DCAP/DCAP2 Mode环路分析

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