A hurok kompenzációjának modellezése és tervezése a kapcsoló tápegységekben - 2. rész magazin
A 2015. október 731-es számmal megjelent cikk 1. részének folytatása a 96–101. Oldalon.
Az új teljesítményfokozat modellezése áram zárt hurkokkal
A 19. ábra a belső áramkörrel rendelkező buck konverter teljesítményfokozatának egyszerűsített 1. rendű modelljét mutatja, amely az induktort egyszerűen áramforrásként kezeli, amelyet az erősítő ITH érintkezőjének uC feszültsége vezérel. Hasonló megközelítés alkalmazható más topológiákra is, induktív áram mód vezérléssel. Milyen jó ez az egyszerű modell?
A 20. ábra összehasonlítja a GCV (s) = vOUT/vC átviteli függvényeket az 1. rendű modell és egy bonyolultabb, de pontosabb modell között. Ez megfelel egy 500 kHz kapcsolási frekvenciával működő áramüzemmód-átalakítónak. Ebben a példában az 1. rendű modell 10 kHz-ig pontos,
Az fSW kapcsolási frekvencia 1/50. Ezen érték felett az 1. rendű modell fázisdiagramja már nem pontos. Tehát ez az egyszerűsített modell csak alacsony sávszélességű kialakításra jó.
Valójában meglehetősen nehéz pontos kis jelmodellt kifejleszteni a jelenlegi frekvenciaváltók számára a teljes frekvenciatartományban. R. Ridley jelenlegi üzemmód modelljét [3] használják a tápegység-gyártók a legszélesebb körben a csúcsáram és a völgyáram üzemmód vezérléséhez. A közelmúltban Jian Li kifejlesztett egy intuitívabb áramköri modellt [4] az árammód vezérléséhez, amely más árammódvezérlési módszerekhez is használható. Ennek megkönnyítése érdekében az LTpowerCAD tervezőeszköz beépíti ezeket a precíz modelleket, így még egy kevés tapasztalattal rendelkező felhasználó is könnyedén megtervezheti az aktuális üzemmódú tápegységet a Ridley vagy a Jian Li modellek sok ismerete nélkül.
Az árammód átalakító hurok kompenzációjának kialakítása
A 16. és 21. ábrán a zártáramú hurok teljesítményfokozatának Gcv-értékét az energiafokozat összetevőinek kiválasztásával határozzuk meg, amelyeket elsősorban az egyenáramú specifikációk/az áramellátás teljesítménye alapján választunk meg.
A külső feszültség hurok T (s) = GCV (s) A (s) KREF (s) erősítését tehát a Kref (s) feszültség-visszacsatolási fokozat és az A (s) kompenzációs fokozat határozza meg. Ennek a két szakasznak a kialakítása nagyrészt megalapozza a forrás stabilitását és reakcióját a tranziensekre.
Általában a zárt hurok T (s) teljesítményét két fontos értékkel értékelik: a hurok sávszélességével és a hurok stabilitási margójával. A hurok sávszélességét az fC vágási frekvencia segítségével kvantáljuk, amelynél a hurokerősítés T (s) egyenlő egy (0dB). A hurok stabilitási margóját általában ez a fázistartó vagy nyereségmérték határozza meg.
Az fm hurok fázistartománya a teljes T (s) fázis késés és –180 ° közötti különbségként van meghatározva a vágási frekvencián. A stabilitás biztosításához általában 45 fokos vagy 60 fokos minimális fázistartásra van szükség. Áramáram-vezérlés esetén az áramkör kapcsolási zajának csillapítására a hurokerősítési margót a ½ · fSW-n mért csillapításként határozzuk meg. Általánosságban elmondható, hogy minimum 8dB (–8dB hurokerősítés) csillapítása szükséges 1/2 fSW mellett.
A kívánt határérték kiválasztása az f feszültségkörben
A nagyobb sávszélesség elősegíti a tranziensekre adott gyors reagálást. A sávszélesség növelése azonban általában csökkenti a stabilitás margóját, és érzékenyebbé teszi a vezérlőhurkot a kapcsolási zajra.
Az optimális kialakítás általában jó egyensúlyt teremt a sávszélesség (tranziens válasz) és a stabilitási határ között. Valójában az aktuális üzemmód-vezérlés egy kettős pólusú wn-párat is bevezet, mivel az áramjel mintavételi hatása 1/2 fSW esetén [3].
Ezek a kettős pólusok a nem kívánt fáziskésleltetést ½ · fSW nagyságrendben vezetik be. Általában az elegendő fázistartó és a tábla zajcsillapításának eléréséhez az fSW fáziskapcsolási frekvencia 1/10–1/6-nál kisebb határértéket választanak.
Kref (s) visszacsatoló elválasztó hálózat tervezése R1, R2, C1 és C2-vel
A 16. ábrán a Kref (ek) DC erősítése KREF a belső referenciafeszültség VREF és a kívánt DC kimeneti Vo feszültség kapcsolata. Az R1 és R2 ellenállások a kívánt kimeneti egyenfeszültség beállítására szolgálnak.
A C2 kondenzátor opcionálisan hozzáadható a visszacsatolási hurok dinamikus válaszának javítása érdekében. Fogalmilag nagy frekvencián a C2 alacsony impedanciájú energiautat biztosít az AC jel számára a kimeneti feszültségtől, és így egyszerűsíti a tranziens válaszokat. De a C2 nem kívánt kapcsolási zajt is adhat a vezérlőhurokhoz. Ezért adott esetben C1 szűrőkondenzátor is beépíthető a kapcsolási zaj csillapítására. Amint azt a 11. egyenlet kifejezi, a KREF (ek) C1 és C2 ellenállású osztóinak átviteli függvényének egy nulla és egy pólusa van. A 22. ábra a KREF (ek) bode diagramját mutatja.
Az fz_ref> C1 tervezésénél.
Amint jeleztük, a jREF_max maximális fázisemelkedést az osztó KREF = VREF/VO aránya határozza meg. Mivel a VREF egy adott vezérlőhöz rögzített, a legnagyobb fázisnövekedést a VO kimeneti feszültség nagyobb növekedésével lehet elérni.
A jREF, C1 és C2 kiválasztása egyensúlyt teremt a kívánt fázisnövekedés és a nem kívánt nagyfrekvenciás erősítés között. A teljes hurokerősítést később ellenőrizni kell az értékek optimalizálása érdekében.
II. Típusú kompenzációs hálózat kialakítása ITH hibaerősítővel a feszültség körben
Az ITH eltolás (ok) a hurok kompenzáció tervezésének legfontosabb eleme, mivel meghatározza az egyenáram erősítést, a határfrekvenciát (sávszélességet) és a feszültség hurok fázis/erősítés margóit. Az áramforrás kimenetére, a gvezetési erősítőre, annak A (s) átviteli függvényét a 18. egyenlet adja meg:
ahol gm a transzvezetési hiba erősítő erősítése. A Zith (s) a kompenzációs hálózat impedanciája az erősítő kimenetének ITH tűjén.
A 21. ábra vezérlő blokkdiagramjából a feszültséghurok szabályozási hibája az alábbiak szerint számszerűsíthető: