非常见问题第193期:优化电源转换器控制回路的三种方案

问题:

选择电源转换器的外部元件有什么简单办法吗?

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答案:

存在三种可能性。

几乎每个电源都有一个控制回路,以确保输出电压为恒定值。电源设计旨在优化控制回路,以便在输入电压或负载瞬变出现波动时,最大限度地减少控制输出电压与设定值之间的偏差。这里的一个重要关系是输出电容的大小与开关稳压器IC的响应速度的关系。如果回路响应特别快,则可以使用较小的输出电容,同时将输出电压保持在允许范围内。因此,优化开关稳压器的响应速度可降低系统成本并减少电路的空间需求,因为可以使用较小的输出电容。

大多数开关稳压器IC都有一个补偿引脚,通常称为ITH或VC,用于控制回路调整。通过巧妙选择电容和电阻,可在控制回路的转换功能中增加极点和零点,以确保最优动态性能和较高控制回路稳定性。但是,如何选择这些补偿元件?

对此有三种方法可以使用。

1)使用数据手册中的数据手动计算:

第一种方法是使用开关稳压器IC的数据手册中的计算公式。考虑一个选定的功率级,提出了稳定化概念。图1显示了 LTC3311 IC及相应的ITH引脚和适当的补偿元件。

Figure 1. An LTC3311 switching regulator IC with an ITH pin for adjustment of control loop speed and stability.
图1.LTC3311开关稳压器IC有一个ITH引脚用于调整控制回路速度和稳定性
Figure 2. LTpowerCAD for selection of the compensation components and for optimization of the control loop.
图2.使用LTPowerCAD选择补偿元件和优化控制回路

2)使用设计工具:

找到合适的转换函数设置的第二种方法是使用LTPowerCAD®等设计工具来计算外部元件。该方法提供了对控制回路响应的额外洞察。图2显示了LTPowerCAD用户界面,控制回路以波特图的形式表示,另外还显示了时域中输出电压对负载瞬变的响应。ITH设置值可以方便地改变,利用这种方法可以找到最优设置。

歌德说过:"所有理论都是灰色的。"在实践中,从开发转到批量生产之前,还应考虑并检查寄生元件。已选择的补偿元件连接到ITH引脚,执行负载瞬态测试以检查VOUT的电压变化是否在允许范围内,电压转换器是否稳定地工作。

此硬件测试仅检查一个用于补偿的设置选项。但是,可以利用稍微修改的值优化该设置。为此,必须在硬件上完成所有焊接工作,因为必须将外部元件更改为新值以查找最优补偿元件组合。

Figure 3. Optimization of the compensation components with an LB013A board from Analog Devices.
图3.利用ADI公司的LB013A板优化补偿元件

3)优雅的方法——使用预配置的RC网络:

图3显示了第三种解决问题的方法——使用预配置的RC网络,这种方法很优雅。ADI公司的 LB013A 板是一个小型电路板,其上实现了简单的可切换和可调整RC网络。总电容和电阻值可以通过驱动小型开关和旋转电位计来改变。无需费力地焊接补偿模块,补偿设置可以在负载瞬态测试期间实时优化。LB013A之类的电路板很容易制造,但也可以从ADI公司购买。

利用这三种优化开关稳压器补偿的方法,可以补偿任何电源。

作者

Frederik Dostal

Frederik Dostal

Frederik Dostal是一名拥有20多年行业经验的电源管理专家。他曾就读于德国埃尔兰根大学微电子学专业并于2001年加入National Semiconductor公司,担任现场应用工程师,帮助客户在项目中实施电源管理解决方案,积累了丰富的经验。在此期间,他还在美国亚利桑那州凤凰城工作了4年,担任应用工程师,负责开关模式电源产品。他于2009年加入ADI公司,先后担任多个产品线和欧洲技术支持职位,具备广泛的设计和应用知识,目前担任电源管理专家。Frederik在ADI的德国慕尼黑分公司工作。