系统工程师努力采用更小的电源解决方案尺寸,以便在PCB上为其产品的独特功能留出足够的空间。内部补偿是一种减小电源解决方案尺寸的技术;但是,这种方法确实有一些权衡。本应用笔记探讨了不同的内部补偿技术,并重点介绍了最有效的方法。
介绍
用于当今设计的PCB已经非常拥挤,特别是为了适应最终产品的关键功能。这是 为什么系统工程师努力缩小电源解决方案的尺寸。有多种技术可以减少 电源解决方案的大小。其中一种技术是内部补偿,其中繁琐的外部反馈 补偿网络集成到IC中。
然而,内部补偿并非没有缺点。此方法会影响电源解决方案环路的带宽和 稳定性。让我们仔细看看各种内部补偿技术,其中一种提供宽环路带宽 实现高集成度,无需牺牲环路的带宽和稳定性。
简单的内部补偿
图1所示为典型电源电路及其反馈环路和外部补偿电路。补偿 电路针对特定工作条件(输入电压、输出电压、开关频率和输出)进行了优化 电容器)。当一个或多个电路工作参数发生变化时,补偿电路值必须 根据新的电路工作条件进行了更改以优化回路性能。
图1.显示外部补偿的降压转换器原理图。
简单的内部补偿基本上集成了该补偿电路,该电路针对一个特定的 工作状态,进入IC。带有此内部补偿电路的IC工作正常,直到一个或多个 操作参数更改。图2所示为具有简单内部补偿的电源解决方案。
图2.显示简单内部补偿的降压转换器原理图。
内部补偿针对一种特定的工作条件进行了优化。在这种特定的操作条件下, 这个转换器效果很好。但是,它也仅限于这种操作条件。当 工作条件变化(例如,改变 VO, F西 南部和/或 CO值)。
智能、宽带宽内部补偿
图3所示为采用智能、宽带宽内部补偿的降压转换器原理图。这 技术允许调整以适应不同的电路条件,并保留优化的环路带宽 广泛的工作电路参数。它还最大限度地减少了外部元件的数量,从而产生了高度 集成式紧凑型电源解决方案。
图3.显示智能、宽带宽内部补偿的降压转换器原理图。
简单的内部补偿示例
在这里,我们举一个降压转换器实现简单内部补偿技术的示例。图4a、图4b和表1提供了原理图、评估板和物料清单(BOM)。
图 4a.显示简单内部补偿的降压转换器原理图。
图 4b.具有简单内部补偿的降压转换器评估板。
表 1.用于具有简单内部补偿的降压转换器的BOM
指示器 | 描述 | 数量 |
---|---|---|
C04, C05 | 电容, CERM, 0.022μF, 100V, +/-5%, X7R, 0805 | 2 |
加拿大商业协会 | 电容, CERM, 4.7μF, 50V, +/-10%, X5R, 0805 | 1 |
开机式 | 电容, CERM, 0.47μF, 16V, +/-10%, X7R, 0805 | 1 |
CFF | 电容, CERM, 100pF, 50V, +/-5%, C0G/NP0, 0603 | 1 |
CIN1 | 电容, CERM, 0.47μF, 100V, +/-10%, X7R, 0805 | 1 |
CIN2 | 电容, CERM, 1μF, 100V, +/-10%, X7R, 1210 | 1 |
CIN3 | 电容, CERM, 10μF, 100V, +/-20%, X7S, 2220 | 1 |
二氧化碳1、二氧化碳 | 电容, CERM, 47μF, 10V, +/-10%, X7R, 1210 | 2 |
视场角 | 电容, CERM, 1μF, 25V, +/-10%, X5R, 0805 | 1 |
.CSS | 电容, CERM, 0.047μF, 50V, +/-10%, X7R, 0603 | 1 |
CVCC1 | 电容, CERM, 2.2μF, 10V, +/-10%, X7R, 0603 | 1 |
L_60V_HC | 电感器, 屏蔽鼓磁芯, 铁氧体, 10μH, 5.35A, 0.0189O, SMD, 线圈电子 DR125-100-R 1® | 1 |
其他电阻器 | 0603 | 8 |
U1 | 3.5- 60V 2A 降压转换器 | 1 |
这种特殊的降压转换器采用固定频率峰值电流模式控制。该器件在内部进行补偿。 开关频率可通过一个外部电阻器 RT 在 200kHz 至 2.2MHz 范围内进行设置。它默认为 500kHz,没有 RT。内部补偿针对 24V 输入、3.3V 输出、500kHz 开关频率和 2 x 47μF 陶瓷。虽然该转换器在此特定工作条件下运行良好,但它也仅限于此操作 条件。当工作条件发生变化(例如,改变 VO, F西 南部和/或 CO值)。
通过观察转换器对负载阶跃瞬态的响应,我们可以看到简单内部补偿的局限性。 在各种电路工作条件下。图5a显示了原始配置(2 x 47μF)的测试结果,而 图5b显示了输出电容量两倍(4 x 47μF)的结果。
图 5a.负载瞬态性能 - 简单补偿,原始配置 (CO– 2 x 47μF)。
图 5b.负载瞬态性能 - 补偿简单,输出电容翻倍(CO– 4 x 47μF)。
在图5a和图5b中,紫色迹线是输出负载电流步进从1A到2A,然后回 1A.绿色迹线是输出电压,显示响应负载变化的偏差。理想的转换器没有 负载变化时的电压偏差(即绿线是平坦的)。更快的转换器具有较小的电压偏差。 稳定的转换器具有性能良好的输出电压波形,可以从偏差中平稳恢复。
该原始电路(2 x 47μF)具有150mV峰峰值(pk-pk)电压偏差。当输出电容加倍至 4 x4 7μF,我们预计电压偏差将减小一半。但由于简单内部的限制 补偿,输出电容的增加会因此降低转换器环路带宽,从而对转换器环路带宽产生不利影响 影响转换器性能。因此,我们在本例中测量了134mV pk-pk。
因此,通过简单(有限)的内部补偿,将输出电容加倍只会降低输出负载瞬态 反应PK-PK略微达到89%。这 11% 的减少数字并不能证明增加 输出电容。系统工程师坚持原始转换器性能。尝试提高输出电压 偏差性能进一步导致成本和尺寸呈指数级增长。
智能、宽带宽内部补偿示例
图6a、图6b和表2显示了降压转换器的原理图、评估板和BOM 具有智能、宽带宽内部补偿的转换器。
图 6a.具有宽带宽内部补偿的降压转换器。
图 6b.具有宽带宽内部补偿的降压转换器评估板。
表 2.具有宽带宽内部补偿的降压转换器BOM
指示器 | 描述 | 数量 |
---|---|---|
C1 | 2.2μF ±10%, 100V X7R 陶瓷电容器 (1210) | 1 |
C2 | 2.2μF ±10%, 10V X7R 陶瓷电容器 (0603) | 1 |
C3 | 5600pF ±10%, 25V X7R 陶瓷电容器 (0402) | 1 |
C4 | 47μF ±10%, 10V X7R 陶瓷电容器 (1210) | 1 |
C5 | 0.1μF ±10%, 16V X7R 陶瓷电容器 (0402) | 1 |
C7 | 47μF、80V 铝电解电容器 (D = 10mm) | 1 |
L1 | 6.8μH、5A 电感器。线艺MSS1048-682NL。 太阳汤电NS10165T6R8NNA®® | 1 |
其他电阻器 | 0402 | 5 |
U1 | 4.5V-60V、2.5A、高效率、同步降压型DC-DC转换器,带内部补偿 | 1 |
该特定转换器也是一种固定频率峰值电流模式控制器件。但是,它具有智能, 宽带宽内部补偿。其评估套件的开关频率默认为450kHz。内部 补偿针对 24V 输入、3.3V 输出、450kHz 开关频率和 47μF 陶瓷输出电容器进行了优化。 请注意,这只是前面讨论的另一块板上输出电容量的一半。此降压转换器 只需一半的输出电容即可获得相当的输出瞬态响应,因为它很宽 环路带宽。
要检查智能、宽带宽内部补偿的性能,请观察转换器对负载阶跃的响应 在各种电路工作条件下瞬态。图7a显示了原始配置(47μF)下的测试结果, 而图7b显示了输出电容量(2 x 47μF)两倍时的结果。
图 7a.负载瞬态性能 - 原始配置中的智能、宽带宽补偿 (Co= 47μF, R3 = 127k, R4 = 47.5k)。
图 7b.负载瞬态性能 - 智能、宽带宽补偿,输出电容翻倍 (Co= 2 x 47μF, R3 = 52.3k, R4 = 19.6k)。
原始电路(47μF)的峰峰值电压偏差为176mV。当输出电容加倍至2 x 47uF时, 在 84mV 峰峰值时,电压偏差降至 48%,这得益于其智能、宽带宽的内部补偿。这 每次偏差后输出电压的良好恢复波形也显示出非常稳定的环路操作。 此外,与简单的内部补偿解决方案相比,该转换器最初只需要一半的量 的输出电容,由于其宽环路带宽,可实现相当的输出瞬态响应。
表3显示了简单内部补偿降压转换器与 智能、宽带宽内部补偿。
表 3.比较两种类型的降压转换器
简单的内部补偿 | 智能、宽带宽内部补偿 | |||
---|---|---|---|---|
输出电容 | VO偏差,包-包 | 输出电容 | VO偏差,包-包 | |
原始配置 | 2 x 47μF | 150mV | 47微呋喃 | 176mV |
输出电容翻倍 | 4 x 47μF | 134mV | 2 x 47μF | 84mV |
VO 偏差百分比降低 | - | 11% | - | 52% |
请注意,在测量输出电压负载瞬态响应时,应使用低噪声示波器探头。图8显示了用于测量这些电压的方法。本实验中使用的设备包括:
电源: HP6032A
电子负载:安捷伦 6060B®
示波器:泰克TDS3034B®
使用的其他设置:
负载阶跃压摆率:1A/μs
输出电压探头带宽,通道4:20MHz
输出电流探头带宽,通道3:300MHz
图8.用于测量输出电压负载瞬态响应的低噪声探头技术。
总结
对于集成度更高的电源解决方案,内部补偿有助于减少外部元件数量和电路 复杂性。简单的内部补偿会降低系统性能,还会导致环路不稳定。 MAX17503以及Maxim的许多Himalaya转换器和功率模块产品均提供智能、宽带宽内部补偿,可实现两全其美:高集成度,同时保持最佳环路带宽和控制环路稳定性,通过最小化外部输出电容要求来减小尺寸和成本。
审核编辑:郭婷
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