自動工具改進開關穩(wěn)壓器的響應頻率

作者：德州儀器 (TI)工程師Wanda Garret

對于電源設計經(jīng)驗不足的系統(tǒng)設計人員來說，開關穩(wěn)壓器穩(wěn)定性這一話題也許看上去 讓人有些望而怯步。其實，確保穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性的最簡單方法就是使用一款具有內在穩(wěn)定性的轉換器，比如說遲滯型轉換器。然而，由于它們不斷變化的開關頻率， 會導致與開關噪聲過濾相關的其它問題。另外一個選擇就是內部補償穩(wěn)壓器。這種類型的穩(wěn)壓器適用于很多設計，不過通常情況下不支持比6A高太多的負載電流， 對于降壓穩(wěn)壓器來說也是如此。當需要更加精密的電源時，就需要具有外部補償?shù)姆€(wěn)壓器了。

幸運的是，諸如TI的WEBENCH Power Designer^[1]的設計工具包括補償組件的選型。還有幾款工具包含一些有助于對穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性進行評估的信息，像估算出的相位裕量，和/或者顯示波特圖的電氣仿真，和/或者瞬態(tài)響應。

不 過，如果必須更換關鍵電路圖組件的話，該怎么辦呢？補償變化如何匹配呢？此外，不同設計工具對這些問題的處理是不同的。WEBENCH電源設計工具包括一 個可以輕松更新補償?shù)娜卵a償設計選項，這個功能甚至可以實現(xiàn)更快的響應或更好的相位裕量。這篇文章將提供一個設計示例，為您演示如何使用補償設計工具， 以及獲得所需瞬態(tài)響應和穩(wěn)定性的不同選項。

在我們的示例中，我們用WEBENCH電源設計工具創(chuàng)建一個具有LM21215A-1^[2]的電源設計。輸入電壓為3V至5V，12A電流時的輸出電壓為1V。設計完成時，在33.1kHz的交叉頻率上顯示出相位裕量為45.1°的運行值。45°周圍的相位裕量還不錯，表明快速響應與瞬態(tài)響應內最小過沖的均衡（圖1和2）。


圖1.具有由Cc1、Rc1和Cc2組成的外部補償網(wǎng)絡的降壓開關穩(wěn)壓器。


圖2.圖1中開關穩(wěn)壓器的頻率響應 (a) 和同一開關穩(wěn)壓器的負載瞬態(tài)響應 (b)。

替換關鍵組件會損壞穩(wěn)壓器穩(wěn)定性

我 們有時必須替換那些會影響頻率響應的組件。而其原因往往是在數(shù)個設計中需要使用特定組件，這樣可以簡化存貨清單。如果我們將電感器的建議值從560nH更 改為1.2μH（仍然處于這款設計的建議范圍內），相位裕量大約減少了37°。這個值低于我們45°的目標值。瞬態(tài)響應顯示出，輸出電壓的振鈴增加了很 多，這表示穩(wěn)定性下降（圖3）。


圖 3.圖.1中電路的頻率響應。(a) 使用最初的560nH電感器（綠色增益曲線，橙色相位曲線），以及采用1.2μH電感器的頻率響應（紅色增益曲線，藍色相位曲線）。針對同樣兩款設計變化 的負載瞬態(tài)響應 (b) 在使用1.2μH電感器的情況下穩(wěn)定性較低。使用最初560μH電感器的輸出電壓為綠色跡線；采用1.2μH電感器時的輸出電壓為紅色跡線；12A至 1.2A至12A負載階躍為藍色跡線。

提升穩(wěn)壓器穩(wěn)定性

那么，我們如何提升相位裕量和穩(wěn)定性呢？我們有幾個可能的方法：

單獨地更改補償網(wǎng)絡或其它主要組件，并測試結果；

使用WEBENCH Compensation Designer，以特定的相位裕量為目標；

使用WEBENCH Compensation Designer，直接改變頻率響應的極點/零點；

使用WEBENCH Compensation Designer，更改補償組件，并在將它們應用于設計之前測試結果。

WEBENCH Compensation Designer是一款WEBENCH Power Designer內的全新工具。它大為簡化了穩(wěn)壓器頻率響應的調節(jié)，快速測試可能變化的結果，以找到一款好的解決方案。

由于第一個方法太耗時，我們將不使用這種方法。我們查看一下其它三種方法的結果。

1）以特定的相位增益為目標。

在WEBENCH設計中，我們單擊Re-Comp按鈕來打開Compensation Designer。在最開始顯示的是最初的設計性能（圖4的左半部分），相位裕量為36.8°。建議的目標相位裕量為47°，目標交叉頻率為50kHz。這兩個值都是比較不錯的目標值。

我 們將Optimization Tuning（優(yōu)化調諧）轉動至“Robustness（穩(wěn)健耐用）”，以強調頻率響應時的相位裕量。下一步單擊“Auto Compensate（自動補償）”?，F(xiàn)在得到的相位裕量為47°，交叉頻率為49kHz（圖4的右半部分）。這就與我們的目標值相吻合了！然后，我們單 擊“Apply Changes to Design（應用變更）。”檢查波特圖和瞬態(tài)響應仿真，確認目前的穩(wěn)定性是否良好（圖5）。


圖4. WEBENCH Compensation Designer能夠使用戶檢查現(xiàn)在的補償和穩(wěn)定性，并且將補償設計調整到新的目標值上。在使用圖1中的設計，以及更大的1.2μH電感器時，缺省目標值 和范圍 (a) 旁邊顯示的綠色字體是頻率響應匯總，以及補償組件。此時將Optimization Tuning向“Robustness”移動，單擊“Apply changes to design.”按鈕。(b) 中的綠色字體顯示的是已更新的頻率響應匯總，以及補償組件值。


圖5. (a) 是根據(jù)圖1，使用1.2μH電感器時的電路頻率響應，采用最初補償值（綠色增益曲線、橙色相位曲線），以及改進補償值（紅色增益曲線、藍色增益曲線）時的 情況。針對同樣兩個設計變化的負載瞬態(tài)響應，(b) 顯示的是使用全新補償值時的更佳穩(wěn)定性。使用最初補償值時的輸出電壓為綠色跡線；使用更新補償值時的輸出電壓為紅色跡線；12A至1.2A至12A的負載 階躍為藍色跡線。

2）改變頻率響應極點與零點。

選項2是一項更加具有挑戰(zhàn)性的技術，并且需要用到某些控制原理專業(yè)知識。 打開Compensation Designer，我們選擇Manual（手動）標簽頁（不是Auto標簽頁），并單擊“Edit Poles/zeros（編輯極點/零點）”按鈕。圖6中顯示的是頻率響應中極點和零點的頻率值。

通過將零點頻率更改為更加靠近電感器和 輸出電容器所生成的雙極點 (1/2?*sqrt(L*Cout))，我們可以改進相位裕量。在這個情況下，雙極點的頻率大約為8kHz。如果我們將零點1的目標頻率設定為 4kHz（8kHz的一半），而將零點2的目標頻率設定為8kHz，得到的相位裕量為49°，而此時的交叉頻率大約為59kHz。這兩個值大大地好于之前 的37°和20kHz的相位裕量和交叉頻率值（圖7）。



圖6. (a) 中，在使用1.2μH電感器時的示例設計中，計算得出的極點與零點用綠色字體顯示。(b) 中，將零點1的目標值改為4kHz，零點2的目標值改為8kHz之后，計算得出的極點和零點。


圖7. 更改零點1和零點2的目標頻率之前（灰線，標記A）和之后（綠線，標記B）繪制的波特圖。

在零點已經(jīng)被更改后，我們會發(fā)現(xiàn)相位裕量值被大大改進，從37°增加為49°。交叉頻率也從35kHz增加到60kHz。還有其它能夠在較高交叉頻率下實現(xiàn)良好相位裕量的技術，比如說那些自動重新補償所使用的技術，不過這些技術不在這篇文章的討論范圍之內！

3）更改補償組件。

外部補償組件決定了我們在選項2中討論過的極點和零點。在我們的示例使用LM21215A-1器件時（圖8），數(shù)據(jù)表中給出了與它們之間關系有關的方程式和信息（方程式1）。


圖8.顯示補償組件Rc1、Rc2、Cc1、Cc2和Cc3的LM21215A-1設計電路原理圖部分。

如果某些值與我們庫存中的器件值不匹配的話，我們也許想單獨調整補償組件。或者，我們也許想試著改進頻率響應。

以 第一個情況為例，在運轉示例中使用我們最初使用的570nH電感器，我們可以看到Rc2的電阻值為806Ω。如果電阻值差最接近1%的庫存電阻器為 750Ω，那么相位裕量從45°減少到大約44°，并且交叉頻率叢33kHz減少到30kHz（圖9）。我們需要決定這個更改是否影響過大，會不會有問 題。



圖9. 補償組件的起始值顯示在左上角的方框中，得出的頻率響應值顯示在設計運行值方框的下方 (a)。Rc2的電阻值從806W變?yōu)?50W后的結果顯示在右下角的設計運行值方框內 (b)。需要注意的是，Cc3自動改變?yōu)?nF，部分抵消了Rc2的變化結果。

另外一個管理補償組件值的方法是返回到Compensation Designer的“Auto”標簽頁。這是一個設置組件值范圍的地方。我們可以調節(jié)任一組件的范圍（圖10）。



圖10. WEBENCH Compensation Designer使得用戶能夠限制補償組件所使用的值的范圍。

結論

當需要檢查、調整或優(yōu)化電源設計的補償時，WEBENCH Compensation Designer等工具為你提供你所需要的或多或少的自動化指南。