这个特定仿真的目标设置为20kHz,因此很明显,元件的容差会使控制回路变得非常敏感。3所示的输出阻抗曲线也凸显了这个问题——高频下的高阻抗会导致较大的电压偏差,进而导致大电流。cT7ednc

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2:在有20nH电感以及较大ESR靠近负载的情况下,由于激进的控制回路,去载时的偏差非常明显。cT7ednc

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3:开环波特图中交越频率(0dB)的相应变化。cT7ednc

消除电流尖峰

在使用回路补偿工具的情况下,一种解决方案是降低增益,直到输出阻抗表现得恒定或直到电流尖峰消失为止(4)。在本示例中,通过控制回路优化,增益从26dB降至12.5dB。结果,电压偏差或多或少呈现出对称性——负载曲线和负载释放曲线中的电流尖峰都消失了,而频率带宽范围则明显缩小(10至14kHz)。输出阻抗的变化也很小。简而言之,使用优化过程可以显著提高回路设计的鲁棒性和性能。cT7ednc

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4:降低回路增益,直到输出阻抗看起来恒定并且电流尖峰消失为止。cT7ednc

作为替代解决方案,可以根据不同的目标重新运行优化工具(5)。例如,使用相同的案例,可以将频率带宽目标从其原始值20kHz降低到15、10和5kHz。随后的分析(6)表明这种替代解决方案非常可靠,因为结果表明其参数分布很小。值得注意的是,正负电压偏差的形状几乎相同,并且负载电流没有尖峰。cT7ednc

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5:降低带宽目标,然后运行优化。cT7ednc

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6:优化后的负载电流和电压偏差都表现得更好。cT7ednc

重新设计方案

当然,第三种方案是使用相同的电路板面积,通过移动元件或最好使用更好的元件来重新设计滤波器,如7所示。在本示例中,大电感说明需要尝试不同的大容量电容分配方案——靠近电源模块占25%,靠近负载则占75%。cT7ednc

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7:另一种解决方案是通过将大容量电容移到靠近负载的位置来重新设计滤波器。cT7ednc

通过对重新设计的滤波器进行仿真(8)可知,其输出阻抗峰值几乎相等,并且,尽管负电压偏差变化不大,但正电压偏差获得显著改善。此外,其没有极高的带宽,结果看起来也鲁棒得多。cT7ednc

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8:具有相同BOM、不同电容布局的结果。cT7ednc

最新的电源系统设计软件,不仅可以对转换器进行配置,还具有许多其他优势。例如,设计人员和系统架构师在使用这类软件后,可以充分利用最新的数字电源技术来对其整个电源系统的效率进行跟踪或仿真。某些套件还使用户能够定义跨不同电源输出轨的关系,包括相移、上电时序和故障扩展。这样,用户就能更容易理解系统级的特性,从而有助于缩短产品上市时间。cT7ednc

最终,这类软件使设计人员可以自行进行方案设计,而不必再依靠电源模块供应商的专业知识。cT7ednc

注:本文中的图像是采用Flex Power Designer工具所得。cT7ednc

(本文授权编译自EDN美国版,原文参考链接:Control-loop optimization made easy for power-converter designers,由赵明灿编译)cT7ednc

本文为《电子技术设计》2021年2月刊杂志文章,版权所有,禁止转载。免费杂志订阅申请点击这里cT7ednc

(责编:赵明灿)cT7ednc

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