一文了解控制系統(tǒng)及DC-DC轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路設(shè)計(jì)推薦

一文了解控制系統(tǒng)及DC-DC轉(zhuǎn)換器控制環(huán)路設(shè)計(jì)推薦

環(huán)路補(bǔ)償是設(shè)計(jì)DC-DC轉(zhuǎn)換器的關(guān)鍵步驟。如果應(yīng)用中的負(fù)載具有較高的動(dòng)態(tài)范圍，設(shè)計(jì)人員可能會(huì)發(fā)現(xiàn)轉(zhuǎn)換器不再能穩(wěn)定的工作，輸出電壓也不再平穩(wěn)，這是由于控制環(huán)路穩(wěn)定性或帶寬帶來的影響。了解環(huán)路補(bǔ)償理論有助于設(shè)計(jì)人員處理典型的板級(jí)電源應(yīng)用問題。

本文分為三個(gè)部分。前兩部分討論控制系統(tǒng)理論、通用降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)湟约叭绾卧O(shè)計(jì)DC-DC控制環(huán)路。在第三部分，將以ADI MAX25206為例說明如何應(yīng)用控制理論來評(píng)估和設(shè)計(jì)DC-DC控制環(huán)路。

控制系統(tǒng)理論簡(jiǎn)介

在自然界中，控制系統(tǒng)無處不在?？照{(diào)控制室內(nèi)溫度，駕駛員控制汽車行駛的方向，控制煮餃子時(shí)的水溫，諸如此類。控制是指對(duì)生產(chǎn)過程中的一臺(tái)設(shè)備或一個(gè)物理量進(jìn)行操作，使一個(gè)變量保持恒定或沿預(yù)設(shè)軌跡運(yùn)動(dòng)的動(dòng)態(tài)過程。通常，自然界中的系統(tǒng)是非線性的，但微觀過程可以被視為線性系統(tǒng)。在半導(dǎo)體領(lǐng)域，微電子學(xué)會(huì)被視為一個(gè)線性系統(tǒng)。

可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制的系統(tǒng)是閉環(huán)系統(tǒng)，反之則是開環(huán)系統(tǒng)。開環(huán)系統(tǒng)的特點(diǎn)是系統(tǒng)的輸出信號(hào)不影響輸入信號(hào)。就像在圖1中，G(s)是系統(tǒng)在復(fù)頻域的傳遞函數(shù)。

圖1.開環(huán)系統(tǒng)

VI是輸入信號(hào)，VO是復(fù)頻域的輸出信號(hào)。圖2中的閉環(huán)系統(tǒng)具有從輸出到輸入的反饋路徑。系統(tǒng)的輸入節(jié)點(diǎn)將是輸入信號(hào)和反饋信號(hào)之差。

圖2.閉環(huán)系統(tǒng)

當(dāng)控制器迭代直到輸入信號(hào)等于反饋信號(hào)時(shí)，控制器達(dá)到穩(wěn)態(tài)。使用數(shù)學(xué)方法可以得到以下閉環(huán)系統(tǒng)方程：

然后簡(jiǎn)化方程如下：

其分母相位（式4）既是開環(huán)轉(zhuǎn)換函數(shù)（也稱為環(huán)路增益）。其增益幅度表明反饋的強(qiáng)度，其帶寬是閉環(huán)系統(tǒng)的可控帶寬。當(dāng)然，其相移也會(huì)疊加。應(yīng)該知道，如果環(huán)路增益大于0dB，同時(shí)相移為180°，則控制環(huán)路將以正反饋工作并形成一個(gè)振蕩器。這是穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的一個(gè)關(guān)鍵。 設(shè)計(jì)人員應(yīng)確保相位裕量和增益裕量在安全范圍內(nèi)，否則整個(gè)系統(tǒng)環(huán)路將開始自振蕩。

通用降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器拓?fù)?/p>

接下來介紹降壓DC-DC轉(zhuǎn)換器的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和控制環(huán)路。

圖3.降壓DC-DC模塊

圖3顯示了典型降壓轉(zhuǎn)換器原理圖，其簡(jiǎn)化為一個(gè)交流小信號(hào)電路。它包括三級(jí)：斬波調(diào)制器、輸出LC濾波器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。每一級(jí)都有自己的轉(zhuǎn)換函數(shù)。這三級(jí)構(gòu)成整個(gè)控制環(huán)路。比較器和半橋構(gòu)成斬波調(diào)制器。比較器輸入信號(hào)來自振蕩器和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)在 閉環(huán)反饋路徑中實(shí)現(xiàn)。調(diào)制器的交流小信號(hào)增益為

其中VPP為振蕩器三角波的峰峰值電壓。VCC為半橋的輸入功率。在控制理論中，小信號(hào)增益既是轉(zhuǎn)換函數(shù)。可以看到，調(diào)制器沒有相移，只有幅度增益。LC濾波器轉(zhuǎn)換函數(shù)為

其中L和C分別為電感和電容。這是一種理想狀態(tài)。通常，電路中存在寄生參數(shù)，如圖4所示。

圖4.具有寄生參數(shù)的LC濾波器

DCR是電感L的直流等效電阻。ESR是輸出電容的等效串聯(lián)電阻。因此，LC濾波器的轉(zhuǎn)換函數(shù)為

顯然，ESR會(huì)為控制環(huán)路產(chǎn)生一個(gè)零點(diǎn)。當(dāng)ESR太大而無法忽略時(shí)，設(shè)計(jì)人員應(yīng)考慮ESR可能引起的穩(wěn)定性問題。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)用于消除寄生效應(yīng)并改善環(huán)路響應(yīng)。

圖5.II型補(bǔ)償拓?fù)?/p>

降壓DC-DC模塊展示了II型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。這種補(bǔ)償電路會(huì)提供一個(gè)零點(diǎn)和兩個(gè)極點(diǎn)。

還有I型和III型補(bǔ)償電路。

圖6.I型補(bǔ)償拓?fù)?/p>

I型只是一個(gè)積分節(jié)點(diǎn)。它是一個(gè)最小相位系統(tǒng)。

圖7.III型補(bǔ)償拓?fù)?/p>

III型轉(zhuǎn)換函數(shù)類似于II型。

可以看到，III型轉(zhuǎn)換函數(shù)更復(fù)雜。它有兩個(gè)零點(diǎn)和三個(gè)極點(diǎn)。在圖7中，運(yùn)算放大器(OPA)用于誤差放大。運(yùn)算跨導(dǎo)放大器(OTA)也可用于環(huán)路中的誤差放大。

圖8.帶OTA的II型補(bǔ)償拓?fù)?/p>

其傳遞函數(shù)類似于使用OPA拓?fù)潆娐返膫鬟f函數(shù)。輸出電壓誤差信號(hào)先由OTA放大并轉(zhuǎn)換為電流信號(hào)，再由補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)轉(zhuǎn)換為電壓控制信號(hào)。在所選擇的任何類型拓?fù)浠蚍糯笃髦?，零點(diǎn)和極點(diǎn)必須位于適當(dāng)?shù)念l率處。

如何設(shè)計(jì)DC-DC控制環(huán)路？

下面看看采用II型環(huán)路補(bǔ)償?shù)慕祲篋C-DC轉(zhuǎn)換器的整個(gè)開環(huán)轉(zhuǎn)換函數(shù)。

調(diào)制器和LC濾波器的轉(zhuǎn)換函數(shù)無法輕易改變，因此只能更改補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。以II型拓?fù)錇槔?。II型轉(zhuǎn)換函數(shù)有兩個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)，如下所示。

Fz = 1/RzCz;

Fp1 = 0;

Fp2 = R1(Cz + Cp)/R1RzCpCz;

極點(diǎn)和零點(diǎn)位置由環(huán)路增益和環(huán)路相移確定。正極點(diǎn)會(huì)給波特圖中的增益曲線增加–20dB/dec斜率，并會(huì)給波特圖中的環(huán)路相位曲線增加–90°相移。相反，正零點(diǎn)會(huì)給增益曲線增加20dB/dec斜率，并會(huì)給環(huán)路相位曲線增加90°相移?？梢钥吹?，II型補(bǔ)償環(huán)路有兩個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)，而帶有寄生效應(yīng)的LC濾波器也有兩個(gè)極點(diǎn)和一個(gè)零點(diǎn)。寄生極點(diǎn)可能會(huì)迫使環(huán)路增益交越點(diǎn)（開環(huán)圖與軸相交的點(diǎn)；此處增益為0dB）處的斜率高達(dá)-40dB/dec，甚至更高。這意味著系統(tǒng)的相移將達(dá)到180°（相位裕量將達(dá)到0°），會(huì)引起自振蕩。設(shè)計(jì)人員應(yīng)該避免這種風(fēng)險(xiǎn)。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，應(yīng)確保環(huán)路增益穿越頻率處的斜率為–20dB/dec。為了解決這個(gè)問題，設(shè)計(jì)人員只能更改補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。更改Rz或Cz可以改變零點(diǎn)的位置，更改Cp可以改變次極點(diǎn)的位置。通常，寄生極點(diǎn)和零點(diǎn)位于非常高的頻率，因此將Fp2放置在比Fz稍遠(yuǎn)的位置，迫使寄生極點(diǎn)和零點(diǎn)低于0 dB。Fz和Fp2都是決定環(huán)路帶寬的重要因素。

圖9.II型波特圖

通過調(diào)整極點(diǎn)和零點(diǎn)的位置，可以改變環(huán)路的頻率響應(yīng)和相位響應(yīng)以確保增益或相位裕度。 因此就可以在環(huán)路帶寬和穩(wěn)定性裕量之間取得平衡。例如，MAX25206的原理圖如圖10所示。在該電路中，VOUT = 5V，ILOAD = 3.5A，因此RLOAD = 1.43Ω。

圖10.MAX25206典型原理圖

其補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)為II型網(wǎng)絡(luò)，Cp = 0pF（根據(jù)式8）。第二個(gè)極點(diǎn)位于無窮大頻率，可以從R5和C2計(jì)算出第一個(gè)零點(diǎn)，F(xiàn)z = 1/(4.7nF × 18.2kΩ) = 11.69kHz。在輸出LC濾波器中， 可以通過轉(zhuǎn)換函數(shù)式7從ESR和輸出電容得知零點(diǎn)在Fz = 16.4MHz，復(fù)極點(diǎn)在Fp1 = 1.8kHz–37.6kHz和Fp2 = 1.8kHz + 37.6kHz?？梢灶A(yù)見，Gf增益將在1.8kHz處達(dá)到最大點(diǎn)。當(dāng)頻率大于1.8kHz時(shí)，Gf增益會(huì)迅速下降。補(bǔ)償零點(diǎn)Fz是對(duì)環(huán)路增益降低的補(bǔ)償。此外，應(yīng)該知道，如果環(huán)路增益大于0dB，LC濾波器將在37.6kHz處諧振。設(shè)計(jì)人員不應(yīng)將Fz放置得太接近1.8kHz，以確保環(huán)路增益在37.6kHz時(shí)不會(huì)高于0dB。AC環(huán)路仿真結(jié)果如圖11所示。

圖11.MAX25206 AC環(huán)路仿真

此外，III型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)對(duì)于提供補(bǔ)償更具潛力。當(dāng)然，要評(píng)估一個(gè)系統(tǒng)，不僅可以使用開環(huán)轉(zhuǎn)換函數(shù)和波特圖，還可以觀察閉環(huán)轉(zhuǎn)換函數(shù)的根軌跡是否在左半平面，并分析時(shí)域微分方程。

但就方便性而言，觀察波特圖的開環(huán)轉(zhuǎn)換函數(shù)是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)的最常見、最簡(jiǎn)單的方法。其他類型DC-DC拓?fù)涞难a(bǔ)償環(huán)路、補(bǔ)償方法和原理是相同的。 唯一區(qū)別在于調(diào)制器，也就是環(huán)路轉(zhuǎn)換函數(shù)的增益。

除了不同類型的DC-DC拓?fù)?，還有采用不同方案的控制環(huán)路。與DC-DC轉(zhuǎn)換器一樣，MAX20090 LED控制器由電流控制環(huán)路組成。轉(zhuǎn)換器檢測(cè)輸出電流，并將其反饋回控制環(huán)路以達(dá)到預(yù)期值。另一個(gè)例子是MAX25206降壓控制器，它具有限制峰值或平均電流的功能。該器件檢測(cè)輸出電壓和平均電流并反饋回來。它是一款雙閉環(huán)控制器。通常，電流控制環(huán)路在內(nèi)環(huán)，電壓控制環(huán)路在外環(huán)。電流環(huán)路的帶寬（即響應(yīng)速度）大于電壓環(huán)路的帶寬，因此它能實(shí)現(xiàn)限流。第三個(gè)例子是MAX1978溫度控制器。它包含一個(gè)驅(qū)動(dòng)熱電冷卻器(TEC)的H橋。不同電流的方向?qū)Q定TEC是加熱還是冷卻模式。反饋信號(hào)就是TEC的溫度。這種控制環(huán)路會(huì)迫使輸出TEC的溫度達(dá)到預(yù)期溫度。

結(jié)論

無論何種形式的電路拓?fù)?，以自?dòng)控制為目標(biāo)的模擬電路理論基礎(chǔ)是ADI在本文所討論的。設(shè)計(jì)人員的目標(biāo)是實(shí)現(xiàn)更高的帶寬和更健壯的穩(wěn)定性，同時(shí)確保環(huán)路帶寬和穩(wěn)定性達(dá)到平衡。

關(guān)于ADI公司

Analog Devices, Inc. (NASDAQ: ADI)是全球領(lǐng)先的半導(dǎo)體公司，致力于在現(xiàn)實(shí)世界與數(shù)字世界之間架起橋梁，以實(shí)現(xiàn)智能邊緣領(lǐng)域的突破性創(chuàng)新。ADI提供結(jié)合模擬、數(shù)字和軟件技術(shù)的解決方案，推動(dòng)數(shù)字化工廠、汽車和數(shù)字醫(yī)療等領(lǐng)域的持續(xù)發(fā)展，應(yīng)對(duì)氣候變化挑戰(zhàn)，并建立人與世界萬物的可靠互聯(lián)。ADI公司2022財(cái)年收入超過120億美元，全球員工2.4萬余人。攜手全球12.5萬家客戶，ADI助力創(chuàng)新者不斷超越一切可能。

關(guān)于作者

Yaxian Li是ADI公司培訓(xùn)和技術(shù)服務(wù)團(tuán)隊(duì)的應(yīng)用工程師。Yaxian于2020年加入Maxim Integrated（現(xiàn)為ADI公司一部分），于2018年獲得杭州電子大學(xué)電氣工程和自動(dòng)化學(xué)士學(xué)位。

審核編輯：湯梓紅