電源轉(zhuǎn)換器設計人員可以輕松實現(xiàn)控制回路優(yōu)化

轉(zhuǎn)換器制造商別無選擇，只能依靠功率模塊專家的專業(yè)知識來設計濾波器、優(yōu)化控制回路并提供結(jié)果的日子已經(jīng)讓位于系統(tǒng)設計人員可以使用免費軟件來實現(xiàn)實現(xiàn)快速和簡單的結(jié)果。嵌入在電力系統(tǒng)設計軟件中的環(huán)路補償工具已經(jīng)發(fā)展到可以在概念階段優(yōu)化電壓，這使工程師可以方便地嘗試不同的配置并重新運行仿真，直到獲得最佳結(jié)果。那么，支撐這一進步的工程原理是什么?

首先，值得指出的是，在電源轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出中添加電感-電容濾波器有多種用途。這些濾波器不僅降低了反射紋波電流和輸出噪聲，而且旨在滿足 EMC 輻射和敏感性規(guī)定。

現(xiàn)在可以使用環(huán)路補償軟件例程以簡單的格式檢查設計并模擬這些指標的結(jié)果，這意味著工程師可以通過事先評估任何問題和挑戰(zhàn)來更好地了解哪些電源模塊適合系統(tǒng)。指定良好的環(huán)路補償器可以在數(shù)分鐘內(nèi)直接在數(shù)字 Z 域中設計、仿真、分析和配置電源轉(zhuǎn)換器。

評估控制回路穩(wěn)定性

為了實現(xiàn)電壓/濾波器優(yōu)化，可以通過多種方式使用環(huán)路補償器工具。第一要務是尋找任何超出要求的電壓偏差，不僅僅是峰值，而是標稱電壓周圍的整個區(qū)域。需要注意的是，環(huán)路優(yōu)化例程最適合設計良好的外部去耦濾波器，即電源模塊和負載之間距離較短的濾波器(越近越好，但肯定在 10 厘米以內(nèi))。15 mΩ 或更小的低 ESR(等效串聯(lián)電阻)電容器也有利于實現(xiàn)優(yōu)化的控制回路。

另一種選擇是并聯(lián)使用較小的電容器(相同類型和時間常數(shù))，這將有助于降低 ESR。在控制理論方面，沒有什么比模型的準確性更好的了。因此，必須使用正確的 ESR 值，以及正確估計由電源模塊和負載之間的走線引起的寄生電感，從而更好地預測負載瞬態(tài)期間的電壓偏差和設計的穩(wěn)健性。

數(shù)字控制技術的影響

在功率轉(zhuǎn)換器中，數(shù)字控制技術的引入，導致許多用戶難以設計適當?shù)目刂苹芈费a償。一種常見的方法是使用傳統(tǒng)的模擬工具來確定一個解決方案，然后將該解決方案轉(zhuǎn)換為數(shù)字z域。然而，這種策略可能會很耗時，而且經(jīng)常會產(chǎn)生一個非最優(yōu)的解決方案。這是推動對有效、可靠的電壓優(yōu)化技術的需求的原因之一。

其他因素取決于設計項目進展的內(nèi)在方式。不幸的是，電源通常是事后才想到的，許多設計工程師將此功能添加到電路板的角落或項目接近尾聲時留下的任何區(qū)域。結(jié)果是電源模塊沒有靠近負載，有可能采取關鍵措施來展示不良行為。此外，由于預算限制，許多設計人員會選擇例如 45 mΩ 的電容器，而不是 15 mΩ 的電容器，后者的成本大約是其兩倍。

確定在環(huán)路補償工具的輸出濾波器部分中包含哪些電容器的最簡單方法是根據(jù)每種類型的總電容和最長時間常數(shù)來計算和排序它們。

這個過程將揭示兩種電容器類型，即具有最大總電容和最長時間常數(shù)的電容器。其他電容器的時間常數(shù)通常很小，不會干擾控制回路，或者可以使用余量來處理額外的組件/模型不確定性。

實現(xiàn)有效的模擬

在所有情況下，通過有效仿真來優(yōu)化電壓是至關重要的。以靠近負載的 ESR 為 45 mΩ 和大約 20 nH 的顯著電感(模塊和負載之間)的濾波器設計為例。在這里，可以應用環(huán)路補償來指示關注的區(qū)域。例如，在這種情況下僅 1 毫秒后，負載釋放時就會出現(xiàn)明顯的巨大偏差。

顯然，接近負載的 20 nH 電感和大 ESR 會產(chǎn)生激進的控制環(huán)路，而另一個問題是頻率帶寬范圍，因為它會從標稱 14 kHz 擴展到最大 128 kHz。此特定仿真的目標設置為 20 kHz，因此很明顯，組件變化使控制回路變得高度敏感。查看輸出阻抗曲線也突出了這個問題 - 高頻下的高阻抗會導致大的電壓偏差，進而導致大電流。

消除電流尖峰

使用環(huán)路補償工具，一種解決方案是降低增益，直到輸出阻抗保持恒定，或者直到電流尖峰消失。在本例中，通過控制環(huán)路優(yōu)化，增益從 26 分貝降低到 12.5 分貝。結(jié)果，電壓偏差看起來或多或少是對稱的——電流尖峰在負載和負載釋放圖中都消失了，而頻率帶寬范圍則顯著變窄(10 到 14 kHz)。輸出阻抗的變化也非常小。簡而言之，應用優(yōu)化過程意味著可以顯著提高環(huán)路設計的穩(wěn)健性和性能。

并且電流尖峰消失。來源：Flex 電源模塊

作為替代解決方案，優(yōu)化工具可以針對不同的目標重新運行。例如，使用相同的案例示例，頻率帶寬目標從其原始值 20 降低到 15、10 和 5 kHz。

隨后的分析表明這是一個穩(wěn)健的替代方案，因為參數(shù)分布證明很小。值得注意的是，正負電壓偏差的形狀幾乎相同，負載電流沒有尖峰。

重新設計選項

當然，第三種選擇是使用相同的不動產(chǎn)區(qū)域重新設計濾波器，方法是移動組件，或者最好使用更好的組件。在本案例中，高電感指向嘗試不同的大容量電容器策略——功率模塊為 25%，負載附近為 75%。

重新設計仿真的觀察結(jié)果表明，輸出阻抗峰值幾乎相等，雖然負電壓偏差沒有太大變化，但正電壓偏差顯著改善。此外，沒有極端帶寬，結(jié)果看起來更加穩(wěn)健。

采用最新的電源系統(tǒng)設計軟件除了轉(zhuǎn)換器配置之外還有很多好處。例如，此類軟件使設計人員和系統(tǒng)架構(gòu)師能夠跟蹤或模擬整個電源系統(tǒng)的效率，充分利用最新的數(shù)字電源技術。某些套件允許用戶定義跨電源軌的關系，例如，包括相位擴展、排序和故障擴展。因此，更容易理解系統(tǒng)級別的行為，這有助于縮短上市時間。

最終，這種類型的軟件允許設計人員自己進行調(diào)查，而不必依賴電源模塊供應商的專業(yè)知識。