優化電源轉換器控制迴路的三種方案

作者:ADI現場應用工程師Frederik Dostal


問題:

選擇電源轉換器的外部元件有什麼簡單辦法嗎?

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答案:

存在三種可能性。

幾乎每個電源都有一個控制迴路,以確保輸出電壓為恆定值。電源設計目的在於優化控制迴路,以便在輸入電壓或負載瞬變出現波動時,大幅地減少控制輸出電壓與設定值之間的偏差。這裡的一個重要關係是輸出電容的大小與開關穩壓器IC的回應速度的關係。如果迴路回應特別快,則可以使用較小的輸出電容,同時將輸出電壓保持在允許範圍內。因此,優化開關穩壓器的回應速度可降低系統成本並減少電路的空間需求,因為可以使用較小的輸出電容。

大多數開關穩壓器IC都有一個補償接腳,通常稱為ITH或VC,用於控制迴路調整。透過巧妙選擇電容和電阻,可在控制迴路的轉換功能中增加極點和零點,以確保最優動態性能和較高控制迴路穩定性。但是,如何選擇這些補償元件?

對此有三種方法可以使用。

使用資料手冊中的數據手動計算:

第一種方法是使用開關穩壓器IC的資料產品手冊中的計算公式。考慮一個選定的功率級,提出了穩定化概念。圖1顯示了 LTC3311 IC及相應的ITH接腳和適當的補償元件。

Figure 1. An LTC3311 switching regulator IC with an ITH pin for adjustment of control loop speed and stability.
圖1.LTC3311開關穩壓器IC有一個ITH接腳用於調整控制迴路速度和穩定性
Figure 2. LTpowerCAD for selection of the compensation components and for optimization of the control loop.
圖2.使用LTPowerCAD選擇補償元件和優化控制迴路

使用設計工具:

要找到合適的轉換函數設定,第二種方法是使用LTPowerCAD®等設計工具來計算外部元件。該方法提供了對控制迴路回應的額外洞察。圖2顯示了LTPowerCAD使用者介面,控制迴路以波特圖的形式表示,另外還顯示了時域中輸出電壓對負載瞬變的回應。ITH設定值可以方便地改變,利用這種方法可以找到最佳設定。

歌德說過:「所有理論都是灰色的。」在實踐中,從開發轉到批量生產之前,並應考慮並檢查寄生元件。已選擇的補償元件連接到ITH接腳,執行負載瞬態測試以檢查VOUT的電壓變化是否在允許範圍內,電壓轉換器是否穩定地工作。

此硬體測試僅檢查一個用於補償的設定選項。但是,可以利用稍微修改的值優化該設定。為此,必須在硬體上完成所有焊接工作,因為必須將外部元件更改為新值以查找最適補償元件組合。

Figure 3. Optimization of the compensation components with an LB013A board from Analog Devices.
圖3.利用ADI的LB013A板優化補償元件

優雅的方法——使用預配置的RC網路:

圖3顯示了第三種解決問題的方法——使用預配置的RC網路,這種方法很優雅。ADI的 LB013A 板是一個小型電路板,它實現了簡單的可切換和可調整RC網路。總電容和電阻值可以透過驅動小型開關和旋轉電位計來改變。無需費力地焊接補償模組,補償設定可以在負載瞬態測試期間即時優化。LB013A之類的電路板很容易製造,但也可以從ADI購買。

利用這三種優化開關穩壓器補償的方法,可以補償任何電源。