[开关电源]

开关电源环路补偿及开关频率纹波滤除

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shuiqinghan2012|  楼主 | 2017-12-19 13:29 | 显示全部楼层 |阅读模式
最开始使用凌特IC做了一个4节锂电池充电和系统供电的模块。
输入14~30V。输出16.8V,VBAT最大充电电流3.3A。VOUT输出3A(实测4A没问题,效率91%)。

但从最开始到现在遇到了两个问题,可以说是开关电源中很核心的两个问题,再次发帖,希望能达到抛砖引玉的效果,能帮助更多的人。
也希望能彻底理解和解决掉这两个核心问题。

问题一:环路补偿--环路不稳定。
      首先:在我刚做的demo到达后测试,输入15V,输出16.8V,输出电流在2A以上时就电感啸叫,并且电感发烫严重,计算此时的效率大概在80%左右。
基本可判断为环路不稳定造成,但当时不知道如何解决,直接在2A或者3A状态下测量补偿引脚ITH或VC,发现示波器探头接触后,电感不再啸叫,也不再
发烫。查阅了相关资料,主要有TI:环路补偿很容易以及凌特:
开关模式电源的建模和环路补偿设计http://linear.**.com/article/id-%E5%BC%80%E5%85%B3%E7%94%B5%E6%BA%90

其中提到一点:环路不稳定的一般表现为:不稳定电源的典型症状包括:磁性组件或陶瓷电容器产生可听噪声、开关波形中有抖动、输出电压震荡、功率 FET 过热等等
判断方式使用:一种快速确定运行不稳定是否由环路补偿引起的方法是,在反馈误差放大器输出引脚 (ITH) 和 IC 地之间放置一个 0.1μF 的大型电容器。(或者,就电压模式电源而言,这个电容器可以放置在放大器输出引脚和反馈引脚之间。) 这个 0.1μF 的电容器通常被认为足够大,可以将环路带宽拓展至低频,因此可确保电压环路稳定性。如果用上这个电容器以后,电源变得稳定了,那么问题就有可能用环路补偿解决。
1.开始之前:测量补偿前的动态响应输出:使用示波器交流耦合方式1A到3A加载,10mS.波形如下:(瞬态负载)
补偿前-大电流时输出交流耦合.jpg
可以看出,是一个很不稳定的二阶系统(二阶响应
2.添加0.1uF补偿电容:(最好先看一下凌特上述链接的**,再看我下面的实验及说明)结果如下:
补偿使用0.1uF电容时大电流交流耦合.jpg
可以看到其变成得稳定了,再次条件下测量带载能力,输出16.8V,3A没问题。
据此可判断环路带宽太宽,即交叉频率Fc太大,导致系统不够稳定,因此需要将Fc缩小,引Power state已基本固定,就通过修改补偿环节以达到修改环路补偿Abeita的效果。
(如需深入了解因学习一下负反馈理论和运算放大器传递函数等理论,后面会添加TI的反馈笔记)

根据TI环路补偿很容易部分的伯德图,可判断基本方式为减小如下中频增益和拓宽补偿零点。降压时也相同
boost f.jpg

根据其计算公式,可知要较少Rcomp或Ccomp.
再(回想使用示波器探头测量之后就会变稳定,就是因为探头的2M电阻与Ro 1M并联,较小了Ro,也即降低了中频增益)。
一下具体操作时将Ccomp减小1倍,也即将零点提高1倍。使得Fc较小,环路变稳定。

TypeII.jpg

具体实验为:Rcomp 47K;Ccomp=270pF
测试OK,3A负载(2A加载)时瞬态有200mV过冲,且有高频毛刺。波形如下:

270pF 10pF.jpg

据此稳定性已基本解决,测试全部输入电压范围和最大负载3A均正常,效率到在90%以上。
效率对比如下:
效率1.jpg

14V输入时:补偿前效率为83%,补偿后为93%;
发热消耗的功率为:16.8x3x10%=5W;可见电感不烫也是不行啊。
据此不稳定问题已解决,同步发出希望遇到相似问题的人参考,再次请再次注意,不稳定可能引起的现象,防止一开始就走偏路:
环路不稳定的一般表现为:不稳定电源的典型症状包括:磁性组件或陶瓷电容器产生可听噪声、开关波形中有抖动、输出电压震荡、功率 FET 过热等等
电感发热不一定是过流问题,也可能是不稳定问题。


问题二:输出电压含有频率与开关频率相同的纹波。如下解决?

设计为240Khz的PWM波,实际测试238Khz,输出Vout也具有相同频率的纹波,3A时纹波240mV,再以上瞬态响应的示波器图中也能看到其大概的轮廓。
以下是电感在接近输出端的波形为标准的二阶响应。

查找了相关的网站,可以使用RCD的方式吸收MOS的尖峰,目前准备添加如下的RC测试,还未测试,也请大侠们帮忙说说相关的办法。

dianlu.jpg

如下是百度文库中找到的资料说明:

随着SWITCH的开关,电感L中的电流也是在输出电流的有效值上下波动的。所以在输出端也会出现一个与SWITCH同频率的纹波,一般所说的纹波就是指这个。它与输出电容的容量和ESR有关系。这个纹波的频率与开关电源相同,为几十到几百KHz。
另外,SWITCH一般选用双极性晶体管或者MOSFET,不管是哪种,在其导通和截止的时候,都会有一个上升时间和下降时间。这时候在电路中就会出现一个与SWITCH上升下降时间的频率相同或者奇数倍频的噪声,一般为几十MHz。同样二极管D在反向恢复瞬间,其等效电路为电阻电容和电感的串联,会引起谐振,产生的噪声频率也为几十MHz。这两种噪声一般叫做高频噪声,幅值通常要比纹波大得多。

二极管高速导通截止时,要考虑寄生参数。在二极管反向恢复期间,等效电感和等效电容成为一个RC振荡器,产生高频振荡。为了抑制这种高频振荡,需在二极管两端并联电容C或RC缓冲网络。电阻一般取10Ω-100 Ω,电容取4.7pF-2.2nF。
在二极管上并联的电容C或者RC,其取值要经过反复试验才能确定。如果选用不当,反而会造成更严重的振荡。
对高频噪声要求严格的话,可以采用软开关技术。关于软开关,有很多书专门介绍


如上所说二极管在本电路中为MOS(同步整流电路)。


请各位一起讨论,谢谢!


以下资料请参考:





电感输出端波形.jpg

7571.环路补偿很容易.pdf

1.71 MB

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mmuuss586| | 2017-12-19 13:57 | 显示全部楼层

牛,感谢分享;

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shuiqinghan2012|  楼主 | 2017-12-20 12:52 | 显示全部楼层
怎么没人讨论了,帮忙顶一下

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showfom123| | 2018-8-31 14:31 | 显示全部楼层
厉害厉害

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半杯水所示| | 2018-9-3 08:48 | 显示全部楼层
感谢分享

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shuiqinghan2012|  楼主 | 2018-10-2 16:28 | 显示全部楼层

互相学习

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zyxxxxx| | 2018-10-9 16:56 | 显示全部楼层
mark  学习一下

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不亦心| | 2018-10-15 23:32 | 显示全部楼层
发个裤衩鼓励一下

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luxifaweifeng| | 2018-11-5 11:13 | 显示全部楼层
感谢分享,先顶一下

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闲云浩海| | 2018-12-10 10:11 | 显示全部楼层
纹波还好去除,但是开关噪声很难,和布线的关系很大,主要是引线的寄生电感,而且寄生电感和走线宽度还没关系,最主要的影响寄生电感值的因素就是走线长度,楼主这是全桥的,外置的MOS,走线也一定比内置集成的要长。还有那个1206封装的0.5W的电流采样电阻,只能采集到一个方向的电流吧

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forrestyuan| | 2019-1-9 13:31 | 显示全部楼层
mark  学习一下

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caicai999| | 2019-1-23 13:29 | 显示全部楼层
谢谢,学习了。

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lwh13201589135| | 2019-6-1 22:18 | 显示全部楼层
厉害

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garin223| | 2019-6-24 17:27 | 显示全部楼层
学习了。

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ksdypcb| | 2019-7-12 09:47 | 显示全部楼层
您好:
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donghao1| | 2019-7-16 11:06 | 显示全部楼层
学习一下,点个赞。
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