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好
接下去我们讲一下
DCAP和DCAP2模式的环路分析
首先 我们介绍一下 D-CAP 模式
这个名字是怎么来的
首先
我们最早的时候是想
让我整个控制环路更快更好的
去响应我的负载变动
那这样的话
我们就希望是直接去
采样我输出电容上面的一些信息
直接把电容上面的一些信息给采样回来
因为这个电容上面
包括了电感的 ripple 电流的信息
而这个电感电流通过
我的 ESR 可以产生纹波
所以我们平时最早的时候
一般选用输出电容是
聚脂电容或者说电解电容
它的 ESR 会比较大
这样我电容上的纹波信息会比较多
那我采样了这个 ripple 信息以后
我就可以把这个信息
回传到我内部的一个比较器
跟我的参考电压去做比较
然后通过比较器输出
去进行控制
所以我们平时就叫做
Directly from the output CAPacitors
就是我们等于是直接把
我输出电容上面的信息采集回来
来进行控制
这样来控制我的输出电压
所以我们称之为 D-CAP 模式
这个模式它其实主要还是
基于我里面的一个迟滞比较器
由于它是直接把我
输出电压的信号
ripple 信号采集回来
所以它里面其实不需要一个误差放大器
直接把这个信号采集进来
跟我的参考信号去做比较
这样我可以把
因为我里面是一个比较器
所以说整个环路的带宽是非常宽的
响应也是比较高的
这是我们5128系列实测的一个波形
我们的输出电流是从
1安培一直跳变到15安培
然后以3安培每微秒的
一个非常快的一个斜率进行上升
然后这是
我们可以看一下
它对应输出电压的一个跳变幅度
那这一格是50毫伏
我们可以看一下
当它在跳变的时候
我输出电压几乎就是跳变很少
基本上连10-20毫伏都没有
所以说这个电流响应的速度
是非常非常快的
基本上用电流模式去做的话是比较难的
那电压模式就是更难做了
所以为什么在很多一些
通讯的一些产品上面
它后面如果带的是
一些天线的一些调制解调器
或者说一些 Wi-Fi 芯片
Bluetooth 芯片
它的瞬时穿透能力是非常强的
那这样的话它其实就是一个
需要非常快的一个动态响应的一个 DCDC
那其实 D-CAP 模式
就是可以很好的去满足这个需求
而且它设计非常简单
然后补偿网络也非常简单
所以它整个环路控制也是相当简单
所以这是 D-CAP 模式
应该说是最大的一个优点了
但是它也有一些缺陷
就是说因为我们前面说说它是要
采集你的纹波信号
所以说你需要一个比较大的
ESR 的一个输出电容
比如说电解电容
所以有时候在一些板子面积不够大的情况下
就没有办法使用
还有就是说因为它对输出的纹波要求
也是非常高的
所以说它只有在纹波高的情况下
控制才会比较精确
所以说对于有一些后端的系统设计
纹波要求比较高的一些系统来说的话
其实还是有一些它的一些不足之处的
所以说我们怎么去解决刚才那两点不足呢
所以我们就推出了 D-CAP2 模式
那D-CAP2 模式就是现在很多客户
也在使用的这样的一个方式
我们可以看一下 D-CAP2 和 D-CAP
有什么区别
基本上它的区别很小很小
我们可以看一下
它也是采样我的输出电容的纹波
然后进我的比较器进行比较
但是唯一的不同是
就是说它在输入之前
它又叠加了一个人为的
一个 ripple 的一个产生信号
来进我的比较器进行比较
所以说 D-CAP2
它其实就是内部我去模拟的
一个电感电流上面的 ripple 信号
所产生这样的一个 ripple 信号
所以说 D-CAP2 其实我就是
人为去产生一个纹波信号
来去模拟我电感电流上的一个纹波信号
来达到和我 D-CAP 同样的
一个快速和精确的一个响应速度和一个控制
所以在这个情况下
对于我们输出电容的 ESR 要求
就不是很高了
所以说在这种控制模式下
我可以输出去加一些陶瓷电容
并且这样的话
我的输出电压的纹波也可以非常非常小
所以它基本上就是完全
把 D-CAP 的缺点给改正了
所以说如果我们没有纹波注入的功能的话
如果我们去选一个
ESR 非常小的一个电容的话
那这样的话
等于是我输出的电压的纹波会非常非常的小
那纹波非常非常小的话
那因为我们知道比较器它里面都是
有一个滞回窗口的
那如果当我的纹波比较小的话
这样会造成我比较器输出的信号
其实也是非常不稳定的
那这样的话会导致
我的输出的 SW 这个信号也一直在抖动
这是我加了纹波注入和不加纹波注入的
两个 SW 波形
我们可以看到
它其实都是用了陶瓷电容做输出电容的
因为我们知道陶瓷电容它的 ESR 特别小
所以说它会使我的输出电压的纹波也特别小
那在我输出电压纹波特别小的情况下
当我不去加了纹波注入的时候
我们可以发现
因为我纹波特别小
因为我纹波特别小
而我的比较器它其实是有一个滞回窗口的
当我的纹波一直在窗口里面的话
会导致我比较器输出其实是不稳定的
也是一个不正确的输出
它经常会导致我的 Q1 管
过早的打开或过晚的关断
所以它会在输出的 SW pin 脚上面
会形成这样一个抖动的一个波形
当我叠加了纹波注入以后
这样使我进入比较器的纹波信号会变大
变大以后它可以这样可以
更加精确的去使我比较器做一个控制的输出
D-CAP2 除了纹波注入功能以外
它还有抖动优化的功能
因为我们知道当我的 FB pin 脚
这边如果有一些干扰或一些扰动的话
它会使我的输出的 SW pin 脚不稳定
在这里我们又叠加了一个谐波补偿
它其实
我们可以看一下
如果当我这边如果有一个 noise 进来的话
会导致我 FB pin 脚的一个下降沿
会形成上下的震动
如果我添加了一个谐波补偿的话
这样我就可以把我参考电压的信号
给改变成是这样的一个补偿的信号
那我们可以看一下
如果当我不加这个谐波补偿的时候
我的抖动是有这么大一个范围
当我添加了谐波补偿以后的话
我可以把抖动减小到这么小的一个范围
所以抖动的优化功能它其实就是优化了
当我电压的反馈的信号有一些干扰的话
我可以使我的输出的 SW pin 脚
所以抖动优化的功能它其实就是
当我采集过来的
电压纹波信号有受到干扰
或者是说有一些 noise 进来的话
这样可以保证
我的输出的 SW pin 脚信号
更加稳定
所以我们可以看一下
TPS54327 D-CAP2 模式的一个 DCDC
当我从轻载跳重载的时侯
我的输出电压的跳变非常非常小
只有17个毫伏
那当我从重载跳轻载的时候
它的电压响应相对来说会差一点
那是因为 D-CAP2 里面它其实用的是
固定 On-time 时间
所以说如果当我发现
我的输出电压高的情况下
我就不启动我的 Ton
我直接让它的输出电压缓慢地掉下来
这是一个 TPS54327 的 D-CAP2 的
一个 DCDC 的一个电压输出的响应波形
我们可以看一下
从轻载跳重载的时候
从0到3安培的情况下
我的输出电压其实只往下跳变了一个17毫伏
这是一个非常非常快的一个动态响应
当我从重载跳轻载的情况下
我的响应会相对说会差一点
主要是因为这颗芯片
它是一个轻载高效的一个芯片
所以说
当我从重载跳到轻载的时侯
其实我只会去把我的 Q1 管给关断
我不会去把我的(下管)给打开
所以它会让输出电压去缓慢地下降
那如果是选用了非轻载高效
也就是强制 CCM 的模式的话
当我从重载跳轻载的时候
我会强制
在轻载情况下
我会强制把我的开关管给打开
所以说在那种芯片情况下
从重载到轻载的响应速度会更快
接下去我们看下
D-CAP2 的一个内部的一个控制框图
我们先看从 Duty cycle 这边
到我的输出电压
它其实跟电压模式是一样的
它是一个 LC 的一个二阶网络
HFB 是反馈电压网络
它其实就是一个电阻的分压的一个比例系数
在这里添加个电容
它其实就是一个前馈电容
它其实主要就是为了增加
整个系统的一个 phase margin
这样的整个一个补偿网络
它就是一个一阶的一个前馈网络
然后它产生一个 Feedback 信号
这个 Feedback 信号和内部的一个参考电压进行比较
比较以后会产生一个 Duty cycle
去给到前边的 S1 和 S2 管的一个控制
这里的 Hcomp
其实它这里就是一个一阶的前馈网络
所以它整的一个控制流程
就是说
我输出电压经过我的反馈网络
产生我的 FB 信号和我内部的
一个比较器进行比较
产生个 Duty cycle
再重新回到前面驱动器
去控制我的输出电压
这是 D-CAP2 的一个内部的一个流程图
其实我们可以通过这个状态方程
可以看到它的 GDV
也就是说从我的控制端到我的电压输出端
它其实就是一个 LC 的一个二阶网络
之所以这个二阶网络存在的话
所以说我们一定要在它前边去做
还有一个就是这边有一个 Ton delay
但是一般因为 D-CAP 和 D-CAP2
它的输入电压和我的输出电压
其实差别还是挺悬殊的
所以说在这边 Ton 的时间还是比较短的
所以说
对于整个 Ton delay 来说
其实我们可以去忽略不计
因为刚才讲过输出占空比和我 FB 信号
它的传递函数其实是一个阶前馈
那我们把它写出来这个前馈函数
其实就是直流增益去加上我的时常数
我们不同的设备
它的直流常数和时常数是不一样的
我们就举一下我们 562200 和 563200 的话
它的时常数大概是 13.1 微秒
而它的直流增益是 32.5
而这个时常数它对应的前馈零点
大概是位于 12.1k 赫兹左右
如果 HCOMP 能定下来以后
其它的传递函数就比较简单了
反馈的比例系数就是
我的 Vref 去除以 Vout
而占空比到输出
它其实就是一个二阶的网络
那二阶网络对的阻尼系数
和它的转折频率就是如下的表达式
然后我们把这几个传递函数整在一起
我们可以求出我们开环的直流增益就是如下
和对应的穿越频率我们也可以求出来
这个表达式可以对我们平时选择
这个 LC 有帮助
就比如拿我们现在目前用的
这两颗料来说
我的时常数和我的直流增益
这两个常数是定死的
也就是说这个前馈零点是已经定死的
然后这个 Vref 除以 Vout
这个一般是根据客户的输出电压来决定
我的分阻电压网络的
如果说当我的 Vout 越高的话
也就是说我整个我的穿越频率是比较低的
如果我的穿越频率比较小的情况下
对于我一些 DCDC
对于一些瞬态响应就不太好
所以在这种情况下
我们可以把我们的 LC 选的比较小一点
来去补偿我 Vout 比较高的情况
当然一样的
如果当我的 Vout 比较小情况下
我就需要把我的 LC 这个乘积放大
这样防止我的穿越频率过大
始终是保持在同一个穿越频率
这是 D-CAP2 绘制出来的
一个波特图
蓝色的是相位
红色的是增益曲线
其实我们可以看到
如果当我没有前馈补偿的时候
它是一个二阶函数
它是会以-2的斜率往下下降
所以说这个时候我们就必须要
增加一个前馈的一个补偿网络
使我的相位提升上去
使我最终在穿越频率的时候
我是保证 -1 斜率的增益
这样才能使整个系统稳定
这是54325它实测的一个波特图
我们可以看到
在二阶网络的转折频率点的时候
它的相位裕度掉的非常快
它是形成一个 -2dB 的斜率往下去下降
在下到此时的时候
它由于一阶补偿网络的作用
它把相位提升上去
同时它的斜率也变成 -1
使最终在穿越 0dB 的时候
它的相位裕度保持在30-60 度之间
因为前面我们讲过
D-CAP2 内部有一个一阶的前馈零点
D-CAP2 内部有一个一阶的前馈零点
所以当我们在选择
外部 LC 的二阶极点的时候
我们尽量把这个极点和内部的这个一阶零点
尽量保持在相同位置
使我们内部的这个一阶零点
可以去很好的去补偿外部的一个二阶零点
二阶极点
当然我们也可以
根据我们实测出来的这个穿越频率的点
可以去选择这个 LC 的一个乘积
可以把我们这个拐角往小挪
或者说往大的地方去挪
然后去调整它的穿越频率点
这个图是说明
当我的 LC 这个拐点频率
如果显得过低的话
它会导致我的穿越频率会过低
穿越频率过低的话它会使我
整个系统的一个瞬态响应会变差
同时由于我的穿越频率过低
它会使得我内部的一阶零点
并没有完全的发挥作用
而使得我最终的一个相位裕度会变差
如果我们把穿越频率选的过高的话
其实这样也不好
这个穿越频率我们最好是选择在
我们开关频率的二分之一或者三分之一以内
这个是我们一个实测的一个波特图
当我的电感输出在3.3微亨
输出电容是两个22微法并联的一个系统中
我们可以看到它的波特图
在穿越频率时候的
它的相位裕度其实是在28度左右
这样的相位裕度其实是不太够的
所以我们是需要经过前馈补偿方式去进行补偿
这是我们平时常用的一个前馈补偿的一个方式
它其实就是在
在我输出的反馈电阻这边去并一个电容
那这样的话它会
形成一个相互联系的一个零点和一个极点
这上面是它的一个计算公式
其实我们可以看一下
当我零点确定好以后
我的极点也可以去确定
那这个极点其实跟我的
Vout 和 Vref 是有关系的
所以如果当我的
Vout 比较低的一个情况下
也就是说我这个极点去过度的
去靠近这个零点
那其实对我整个的
一个相位裕度的一个提高
其实是没有什么太大影响的
而当我的输出电压比较大的一个情况下
那这样的话我的极点可以远离我的零点
那这样的话对我整个相位的一个提高
效果会比较明显
所以说有时候在
我们输出电压比较低的一个情况下
比如说输入在1伏的一个情况下
其实我用前馈方式补偿
其实效果并不是很明显
这是我们加了前馈补偿以后
它的一个输出的一个波特图
其实我们可以明显的发现
在穿越频率时候的相位裕度
其实得到了明显的一个提升
得到了48度
那如果是在输出电压比较低的一个情况下
通过前馈补偿方式不明显的话
其实我们可以适当的去
提高一下输出电容的 ESR
比如说
我们可以去选一些比如说聚脂电容
它的 ESR 相对说会稍微相对大一点
这样的话其实输出的 ESR
和输出电容的容值
它其实也可以去形成一个零点
对我的相位裕度也可以有些补偿
这个就是在我们输出电压比较低的情况下
通过前馈补偿效果不明显
这时候我们就可以选一些
比较稍微大一点的 ESR 的一个聚脂电容
那其实我们可以看
这个我们可以去理论上
去计算出这个 ESR 的一个理论值
Fco 其实就是我们前面一个拐点的
一个二阶的一个转折频率点
那我们可以通过这个方式可以计算出
我们所需要的一个输出电容的
一个 ESR 值
那这样的话
我们可以把这个零点
去补偿在那个二阶极点那边
这是我们用了 34 毫欧的聚脂电容的
一个输出电容测出来的一个波特图
其实我们可以看到
就是说我们稍微把 ESR 稍微提高一下以后
其实可以看到它的相位裕度
又得到了一些提升
可以在66度范围内
这是我们电流模式和 D-CAP2 模式的
一个总结
一个优缺点的总结
其实电流模式和 D-CAP 模式
其实也不能说是谁好谁坏
只是说在不同的应用场景中有各自的作用
比如说电流模式它的优点就在于
它的控制的频率精度
一般是可以做的比较高
而且它的频率可以做成同步的
如果是需要开关频率精确度比较高
而且又是可以同步的话
建议去选择电流模式
而且电流模式它的输出的电压范围
一般可以比较宽
它一般可以做到
我 Vout 是我 Vin 的
最高可以到70%左右
而且相比于电压模式它的补偿网络会更简单
而且动态响应也很好
缺点就是我们前面提到过就是说
电流模式它的补偿网络会
相对来说会要复杂一点
而且对于补偿网络的一些基本知识
要有所掌握
才能去设计一个比较好的一个补偿网络
另外一个就是说它的动态响应是比
D-CAP 和 D-CAP2 要慢的
因为它里面是一个误差放大器
而我整个响应的速度
就是受限于我这误差放大器的一个带宽
D-CAP2 的优点其实就是
电流模式的缺点
它其实动态响应可以做的非常非常的快
因为它内部是通过比较器翻转的方式去做的
而且它的补偿网络也非常简单
前面也都提到过了
就是没有什么特殊情况
一般是不太需要补偿网络的
它的缺点就在于
对我的输出电压的范围是受限制的
因为它主要受制于
里面的一个 On-time 的时间
因为当我的输出电压越高的话
其实我会导致里面的 On-time 过长
它会导致里面的时常数过大
所以导致我整个 On-time 的延时过长
而且有些设备
它内部产生 ripple 的共模电压
它比较内部的共模电压的
一个输入范围也受到限制
当然它的频率精度也是要比电流模式低的
而且不能是同步
然后纹波仅仅是针对 D-CAP 来说的话
D-CAP 的电压纹波会比较大
那现在 D-CAP2 它内部叠加了纹波注入
所以说
这个缺点其实也没有了
所以具体选择 D-CAP
D-CAP2 或者说是电流模式
还是要根据实际的应用去做选择
还是要根据实际的应用去做选择
课程介绍
共计6课时,1小时39分46秒
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