使用回路補(bǔ)償軟件工具實(shí)現(xiàn)電壓/濾波器的優(yōu)化方案

作者：Magnus Karlsson博士，高級信號處理專家，偉創(chuàng)力電源模塊

以往，轉(zhuǎn)換器制造商除了依靠電源模塊專家的專業(yè)知識來設(shè)計(jì)濾波器，優(yōu)化控制回路，然后得到結(jié)果以外，別無其他選擇?，F(xiàn)在，這個時代已經(jīng)一去不復(fù)返。系統(tǒng)設(shè)計(jì)人員現(xiàn)在可以使用免費(fèi)軟件來快速、容易地得到結(jié)果。電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件中嵌入的環(huán)路補(bǔ)償工具已經(jīng)得到發(fā)展，工程師在概念階段可以利用它來優(yōu)化電壓，這樣就可以方便地嘗試不同的配置，然后重新運(yùn)行仿真，直到獲得最佳結(jié)果。那么，推動這一進(jìn)步的工程原理是什么？

首先，值得指出的是，在電源轉(zhuǎn)換器的輸入和輸出上增加感容濾波器有許多目的。這類濾波器不僅可以減少反射紋波電流和輸出噪聲，而且可以滿足EMC輻射和抗擾性法規(guī)的要求。

現(xiàn)在，可以使用回路補(bǔ)償軟件例程以簡單的格式來對設(shè)計(jì)進(jìn)行檢查并對這些指標(biāo)的結(jié)果進(jìn)行仿真。也就是說，工程師可以通過事先評估任何問題和挑戰(zhàn)，更好地了解哪些電源模塊適合系統(tǒng)所需。規(guī)格齊全的回路補(bǔ)償軟件，可以在數(shù)分鐘內(nèi)直接在數(shù)字Z域?qū)﹄娫崔D(zhuǎn)換器進(jìn)行設(shè)計(jì)、仿真、分析和配置。

評估控制回路的穩(wěn)定性

為了實(shí)現(xiàn)電壓/濾波器的優(yōu)化，可以采用多種方式使用回路補(bǔ)償軟件工具。要優(yōu)先考慮的是尋找超出要求的任何電壓偏差——不僅是峰值，而且包括標(biāo)稱電壓附近的整個區(qū)域。需要注意的是，回路優(yōu)化例程對設(shè)計(jì)良好的外部去耦濾波器——即電源模塊與負(fù)載之間距離較短（越近越好，但必須在10cm內(nèi)）的濾波器——來說最有效。15mΩ或更低ESR（等效串聯(lián)電阻）電容器在實(shí)現(xiàn)優(yōu)化控制回路方面也非常有用。

另一種方案是并聯(lián)使用多個較小的電容器（具有相同的類型和時間常數(shù)），以降低ESR。用控制理論來講，沒有什么比模型的精度更好。因此，有必要使用正確的ESR值，以及使用寄生電感（由電源模塊和負(fù)載之間走線所引起）的正確估計(jì)值，這反過來又將在負(fù)載瞬變期間提供更好的電壓偏差預(yù)測，以及設(shè)計(jì)的魯棒性。

數(shù)字控制技術(shù)的影響

電源轉(zhuǎn)換器中引入數(shù)字控制技術(shù)，使許多用戶在設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)目刂苹芈费a(bǔ)償時遇到了困難。一種常見的方法是使用傳統(tǒng)的模擬工具來確定解決方案，然后將該解決方案轉(zhuǎn)換到數(shù)字Z域。但是，這種方法可能很耗時，而且得到的解決方案往往不是最佳。

這成為了推動有效、可靠電壓優(yōu)化技術(shù)發(fā)展的原因之一。其他因素則取決于設(shè)計(jì)項(xiàng)目進(jìn)展的固有方式。不幸的是，電源通常是在設(shè)計(jì)最后階段才進(jìn)行考慮，此時許多設(shè)計(jì)工程師才將這個功能添加到電路板的角落或任何剩余區(qū)域。其結(jié)果是電源模塊無法靠近負(fù)載放置，這就存在關(guān)鍵指標(biāo)出現(xiàn)性能不良的風(fēng)險。此外，由于預(yù)算限制，許多設(shè)計(jì)人員會選擇比如ESR值為45mΩ的電容器，而不是15mΩ的電容器，后者的成本大約是前者的兩倍。

圖1：根據(jù)初始輸出濾波器配置對濾波電容和走線電感值（包括相關(guān)的ESR值）進(jìn)行詳細(xì)建模。

要確定回路補(bǔ)償工具的輸出濾波器部分包括哪些電容，最簡單方法是，按每種類型的總電容和最長的時間常數(shù)來對它們進(jìn)行計(jì)算和分類（圖1）。這個過程將展示兩種待包含的電容類型，即那些總電容值最大和時間常數(shù)最長的電容。其他電容的時間常數(shù)通常很小，以至于它們不會對控制回路造成干擾，或者可以針對額外的元件/模型不確定性增設(shè)裕量來予以處理。

實(shí)現(xiàn)有效的仿真

在所有情況下，有必要通過有效仿真來對電壓進(jìn)行優(yōu)化。以一個濾波器設(shè)計(jì)為例，它在靠近負(fù)載處的ESR值為45mΩ，并具有大約20nH的大電感（模塊和負(fù)載之間）。在此，可以使用回路補(bǔ)償來指示所關(guān)心的區(qū)域。例如，如圖2所示，在本示例中，去載后電壓會出現(xiàn)巨大的偏差。顯然，靠近負(fù)載處20nH的電感和較大的ESR值會形成一個激進(jìn)的控制回路，而另一個問題是頻率帶寬范圍，因?yàn)樗鼤?4kHz的標(biāo)稱值擴(kuò)展到128kHz的最大值。這個特定仿真的目標(biāo)設(shè)置為20kHz，因此很明顯，元件的容差會使控制回路變得非常敏感。圖3所示的輸出阻抗曲線也凸顯了這個問題——高頻下的高阻抗會導(dǎo)致較大的電壓偏差，進(jìn)而導(dǎo)致大電流。

圖2：在有20nH電感以及較大ESR靠近負(fù)載的情況下，由于激進(jìn)的控制回路，去載時的偏差非常明顯。

圖3：開環(huán)波特圖中交越頻率（0dB）的相應(yīng)變化。

消除電流尖峰

在使用回路補(bǔ)償工具的情況下，一種解決方案是降低增益，直到輸出阻抗表現(xiàn)得恒定或直到電流尖峰消失為止（圖4）。在本示例中，通過控制回路優(yōu)化，增益從26dB降至12.5dB。結(jié)果，電壓偏差或多或少呈現(xiàn)出對稱性——負(fù)載曲線和負(fù)載釋放曲線中的電流尖峰都消失了，而頻率帶寬范圍則明顯縮小（10至14kHz）。輸出阻抗的變化也很小。簡而言之，使用優(yōu)化過程可以顯著提高回路設(shè)計(jì)的魯棒性和性能。

圖4：降低回路增益，直到輸出阻抗看起來恒定并且電流尖峰消失為止。

作為替代解決方案，可以根據(jù)不同的目標(biāo)重新運(yùn)行優(yōu)化工具（圖5）。例如，使用相同的案例，可以將頻率帶寬目標(biāo)從其原始值20kHz降低到15、10和5kHz。隨后的分析（圖6）表明這種替代解決方案非?？煽浚?yàn)榻Y(jié)果表明其參數(shù)分布很小。值得注意的是，正負(fù)電壓偏差的形狀幾乎相同，并且負(fù)載電流沒有尖峰。

圖5：降低帶寬目標(biāo)，然后運(yùn)行優(yōu)化。

圖6：優(yōu)化后的負(fù)載電流和電壓偏差都表現(xiàn)得更好。

重新設(shè)計(jì)方案

當(dāng)然，第三種方案是使用相同的電路板面積，通過移動元件或最好使用更好的元件來重新設(shè)計(jì)濾波器，如圖7所示。在本示例中，大電感說明需要嘗試不同的大容量電容分配方案——靠近電源模塊占25%，靠近負(fù)載則占75%。

圖7：另一種解決方案是通過將大容量電容移到靠近負(fù)載的位置來重新設(shè)計(jì)濾波器。

通過對重新設(shè)計(jì)的濾波器進(jìn)行仿真（圖8）可知，其輸出阻抗峰值幾乎相等，并且，盡管負(fù)電壓偏差變化不大，但正電壓偏差獲得顯著改善。此外，其沒有極高的帶寬，結(jié)果看起來也魯棒得多。

圖8：具有相同BOM、不同電容布局的結(jié)果。

最新的電源系統(tǒng)設(shè)計(jì)軟件，不僅可以對轉(zhuǎn)換器進(jìn)行配置，還具有許多其他優(yōu)勢。例如，設(shè)計(jì)人員和系統(tǒng)架構(gòu)師在使用這類軟件后，可以充分利用最新的數(shù)字電源技術(shù)來對其整個電源系統(tǒng)的效率進(jìn)行跟蹤或仿真。某些套件還使用戶能夠定義跨不同電源輸出軌的關(guān)系，包括相移、上電時序和故障擴(kuò)展。這樣，用戶就能更容易理解系統(tǒng)級的特性，從而有助于縮短產(chǎn)品上市時間。

最終，這類軟件使設(shè)計(jì)人員可以自行進(jìn)行方案設(shè)計(jì)，而不必再依靠電源模塊供應(yīng)商的專業(yè)知識。

注：本文中的圖像是采用Flex Power Designer工具所得。

編輯：hfy