控制迴路最佳化讓電源轉換器設計更輕鬆

作者 : Magnus Karlsson,偉創力(Flex)電源模組資深訊號處理專家

以往,轉換器製造商除了依靠電源模組專家的專業知識來設計濾波器,最佳化控制迴路,然後得到結果以外,別無其他選擇。現在,這個時代已經一去不復返,系統設計人員現在可以使用免費軟體來快速、容易地得到結果…

以往,轉換器製造商除了依靠電源模組專家的專業知識來設計濾波器,最佳化控制迴路,然後得到結果以外,別無其他選擇。現在,這個時代已經一去不復返,系統設計人員現在可以使用免費軟體來快速、容易地得到結果。電源系統設計軟體中嵌入的迴路補償工具已經得到發展,工程師在概念階段可以利用它來最佳化電壓,這樣就可以方便地嘗試不同的配置,然後重新執行模擬,直到獲得最佳結果。那麼,推動這一進步的工程原理是什麼?

首先,值得指出的是,在電源轉換器的輸入和輸出上增加電感電容(inductor-capacitor)濾波器有許多目的。這類濾波器不僅可以減少反射波紋電流和輸出雜訊,而且可以滿足電磁相容(EMC)輻射和抗擾性法規的要求。

現在,可以使用迴路補償軟體常式以簡單的格式來對設計進行檢查,並對這些指標的結果進行模擬。也就是說,工程師可以透過事先評估任何問題和挑戰,更好地瞭解哪些電源模組適合系統所需。規格齊全的迴路補償軟體,可以在數分鐘內直接在數位Z域對電源轉換器進行設計、模擬、分析和配置。

評估控制迴路的穩定性

為了實現電壓/濾波器的最佳化,可以採用多種方式使用迴路補償軟體工具。要優先考慮的是尋找超出要求的任何電壓偏差——不僅是峰值,還包括標稱電壓附近的整個區域。需要注意的是,迴路最佳化常式對設計良好的外部去耦濾波器——即電源模組與負載之間距離較短(越近越好,但必須在10cm內)的濾波器——來說最有效。15mΩ或更低等效串聯電阻(ESR)電容在實現最佳化控制迴路方面也非常有用。

另一種方案是並聯使用多個較小的電容(具有相同的類型和時間常數),以降低ESR。以控制理論來說,沒有什麼比模型的精準度更好,因此,有必要使用正確的ESR值,以及使用寄生電感(由電源模組和負載之間走線所引起)的正確估計值,這反過來又將在負載瞬變期間提供更好的電壓偏差預測,以及設計的強健性。

位控制技術的影響

電源轉換器中導入數位控制技術,使許多用戶在設計適當的控制迴路補償時遇到了困難。一種常見的方法是使用傳統的類比工具來確定解決方案,然後將該解決方案轉換到數位Z域。但是,這種方法可能很耗時,而且得到的往往不是最佳解決方案。

這成為了推動有效、可靠電壓最佳化技術發展的原因之一。其他因素則取決於設計專案進展的既有方式。不幸的是,電源通常是設計最後階段才進行考慮,此時許多設計工程師才將這個功能添加到電路板的角落或任何剩餘區域。其結果是電源模組無法靠近負載放置,這就存在關鍵指標出現性能不良的風險。此外,由於預算限制,許多設計人員會選擇例如ESR值45mΩ的電容,而不是15mΩ的電容,後者的成本大約是前者的兩倍。

要確定迴路補償工具的輸出濾波器部分包括哪些電容,最簡單方法是,依每種類型的總電容和最長的時間常數來對它們進行計算和分類(圖1)。這個過程將展示兩種待包含的電容類型,即那些總電容值最大和時間常數最長的電容。其他電容的時間常數通常很小,以至於它們不會對控制迴路造成干擾,或者可以針對額外的元件/模型不確定性增設餘量來予以處理。

圖1 根據初始輸出濾波器配置對濾波電容和走線電感值(包括相關的ESR值)進行詳細建模。(資料來源:Flex Power Designer工具)

實現有效的模擬

在所有情況下,有必要透過有效模擬來對電壓進行最佳化。以一個濾波器設計為例,它靠近負載處的ESR值為45mΩ,並具有大約20nH的大電感(模組和負載間)。 在此,可以使用迴路補償來指示所關心的區域,例如,圖2所示的示例中,去載後電壓會出現巨大的偏差。顯然,靠近負載處20nH電感和較大的ESR值會形成一個激進的控制迴路,而另一個問題是頻率頻寬範圍,因為它會從14kHz的標稱值擴展到128kHz的最大值。這個特定模擬的目標設置為20kHz,因此很明顯,元件的容差會使控制迴路變得非常敏感,圖3所示的輸出阻抗曲線也凸顯了這個問題——高頻下的高阻抗會導致較大的電壓偏差,進而導致大電流。

圖2 在有20nH電感,以及較大ESR靠近負載的情況下,由於激進的控制迴路,去載時電壓的偏差非常明顯。(資料來源:Flex Power Designer工具)

圖3 開迴路波特圖中交越頻率(0dB)的相應變化。(資料來源:Flex Power Designer工具)

消除電流尖峰

在使用迴路補償工具的情況下,一種解決方案是降低增益,直到輸出阻抗表現得恆定或直到電流尖峰消失為止(圖4)。在本示例中,透過控制迴路最佳化,增益從26dB降至12.5dB。結果,電壓偏差或多或少呈現出對稱性——負載曲線和負載釋放曲線中的電流尖峰都消失了,而頻率頻寬範圍則明顯縮小(10~14kHz),輸出阻抗的變化也很小。簡而言之,使用最佳化過程可以顯著提高迴路設計的強健性和性能。

圖4 降低迴路增益,直到輸出阻抗看起來恆定並且電流尖峰消失為止。(資料來源:Flex Power Designer工具)

作為替代解決方案,可以根據不同的目標重新執行最佳化工具(圖5)。例如,使用相同的案例,可以將頻率頻寬目標從其原始值20kHz降低到15、10和5kHz。隨後的分析(圖6)說明這種替代解決方案非常可靠,因為結果顯示其參數分佈很小。值得注意的是,正負電壓偏差的形狀幾乎相同,並且負載電流沒有尖峰。

圖5 降低頻寬目標,並進行最佳化。(資料來源:Flex Power Designer工具)

圖6 最佳化後的負載電流和電壓偏差都表現得更好。(資料來源:Flex Power Designer工具)

重新設計方案

當然,第三種方案是使用相同的電路板面積,透過移動元件或最好使用更好的元件來重新設計濾波器,如圖7所示。在本例中,大電感說明需嘗試不同的大容量電容分配方案——靠近電源模組佔25%,靠近負載則佔75%。

圖7 另一種解決方案是透過將大容量電容移到靠近負載的位置來重新設計濾波器。(資料來源:Flex Power Designer工具)

透過對重新設計的濾波器進行模擬(圖8)可知,其輸出阻抗峰值幾乎相等,且儘管負電壓偏差變化不大,但正電壓偏差獲得顯著改善。

圖8 具有相同BOM及不同電容佈局的結果。(資料來源:Flex Power Designer工具)

最新的電源系統設計軟體,不僅可以對轉換器進行配置,還具有許多其他優勢。例如,設計人員和系統架構師在使用這類軟體後,可以充分利用最新的數位電源技術來對其整個電源系統的效率進行追蹤或模擬。某些套件還使用戶能夠定義跨不同電源輸出軌的關係,包括相移、上電時序和故障擴展。如此,使用者就能更容易理解系統級的特性,從而有助縮短產品上市時間。

(參考原文:Control-loop optimization made easy for power-converter designers,by Magnus Karlsson)

本文同步刊登於EDN Taiwan 2021年2月號雜誌

 

 

 

 

 

 

 

 

 

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