基于應用切換頻率來評估內(nèi)部補償網(wǎng)絡能力的系統(tǒng)設(shè)計

為降壓穩(wěn)壓器設(shè)計補償網(wǎng)絡可能很繁瑣，可能需要多次迭代才能優(yōu)化解決方案。擁有優(yōu)化的控制回路，可以在保持適當穩(wěn)定性的同時實現(xiàn)快速瞬態(tài)響應，已成為一項重大挑戰(zhàn)隨著新應用程序的出現(xiàn)，例如ADAS和快速瞬態(tài)響應要求。為了解決這些問題，已經(jīng)開發(fā)了帶有內(nèi)部補償網(wǎng)絡的降壓調(diào)節(jié)器，以簡化設(shè)計過程。盡管具有內(nèi)部補償網(wǎng)絡的優(yōu)勢，但可用于調(diào)節(jié)/改善外部瞬態(tài)性能的旋鈕卻更少了。主要的挑戰(zhàn)是如何評估內(nèi)部補償網(wǎng)絡，以確保它們適合特定的應用。本文將提供有關(guān)如何評估內(nèi)部薪酬網(wǎng)絡的指導。

峰值電流模式降壓穩(wěn)壓器

峰值電流模式（PCM）控制被廣泛用作降壓調(diào)節(jié)器的控制方法。與PCM控制電壓模式（VM）控制相關(guān)的優(yōu)勢已經(jīng)得到了公認。圖1顯示了PCM降壓調(diào)節(jié)器的應用原理圖和典型波特圖。

圖1：PCM降壓穩(wěn)壓器原理圖和波特圖

圖1中的兩個功率級極點頻率可以分別用公式（1）和公式（2）計算

典型的II類補償網(wǎng)絡

圖2顯示了典型的II型補償網(wǎng)絡。II型補償為系統(tǒng)增加一個零（COMP-Z）和一個極點（COMP-P）?？梢曰谙到y(tǒng)的無源分量來計算COMP-Z和COMP-P的頻率（請參見圖2，公式（6）和公式（7））。請注意，由于極點/零點引起的角度/相位和斜率/幅度都將以極點/零點頻率的10％開始變化，并且將以極點/零點頻率的10倍達到最大值。

圖2：II型補償網(wǎng)絡和零極點位置

COMP-Z的頻率可以用公式（6）計算：

關(guān)于降壓穩(wěn)壓器的瞬態(tài)性能，有兩個標準。一個是系統(tǒng)帶寬（BW），第二個是系統(tǒng)相位裕量（PM）。帶寬越高，瞬態(tài)響應越快。PM越高，系統(tǒng)越安靜且越穩(wěn)定。不幸的是，實際上增加BW會降低PM，反之亦然。這意味著在BW和PM之間需要權(quán)衡。為了在降壓穩(wěn)壓器中具有適當?shù)膸捯约翱山邮艿腜M和噪聲水平，BW等于開關(guān)頻率（fSW）的10％是合理的。

內(nèi)部薪酬網(wǎng)絡評估準則

基于上一節(jié)的討論，我們假設(shè)可以使用公式（8）計算目標BW：

對于最大PM，補償網(wǎng)絡零（COMP-Z）需要在BW頻率處提供最大的相位提升。理論上，由于零而引起的正相位在其頻率的10倍時達到最大值。因此，將COMP-Z設(shè)置在帶寬頻率的10％到20％之間。該范圍考慮了系統(tǒng)中的任何其他寄生效應。因此，可以用公式（9）計算COMP-Z頻率和BW頻率之間的關(guān)系：

為了在較高頻率下適當衰減噪聲，假設(shè)開關(guān)頻率<1MHz?，則補償器（COMP-P）的極點必須近似等于f?SW?/ 2。如果開關(guān)頻率> 1MHz，則COMP-P必須接近fSW/ 2與輸出電容器ESR零之間的較低值，其由公式（5）估算。

需要考慮的重要實用技巧是，除非COUT是具有高ESR的電解，否則fSW/ 2具有主導作用，而COMP-P取決于該值。這使得可以用公式（10）估算COMP-P：

由于COMP-Z和COMP-P都是基于開關(guān)頻率定義的，因此可以使用這兩個方程式來提出第三個要求，即CCOMP和CHF之間的關(guān)系，并可以通過方程式（11）進行計算。 ）：

有了這三個基本要求，就可以根據(jù)應用的開關(guān)頻率來評估內(nèi)部補償網(wǎng)絡的性能。

開關(guān)頻率可配置的零件

只要考慮兩個關(guān)鍵點，類似的方法也可以應用于具有可配置開關(guān)頻率的部件：

根據(jù)最小可配置開關(guān)頻率設(shè)置COMP-Z。

根據(jù)最大可配置開關(guān)頻率設(shè)置COMP-P。

基于最小可配置開關(guān)頻率來設(shè)置COMP-Z，因為隨著開關(guān)頻率的增加，電感器的尺寸也會成比例地減小。當在PCM降壓調(diào)節(jié)器功率級的第二極看，極點頻率（ω（由式（2）表示）大號）隨著電感（大號）減少。為ω大號增加，由此引起的磁極的相位延遲也從BW頻率進一步推出。由該極引起的負相的減少導致系統(tǒng)整體相的增加，從而導致系統(tǒng)的PM的增加。

因此，如果基于最小可配置開關(guān)頻率設(shè)置COMP-Z，則相位裕量（PM）將隨著開關(guān)頻率的增加而增加。

與COMP-Z不同，COMP-P頻率是根據(jù)最大可配置開關(guān)頻率設(shè)置的。如前所述，由于極點引起的幅度/角度以該極點頻率的10％開始下降。假設(shè)基于最小開關(guān)頻率設(shè)置了fCOMP-P。現(xiàn)在，如果將器件配置為以最大開關(guān)頻率工作，則由于fCOMP-P（從0.1 xfCOMP-P開始生效）引起的相位減小將在其帶寬內(nèi)發(fā)生。不建議這樣做，因為它在BW內(nèi)放置了另一個桿。由于II型補償網(wǎng)絡中只有一個零，因此它無法補償該極點。因此，必須根據(jù)器件的最大開關(guān)頻率來設(shè)置COMP-P頻率。

案例研究– MPQ4430

讓我們實質(zhì)性地探索這些原理。MPS的MPQ4330是一款36V，3.5A同步降壓轉(zhuǎn)換器，具有集成FET和集成補償網(wǎng)絡。圖3顯示了MPQ4430和內(nèi)部補償網(wǎng)絡的典型應用原理圖。開關(guān)頻率通過FREQ引腳上的電阻設(shè)置。根據(jù)電阻值，這部分的開關(guān)頻率范圍可以在350kHz至2.5MHz之間。

圖3：MPQ4430典型應用和內(nèi)部補償網(wǎng)絡

由于開關(guān)頻率在此部分是可配置的，因此必須遵循上一節(jié)中討論的方法。必須基于最小開關(guān)頻率350kHz來設(shè)置COMP-Z。

假設(shè)開關(guān)頻率為350kHz，則目標BW將是開關(guān)頻率的10％，即35kHz?，F(xiàn)在，讓我們基于補償網(wǎng)絡的無源分量來計算COMP-Z頻率。在這一部分中，RCOMP和CCOMP分別為460kΩ和52pF。使用公式（6），得出fCOMP-Z為6.6kHz。根據(jù)公式（9），該值在4kHz至8kHz的可接受范圍內(nèi)，這意味著滿足第一個要求。

接下來，對照公式（10）設(shè)置的要求檢查COMP-P頻率。再一次，由于開關(guān)頻率在這部分是可配置的，因此可在公式（10）中考慮最大可配置的開關(guān)頻率?？紤]到最大開關(guān)頻率為2.5MHz，必須將目標COMP-P頻率（fCOMP-P）設(shè)置為接近fSW/ 2 = 2.5MHz / 2 = 1.25MHz。

對于這部分，RCOMP和CHF分別為460kΩ和0.2pF。這導致fCOMP-P為1.7MHz，足夠接近1.25MHz目標。

最后，將CHF與CCOMP進行比較，以確保滿足公式（11）設(shè)置的要求。在這部分中，CHF和CCOMP分別為0.2pF和52pF。因此，CHF約為CCOMP的0.3％。因此，也滿足了CHF與CCOMP值（CHF<4％x C?COMP）的要求。

不同開關(guān)頻率下的MPQ4430波特圖

圖4顯示了MPQ4430隨開關(guān)頻率（進而是電感值）的變化而進行的波特測量。

圖4：三種開關(guān)頻率下的MPQ4430的波特圖

有兩個重要的發(fā)現(xiàn)。表1總結(jié)了結(jié)果

表1：表1：開關(guān)頻率增加對BW / PM的影響匯總

首先，從波特測量中可以看出，在較高的開關(guān)頻率下，PM得以改善。這是因為，是根據(jù)等式（2），極由于電感器（ω大號）被推進一步出作為開關(guān)頻率的增加。這會導致BW頻率處的負相位減少，而PM升高，這進一步證實基于最小開關(guān)頻率設(shè)置COMP-Z頻率是明智的決定。

注意，由于RCOMP和CCOMP是固定的，并且開關(guān)頻率的增加僅影響功率級中的第二極，因此BW相對固定。因此，可能期望隨著開關(guān)頻率的增加而增加BW。這可以通過添加外部旋鈕來實現(xiàn)。

在較高的開關(guān)頻率下增加環(huán)路帶寬和PM的有效方法是在反饋網(wǎng)絡中增加前饋電容器（CFF）（參見圖5）。

圖5：在補償網(wǎng)絡中添加前饋電容器以改善瞬態(tài)響應

添加前饋電容器可以大大提高系統(tǒng)的帶寬和PM。無論有無20pF前饋電容器，MPQ4430的頻率響應都是在2.5MHz開關(guān)頻率下獲得的。有了額外的電容器，BW和PM得以改善。

圖6：2.5MHz時帶和不帶前饋電容器的MPQ4430的波特圖

結(jié)論

本文提出了一種基于應用切換頻率來評估內(nèi)部補償網(wǎng)絡能力的系統(tǒng)方法。所提出的評估技術(shù)涉及三個基本檢查，以確保內(nèi)部補償網(wǎng)絡針對具有已知或可配置開關(guān)頻率的應用進行了適當設(shè)計。在某些情況下，添加外部旋鈕可以進一步改善系統(tǒng)的瞬態(tài)性能。這些原則已應用于MPQ4430，從而驗證了該技術(shù)的有效性。

編輯：hfy