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在設計階段將DC/DC轉換器的頻率特性最佳化

相位補償設計方法和模擬的活用

-其2-

Keyword
  • 免費模擬器
  • BD90640EFJ
  • VC引腳
  • 相位補償用電阻
  • 相位補償用電容
  • 回饋環路的相位補償
  • 頻率特性調整
  • 相位滯後
  • 極點
  • 相位超前
  • 零交叉點
  • 零交叉
  • Fc
  • ROHM Solution Simulator
  • MyROHM會員註冊
  • SystemVision® Cloud
  • 暫態負載響應
  • 振鈴

-如果不能使用FRA,則可以透過模擬來處理。

現在,我想實際進行DC/DC轉換器的頻率特性模擬並將DC/DC轉換器的頻率特性模擬結果與DC/DC轉換器的頻率特性實測值進行比較,在此之前,請允許我先給出一些前提條件和理論。這樣在看波形時會更容易理解。

首先,用於驗證的電源IC使用具有代表性的二極體整流DCDC轉換器BD90640EFJ。下面是標準的電路配置、內部電路方塊圖及產品特點。

主要特點
・最大輸入電壓:42V
・輸入電壓範圍:3.5~36V
・輸出電流:4A(內建Pch MOSFET)
・切換頻率:50k~600kHz、
 ±10%精度
・待機電流低:0µA
・輸出電壓可調
・參考電壓精度:0.8V±2%
・占空比可達100%
・具有過電流保護、熱關斷功能
・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行實測。BD90640EFJ模擬模型的規格與該電路相同(用於連接FRA的R100除外)。

BD90640EFJ-C 評估板電路和規格

BD90640EFJ具有一個稱為“VC”的引腳。從內部電路方塊圖可以看出,該引腳直接與內部誤差放大器的輸出端相連接。回饋環路的相位補償,即頻率特性的調整,是透過外部連接到該引腳的相位補償用電阻R3和電容C1進行的。在這次驗證中,我們將透過在保持C1不變的同時更改R3的電阻值來確認頻率特性的變化。

下圖說明瞭相位補償電路的工作以及與相位補償電阻R3之間的關係。

相位補償是透過連接到VC引腳的R3和C1,插入相位超前(零點)補償,以消除在IC內部產生的相位延遲(極點)。上圖中給出了極點fp1和零點fz2的公式。

請看該圖中藍框中列出的項目和波特圖。R3=20kΩ是評估電路的標準值,中間的波特圖即採用該標準值的結果,藍線表示相位特性,紅線表示增益特性。左側是將R3減小到3kΩ時的波特圖,粗線是R3=20kΩ時的標準特性,用於比較;在該條件下的每種特性均用相同顏色的細線表示,可能不是很容易看清楚。右側是提高R3後的波特圖,同樣,細線是該條件下的特性。

當降低R3的值時,零點fz2向高頻段行動。在R3=3kΩ時,從20kΩ時的1.7kHz移至11.3kHz。因此,直到更高的頻段增益都持續下降。零交叉(Fc)發生在33.1kHz至8.7kHz的較低頻段中。結果是相位裕量雖然會增加,但是響應速度卻會變慢。

當提高R3的值時,零點fz2向低頻段行動。因此,增益在低頻段發生逆轉。零交叉發生在更高的頻段。結果是相位裕量雖然減少,但是響應速度會變快。

-也就是說,零點頻率會隨R3的電阻值而變化,並且相位裕量和響應性能也會隨之變化。降低R3會增加相位裕量,但會降低響應速度,而提高R3會減少相位裕量,但會加快響應速度,對吧?

的確如此。電阻值的增減與頻率特性變化之間的關係很重要,因為這是調整時的重要依據

序言已經有點太長了,下面進入實際的模擬環節。
我們將使用2020年2月份在ROHM官網上發佈的“ROHM Solution Simulator”進行模擬。僅需註冊成為MyROHM會員,立即就可以使用ROHM Solution Simulator。如果已經註冊,請登錄後使用。

按一下ROHM官網上的HOME“設計支援工具”的“ROHM Solution Simulator”(螢幕截圖①)即可打開頁面②。按一下頁面中間的“IC’s Solution Circuit”的“Switching Regulators”即可打開如③所示的列表。如果從該列表中按一下“BD90640EFJ”的“Simulation”按鈕,則ROHM Solution Simulator啟動,並且同時打開BD90640EFJ的模擬電路。
Simulation有“Frequency Domain(頻域)”和“Time Domain(時域)”兩種模擬。此次我們將首先模擬頻率特性,因此請按一下“Frequency Domain”的“Simulation”按鈕。Time Domain將在後面進行說明。

當模擬開始時,將打開如④所示帶有電路圖的“SCHEMATIC INFORMATION”畫面。確認IC的型號正確後,按一下電路圖或中心附近的Run圖示(),將會切換為⑤所示的畫面,這時即可更改模擬和元件常數。每個外接零件的常數與評估電路相同。相位補償電阻R3為紅色圓圈中的部分。在評估電路中,插入了R100用於連接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”,請看已經透過該模型獲得的波特圖。按一下⑤畫面頂部紅色圓圈中的標記,即可開始模擬。

要獲得更改目標R3時的頻率特性時,按兩下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從默認的20k更改為3k和62k並分別進行模擬。僅需幾秒鐘即可輸出結果。

-從剛剛您在電腦上的實際操作看,的確非常簡單。特別是無需在公司或個人電腦本地端安裝任何程式即可立即使用這一點,我認為真的非常好。而且,更令人驚訝的是,模擬結果會立即輸出。

是的,只要能上網就可以立即使用,因此建議您試用一下。特別是為進行頻率特性模擬而準備的Frequency Domain電路,經過ROHM建模,可以即時獲得結果。

此次,我們將對頻率特性的模擬結果與實測特性進行比較和探討。為此,除了波特圖外,還需要暫態響應波形,以根據輸出的負載暫態響應波形來判斷相位補償是否合適。使用前述的Time Domain模擬電路模型,即可實施負載暫態響應波形模擬。此外,還可以實施電路每個節點的電壓和電流波形等的模擬。

首先,我們來啟動Time Domain模擬模型。我們返回到③中所示的Switching Regulators列表,並按一下⑦中所示的“Time Domain”列中的BD90640EFJ的Simulation按鈕。透過與④相同的方式打開SCHEMATIC INFORMATION畫面,並同樣按一下電路圖或中心附近的標記,即可顯示模擬畫面(⑧)。⑧的模擬電路與基本電路相同,但是是可以監測輸入電壓輸入時的切換節點電壓和輸出電壓的啟動波形的模擬電路。
該電路對於確認DCDC轉換器的基本工作和啟動時間很有用,但是要想進行負載暫態響應模擬,則還需要進行一些修改。

在ROHM Solution Simulator上,只更改常數參數,是不能更改電路或添加元件的,因此需要移行至ROHM Solution Simulator平台“SystemVision® Cloud”進行修改。進行操作很容易,僅需按一下模擬畫面右下角紅色框中的“Edit in systemvision.com”按鈕即可。點擊後,將顯示如⑨所示的畫面。 在左側功能表中將會出現元件選擇選項,選擇所需的元件並在畫面上將其展開以修改電路圖。

⑨是將暫態響應特性模擬所需的脈衝電流源(Current Source – Pulsed)和電流監控器(Current Monitor)元件拖動到電路圖上的圖像。⑩是透過接線使脈衝電流源成為負載,將電流監控器插入輸出線,並將探頭連接到輸出電壓(藍色)和輸出電流(紅色)的電路圖。現在,按照響應確認條件分別設定脈衝電流源的參數,透過與頻率特性模擬相同的方式更改相位補償電阻R3的值,並獲取模擬資料。

-原來如此。也就是說,只要使用基本模擬模型修改電路,就可以執行各種模擬。而且,感覺操作非常簡單。

是啊!只要瞭解了基本操作,就不難使用。現在,讓我們來比較一下模擬結果和實測特性。

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性都非常相近,但是零交叉頻率(Fc)卻存在偏差。這是由於各種因素造成的。比如在模擬中,將零件常數設定為沒有容差的值,與評估板上的零件之間存在一些差異;比如並未全部反映出實際電路板上的寄生分量;比如這是理想狀態等。但是,我們已經透過模擬捕捉到了R3的增減帶來的變化趨勢,並且已經獲得了足夠的資料用來參考。例如,提高輸入參數的精度(例如輸入考慮到陶瓷電容的DC偏置特性的值)將進一步提高結果的精度。

-就是前面提到的特性變化,即零點頻率會隨R3電阻值而變化,並且相位裕量和響應性能也會隨之變化。降低R3會增加相位裕量,但會降低響應速度,而提高R3會減少相位裕量,但會加快響應速度,是嗎?

是的。透過負載暫態響應的波形也可以確認這一點。出於相同的原因,波形與實測結果並不完全相同,但是如您所見,模擬很好地再現了這些特長。在這兩種波形中,都表現出一樣的趨勢,當R3減小時響應速度會降低,並且輸出電壓相對於負載變化具有很大的波動;當R3增加時,響應性能得到改善,並且輸出電壓的波動變小。

-當R3=62kΩ時,實測波形的波動部分被放大了,為什麼?

這是為了表明在負載暫態響應期間發生了振鈴。這是負載響應得到改善,但相位裕量減少、穩定性降低的結果。

-我們已經比較了DC/DC轉換器的頻率特性和負載暫態響應的模擬資料以及實測資料,下面請您總結一下比較結果。

首先,在評估DC/DC轉換器時,穩定性和響應性是非常重要的特性。 對於這些DC/DC轉換器評估,需要使用FRA測量頻率特性,並使用電源IC的相位調整用引腳進行最佳化。在此次的範例中,是透過將BD90640EFJ的VC引腳的相位補償電阻值從標準值增加或減少值,來確認特性變化的,但使用評估板或機台等實物進行確認時,需要反複試錯,比如反復進行電路板的加工以連接FRA,反復進行電阻和電容的更換作業等,工作量很大,不僅如此,近年來呈現高密度安裝趨勢,這種情況下非常可能無法進行這些操作。在此之前,無法使用FRA的情況也不在少數。

就像這次您看到的一樣,利用模擬,可以透過更改零件常數非常輕鬆地確認特性。模擬結果基本上包含與實測值之間的偏差,但是由於可以掌握相對於零件常數變化的波動趨勢,因此可以基於模擬結果為零件常數設定大致目標。我們認為,透過使用模擬,DC/DC轉換器頻率特性的最佳化工作將會變得更輕鬆,這將能夠加快DC/DC轉換器設計速度。

-順便問一下,關於ROHM Solution Simulator,有相關的資料嗎?

當您訪問ROHM Solution Simulator專頁時,會看到相對應的連結,點選連結可立即下載使用者手冊和白皮書。還有介紹概要和導入方法的視訊。 基本上,有關ROHM Solution Simulator的所有資訊都可以從該頁面訪問。

-我聽說這次使用的模擬電路今後會繼續增加。

目前,大致上有功率元件電路解決方案(Power Device Solution Circuit)和IC電路解決方案(ICs Solution Circuit),它們都是與電源相關的專案。這也是因為功率元件的應用產品呈現高電壓和大功率趨勢,非常不容易評估,因此建議充分運用模擬技術。關於IC電路解決方案,希望能像這次一樣,作為設計和評估的輔助工具發揮其應用的作用。這兩種解決方案每天都在研發中,並且解決方案的數量也在不斷增加中。

-感謝您的講解。

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