電源轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)人員可以輕松實(shí)現(xiàn)控制回路優(yōu)化

轉(zhuǎn)換器制造商別無選擇，只能依靠功率模塊專家的專業(yè)知識(shí)來設(shè)計(jì)濾波器、優(yōu)化控制回路并提供結(jié)果的日子已經(jīng)讓位于系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員可以使用免費(fèi)軟件來實(shí)現(xiàn)實(shí)現(xiàn)快速和簡(jiǎn)單的結(jié)果。嵌入在電力系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件中的環(huán)路補(bǔ)償工具已經(jīng)發(fā)展到可以在概念階段優(yōu)化電壓，這使工程師可以方便地嘗試不同的配置并重新運(yùn)行仿真，直到獲得最佳結(jié)果。那么，支撐這一進(jìn)步的工程原理是什么?

首先，值得指出的是，在電源轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出中添加電感-電容濾波器有多種用途。這些濾波器不僅降低了反射紋波電流和輸出噪聲，而且旨在滿足 EMC 輻射和敏感性規(guī)定。

現(xiàn)在可以使用環(huán)路補(bǔ)償軟件例程以簡(jiǎn)單的格式檢查設(shè)計(jì)并模擬這些指標(biāo)的結(jié)果，這意味著工程師可以通過事先評(píng)估任何問題和挑戰(zhàn)來更好地了解哪些電源模塊適合系統(tǒng)。指定良好的環(huán)路補(bǔ)償器可以在數(shù)分鐘內(nèi)直接在數(shù)字 Z 域中設(shè)計(jì)、仿真、分析和配置電源轉(zhuǎn)換器。

評(píng)估控制回路穩(wěn)定性

為了實(shí)現(xiàn)電壓/濾波器優(yōu)化，可以通過多種方式使用環(huán)路補(bǔ)償器工具。第一要?jiǎng)?wù)是尋找任何超出要求的電壓偏差，不僅僅是峰值，而是標(biāo)稱電壓周圍的整個(gè)區(qū)域。需要注意的是，環(huán)路優(yōu)化例程最適合設(shè)計(jì)良好的外部去耦濾波器，即電源模塊和負(fù)載之間距離較短的濾波器(越近越好，但肯定在 10 厘米以內(nèi))。15 mΩ 或更小的低 ESR(等效串聯(lián)電阻)電容器也有利于實(shí)現(xiàn)優(yōu)化的控制回路。

另一種選擇是并聯(lián)使用較小的電容器(相同類型和時(shí)間常數(shù))，這將有助于降低 ESR。在控制理論方面，沒有什么比模型的準(zhǔn)確性更好的了。因此，必須使用正確的 ESR 值，以及正確估計(jì)由電源模塊和負(fù)載之間的走線引起的寄生電感，從而更好地預(yù)測(cè)負(fù)載瞬態(tài)期間的電壓偏差和設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性。

數(shù)字控制技術(shù)的影響

在功率轉(zhuǎn)換器中，數(shù)字控制技術(shù)的引入，導(dǎo)致許多用戶難以設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂苹芈费a(bǔ)償。一種常見的方法是使用傳統(tǒng)的模擬工具來確定一個(gè)解決方案，然后將該解決方案轉(zhuǎn)換為數(shù)字z域。然而，這種策略可能會(huì)很耗時(shí)，而且經(jīng)常會(huì)產(chǎn)生一個(gè)非最優(yōu)的解決方案。這是推動(dòng)對(duì)有效、可靠的電壓優(yōu)化技術(shù)的需求的原因之一。

其他因素取決于設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)展的內(nèi)在方式。不幸的是，電源通常是事后才想到的，許多設(shè)計(jì)工程師將此功能添加到電路板的角落或項(xiàng)目接近尾聲時(shí)留下的任何區(qū)域。結(jié)果是電源模塊沒有靠近負(fù)載，有可能采取關(guān)鍵措施來展示不良行為。此外，由于預(yù)算限制，許多設(shè)計(jì)人員會(huì)選擇例如 45 mΩ 的電容器，而不是 15 mΩ 的電容器，后者的成本大約是其兩倍。

確定在環(huán)路補(bǔ)償工具的輸出濾波器部分中包含哪些電容器的最簡(jiǎn)單方法是根據(jù)每種類型的總電容和最長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)來計(jì)算和排序它們。

這個(gè)過程將揭示兩種電容器類型，即具有最大總電容和最長(zhǎng)時(shí)間常數(shù)的電容器。其他電容器的時(shí)間常數(shù)通常很小，不會(huì)干擾控制回路，或者可以使用余量來處理額外的組件/模型不確定性。

實(shí)現(xiàn)有效的模擬

在所有情況下，通過有效仿真來優(yōu)化電壓是至關(guān)重要的。以靠近負(fù)載的 ESR 為 45 mΩ 和大約 20 nH 的顯著電感(模塊和負(fù)載之間)的濾波器設(shè)計(jì)為例。在這里，可以應(yīng)用環(huán)路補(bǔ)償來指示關(guān)注的區(qū)域。例如，在這種情況下僅 1 毫秒后，負(fù)載釋放時(shí)就會(huì)出現(xiàn)明顯的巨大偏差。

顯然，接近負(fù)載的 20 nH 電感和大 ESR 會(huì)產(chǎn)生激進(jìn)的控制環(huán)路，而另一個(gè)問題是頻率帶寬范圍，因?yàn)樗鼤?huì)從標(biāo)稱 14 kHz 擴(kuò)展到最大 128 kHz。此特定仿真的目標(biāo)設(shè)置為 20 kHz，因此很明顯，組件變化使控制回路變得高度敏感。查看輸出阻抗曲線也突出了這個(gè)問題 - 高頻下的高阻抗會(huì)導(dǎo)致大的電壓偏差，進(jìn)而導(dǎo)致大電流。

消除電流尖峰

使用環(huán)路補(bǔ)償工具，一種解決方案是降低增益，直到輸出阻抗保持恒定，或者直到電流尖峰消失。在本例中，通過控制環(huán)路優(yōu)化，增益從 26 分貝降低到 12.5 分貝。結(jié)果，電壓偏差看起來或多或少是對(duì)稱的——電流尖峰在負(fù)載和負(fù)載釋放圖中都消失了，而頻率帶寬范圍則顯著變窄(10 到 14 kHz)。輸出阻抗的變化也非常小。簡(jiǎn)而言之，應(yīng)用優(yōu)化過程意味著可以顯著提高環(huán)路設(shè)計(jì)的穩(wěn)健性和性能。

并且電流尖峰消失。來源：Flex 電源模塊

作為替代解決方案，優(yōu)化工具可以針對(duì)不同的目標(biāo)重新運(yùn)行。例如，使用相同的案例示例，頻率帶寬目標(biāo)從其原始值 20 降低到 15、10 和 5 kHz。

隨后的分析表明這是一個(gè)穩(wěn)健的替代方案，因?yàn)閰?shù)分布證明很小。值得注意的是，正負(fù)電壓偏差的形狀幾乎相同，負(fù)載電流沒有尖峰。

重新設(shè)計(jì)選項(xiàng)

當(dāng)然，第三種選擇是使用相同的不動(dòng)產(chǎn)區(qū)域重新設(shè)計(jì)濾波器，方法是移動(dòng)組件，或者最好使用更好的組件。在本案例中，高電感指向嘗試不同的大容量電容器策略——功率模塊為 25%，負(fù)載附近為 75%。

重新設(shè)計(jì)仿真的觀察結(jié)果表明，輸出阻抗峰值幾乎相等，雖然負(fù)電壓偏差沒有太大變化，但正電壓偏差顯著改善。此外，沒有極端帶寬，結(jié)果看起來更加穩(wěn)健。

采用最新的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件除了轉(zhuǎn)換器配置之外還有很多好處。例如，此類軟件使設(shè)計(jì)人員和系統(tǒng)架構(gòu)師能夠跟蹤或模擬整個(gè)電源系統(tǒng)的效率，充分利用最新的數(shù)字電源技術(shù)。某些套件允許用戶定義跨電源軌的關(guān)系，例如，包括相位擴(kuò)展、排序和故障擴(kuò)展。因此，更容易理解系統(tǒng)級(jí)別的行為，這有助于縮短上市時(shí)間。

最終，這種類型的軟件允許設(shè)計(jì)人員自己進(jìn)行調(diào)查，而不必依賴電源模塊供應(yīng)商的專業(yè)知識(shí)。