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－如果不能使用FRA，則可以通過仿真來處理。
現(xiàn)在，我想實(shí)際進(jìn)行DC/DC轉(zhuǎn)換器的頻率特性仿真并將DC/DC轉(zhuǎn)換器的頻率特性仿真結(jié)果與DC/DC轉(zhuǎn)換器的頻率特性實(shí)測值進(jìn)行比較，在此之前，請?jiān)试S我先給出一些前提條件和理論。這樣在看波形時(shí)會更容易理解。
首先，用于驗(yàn)證的電源IC使用具有代表性的二極管整流DCDC轉(zhuǎn)換器BD90640EFJ。下面是標(biāo)準(zhǔn)的電路配置、內(nèi)部框圖及產(chǎn)品特點(diǎn)。
主要特點(diǎn)
?最大輸入電壓：42V
?輸入電壓范圍：3.5～36V
?輸出電流：4A（內(nèi)置Pch MOSFET）
?開關(guān)頻率：50k～600kHz、
±10%精度
?待機(jī)電流低：0μA
?輸出電壓可調(diào)
?參考電壓精度：0.8V±2%
?占空比可達(dá)100%
?具有過電流保護(hù)、熱關(guān)斷功能
?HTSOP-J8封裝
接下來，下面給出的電路圖是BD90640EFJ評估板的電路，我們將使用該評估板對每種特性進(jìn)行實(shí)測。BD90640EFJ仿真模型的規(guī)格與該電路相同（用于連接FRA的R100除外）。
BD90640EFJ-C 評估板電路和規(guī)格
BD90640EFJ具有一個(gè)稱為“VC”的引腳。從內(nèi)部框圖可以看出，該引腳直接與內(nèi)部誤差放大器的輸出端相連接。反饋環(huán)路的相位補(bǔ)償，即頻率特性的調(diào)整，是通過外部連接到該引腳的相位補(bǔ)償用電阻R3和電容器C1進(jìn)行的。在這次驗(yàn)證中，我們將通過在保持C1不變的同時(shí)更改R3的電阻值來確認(rèn)頻率特性的變化。
下圖說明了相位補(bǔ)償電路的工作以及與相位補(bǔ)償電阻R3之間的關(guān)系。
相位補(bǔ)償是通過連接到VC引腳的R3和C1，插入相位超前（零點(diǎn)）補(bǔ)償，以消除在IC內(nèi)部產(chǎn)生的相位延遲（極點(diǎn)）。上圖中給出了極點(diǎn)fp1和零點(diǎn)fz2的公式。
請看該圖中藍(lán)框中列出的項(xiàng)目和波特圖。R3=20kΩ是評估電路的標(biāo)準(zhǔn)值，中間的波特圖即采用該標(biāo)準(zhǔn)值的結(jié)果，藍(lán)線表示相位特性，紅線表示增益特性。左側(cè)是將R3減小到3kΩ時(shí)的波特圖，粗線是R3=20kΩ時(shí)的標(biāo)準(zhǔn)特性，用于比較；在該條件下的每種特性均用相同顏色的細(xì)線表示，可能不是很容易看清楚。右側(cè)是提高R3后的波特圖，同樣，細(xì)線是該條件下的特性。
當(dāng)降低R3的值時(shí)，零點(diǎn)fz2向高頻段移動(dòng)。在R3=3kΩ時(shí)，從20kΩ時(shí)的1.7kHz移至11.3kHz。因此，直到更高的頻段增益都持續(xù)下降。零交越（Fc）發(fā)生在33.1kHz至8.7kHz的較低頻段中。結(jié)果是相位裕度雖然會增加，但是響應(yīng)速度卻會變慢。
當(dāng)提高R3的值時(shí)，零點(diǎn)fz2向低頻段移動(dòng)。因此，增益在低頻段發(fā)生逆轉(zhuǎn)。零交越發(fā)生在更高的頻段。結(jié)果是相位裕度雖然減少，但是響應(yīng)速度會變快。
－也就是說，零點(diǎn)頻率會隨R3的電阻值而變化，并且相位裕度和響應(yīng)性能也會隨之變化。降低R3會增加相位裕度，但會降低響應(yīng)速度，而提高R3會減少相位裕度，但會加快響應(yīng)速度，對吧？
的確如此。電阻值的增減與頻率特性變化之間的關(guān)系很重要，因?yàn)檫@是調(diào)整時(shí)的重要依據(jù)。
序言已經(jīng)有點(diǎn)太長了，下面進(jìn)入實(shí)際的仿真環(huán)節(jié)。
我們將使用2020年2月份在ROHM官網(wǎng)上發(fā)布的“ROHM Solution Simulator”進(jìn)行仿真。僅需注冊成為MyROHM會員，立即就可以使用ROHM Solution Simulator。如果已經(jīng)注冊，請登錄。
單擊ROHM官網(wǎng)上的HOME“設(shè)計(jì)支持工具”的“ROHM Solution Simulator”（截屏①）即可打開頁面②。單擊頁面中間的“IC’s Solution Circuit”的“Switching Regulators”即可打開如③所示的列表。如果從該列表中單擊“BD90640EFJ”的“Simulation”按鈕，則ROHM Solution Simulator啟動(dòng)，并且同時(shí)打開BD90640EFJ的仿真電路。
Simulation有“Frequency Domain（頻域）”和“Time Domain（時(shí)域）”兩種仿真。此次我們將首先模擬頻率特性，因此請單擊“Frequency Domain”的“Simulation”按鈕。Time Domain將在后面進(jìn)行說明。
當(dāng)仿真開始時(shí)，將打開如④所示帶有電路圖的“SCHEMATIC INFORMATION”畫面。確認(rèn)IC的型號正確后，單擊電路圖或中心附近的Run圖標(biāo)（?），將會切換為⑤所示的畫面，這時(shí)即可更改仿真和組件常數(shù)。每個(gè)外置部件的常數(shù)與評估電路相同。相位補(bǔ)償電阻R3為紅色圓圈中的部分。在評估電路中，插入了R100用于連接FRA，但是在該電路中，在這部分插入了相位/增益測量用的“AC Open-loop Transfer Function Measurement Loop Insert Model”，請看已經(jīng)通過該模型獲得的波特圖。單擊⑤畫面頂部紅色圓圈中的?標(biāo)記，即可開始仿真。
要獲得更改目標(biāo)R3時(shí)的頻率特性時(shí)，雙擊R3即可打開如⑥所示的R3的屬性編輯器（Property Editor），因此，可將RESISTANCE_VALUE從默認(rèn)的20k更改為3k和62k并分別進(jìn)行仿真。僅需幾秒鐘即可輸出結(jié)果。
－從剛剛您在電腦上的實(shí)際操作看，的確非常簡單。特別是無需在公司或個(gè)人電腦本地端安裝任何程序即可立即使用這一點(diǎn)，我認(rèn)為真的非常好。而且，更令人驚訝的是，仿真結(jié)果會立即輸出。
是的，只要可以聯(lián)網(wǎng)即可立即使用，因此建議您試用一下。特別是為進(jìn)行頻率特性仿真而準(zhǔn)備的Frequency Domain電路，經(jīng)過ROHM建模，可以即時(shí)獲得結(jié)果。
此次，我們將對頻率特性的仿真結(jié)果與實(shí)測特性進(jìn)行比較和探討。為此，除了波特圖外，還需要瞬態(tài)響應(yīng)波形，以根據(jù)輸出的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)波形來判斷相位補(bǔ)償是否合適。使用前述的Time Domain仿真電路模型，即可實(shí)施負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)波形仿真。此外，還可以實(shí)施電路每個(gè)節(jié)點(diǎn)的電壓和電流波形等的仿真。
首先，我們來啟動(dòng)Time Domain仿真模型。我們返回到③中所示的Switching Regulators列表，并單擊⑦中所示的“Time Domain”列中的BD90640EFJ的Simulation按鈕。通過與④相同的方式打開SCHEMATIC INFORMATION畫面，并同樣單擊電路圖或中心附近的 
標(biāo)記，即可顯示仿真畫面（⑧）。⑧的仿真電路與基本電路相同，但是是可以監(jiān)測輸入電壓輸入時(shí)的開關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓和輸出電壓的啟動(dòng)波形的仿真電路。
該電路對于確認(rèn)DCDC轉(zhuǎn)換器的基本工作和啟動(dòng)時(shí)間很有用，但是要想進(jìn)行負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)仿真，則還需要進(jìn)行一些修改。
在ROHM Solution Simulator上，只更改常數(shù)參數(shù)，是不能更改電路或添加元件的，因此需要移行至ROHM Solution Simulator平臺“SystemVision? Cloud”進(jìn)行修改。進(jìn)行操作很容易，僅需單擊仿真畫面右下角紅色框中的“Edit in systemvision.com”按鈕即可。點(diǎn)擊后，將顯示如⑨所示的畫面。
在左側(cè)菜單中將會出現(xiàn)組件選擇選項(xiàng)，選擇所需的組件并在畫面上將其展開以修改電路圖。
⑨是將瞬態(tài)響應(yīng)特性仿真所需的脈沖電流源（Current Source – Pulsed）和電流監(jiān)控器（Current Monitor）組件拖動(dòng)到電路圖上的圖像。⑩是通過接線使脈沖電流源成為負(fù)載，將電流監(jiān)控器插入輸出線，并將探頭連接到輸出電壓（藍(lán)色）和輸出電流（紅色）的電路圖?，F(xiàn)在，按照響應(yīng)確認(rèn)條件分別設(shè)置脈沖電流源的參數(shù)，通過與頻率特性仿真相同的方式更改相位補(bǔ)償電阻R3的值，并獲取仿真數(shù)據(jù)。
－原來如此。也就是說，只要使用基本仿真模型修改電路，就可以執(zhí)行各種仿真。而且，感覺操作非常簡單。
是??！只要了解了基本操作，就不難使用。現(xiàn)在，讓我們來比較一下仿真結(jié)果和實(shí)測特性。
首先，從波特圖中可以看出，雖然可以說相位和增益的曲線特征都非常相近，但是零交越頻率（Fc）卻存在偏差。這是由于各種因素造成的。比如在仿真中，將部件常數(shù)設(shè)置為沒有容差的值，與評估板上的部件之間存在一些差異；比如并未全部反映出實(shí)際電路板上的寄生分量；比如這是理想狀態(tài)等。但是，我們已經(jīng)通過仿真捕捉到了R3的增減帶來的變化趨勢，并且已經(jīng)獲得了足夠的數(shù)據(jù)用來參考。例如，提高輸入?yún)?shù)的精度（例如輸入考慮到陶瓷電容器的DC偏置特性的值）將進(jìn)一步提高結(jié)果的精度。
－就是前面提到的特性變化，即零點(diǎn)頻率會隨R3電阻值而變化，并且相位裕度和響應(yīng)性能也會隨之變化。降低R3會增加相位裕度，但會降低響應(yīng)速度，而提高R3會減少相位裕度，但會加快響應(yīng)速度，是嗎？
是的。通過負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的波形也可以確認(rèn)這一點(diǎn)。出于相同的原因，波形與實(shí)測結(jié)果并不完全相同，但是如您所見，仿真很好地再現(xiàn)了這些特征。在這兩種波形中，都表現(xiàn)出一樣的趨勢，當(dāng)R3減小時(shí)響應(yīng)速度會降低，并且輸出電壓相對于負(fù)載變化具有很大的波動(dòng)；當(dāng)R3增加時(shí)，響應(yīng)性能得到改善，并且輸出電壓的波動(dòng)變小。
－當(dāng)R3=62kΩ時(shí)，實(shí)測波形的波動(dòng)部分被放大了，為什么？
這是為了表明在負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)期間發(fā)生了振鈴。這是負(fù)載響應(yīng)得到改善，但相位裕度減少、穩(wěn)定性降低的結(jié)果。
－我們已經(jīng)比較了DC/DC轉(zhuǎn)換器的頻率特性和負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的仿真數(shù)據(jù)以及實(shí)測數(shù)據(jù)，下面請您總結(jié)一下比較結(jié)果。
首先，在評估DC/DC轉(zhuǎn)換器時(shí)，穩(wěn)定性和響應(yīng)性是非常重要的特性。
對于這些DC/DC轉(zhuǎn)換器評估，需要使用FRA測量頻率特性，并使用電源IC的相位調(diào)整用引腳進(jìn)行優(yōu)化。在此次的示例中，是通過將BD90640EFJ的VC引腳的相位補(bǔ)償電阻值從標(biāo)準(zhǔn)值增加或減少值，來確認(rèn)特性變化的，但使用評估板或整機(jī)等實(shí)物進(jìn)行確認(rèn)時(shí)，需要反復(fù)試錯(cuò)，比如反復(fù)進(jìn)行電路板的加工以連接FRA，反復(fù)進(jìn)行電阻和電容器的更換作業(yè)等，工作量很大，不僅如此，近年來呈現(xiàn)高密度安裝趨勢，這種情況下非?？赡軣o法進(jìn)行這些操作。在此之前，無法使用FRA的情況也不在少數(shù)。
就像這次您看到的一樣，利用仿真，可以通過更改部件常數(shù)非常輕松地確認(rèn)特性。仿真結(jié)果基本上包含與實(shí)測值之間的偏差，但是由于可以掌握相對于部件常數(shù)變化的波動(dòng)趨勢，因此可以基于仿真結(jié)果為部件常數(shù)設(shè)置大致目標(biāo)。我們認(rèn)為，通過使用仿真，DC/DC轉(zhuǎn)換器頻率特性的優(yōu)化工作將會變得更輕松，這將能夠加快DC/DC轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)速度。
－順便問一下，關(guān)于ROHM Solution Simulator，有相關(guān)的資料嗎？
當(dāng)您訪問ROHM Solution Simulator的導(dǎo)入頁面時(shí)，會看到相應(yīng)的鏈接，點(diǎn)擊鏈接可立即下載用戶手冊和白皮書。還有介紹概要和導(dǎo)入方法的視頻。
基本上，有關(guān)ROHM Solution Simulator的所有信息都可以從該頁面訪問。
－我聽說這次使用的仿真電路今后會繼續(xù)增加。
目前，大體上有功率元器件電路解決方案（Power Device Solution Circuit）和IC電路解決方案（ICs Solution Circuit），它們都是與電源相關(guān)的項(xiàng)目。這也是因?yàn)楣β试骷膽?yīng)用產(chǎn)品呈現(xiàn)高電壓和大功率趨勢，非常不容易評估，因此建議充分運(yùn)用仿真技術(shù)。關(guān)于IC電路解決方案，希望能像這次一樣，作為設(shè)計(jì)和評估的輔助工具發(fā)揮其應(yīng)用的作用。這兩種解決方案每天都在開發(fā)中，并且解決方案的數(shù)量也在不斷增加中。
－感謝您的講解。
審核編輯?黃宇
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