Почему мы компенсируем ШИМ-контроллеры?

Некоторое время я изучал импульсные источники питания. Я понял принцип работы нескольких распространенных топологий, но в структурах схемы управления есть деталь, которую я до сих пор не понимаю. Мы используем и для «компенсации» обратной связи по напряжению. Но почему? Я видел много примеров практических разработок в таблицах микросхем ШИМ-контроллера. Почти все они включают эту методику компенсации RC. Но никто из них не упоминает, как выбрать значения и . Зачем нам нужна такая компенсация и как мы определяем значения этих элементов?$R_c$$C_c$$R_c$$C_c$

Это фундаментальная теория контроля и обратной связи. Спасибо, господин Ляпунов , мистер Блэк и мистер Найквист .

Учтите, что все везде хотят, чтобы на выходе их блока питания было только правильное напряжение, несмотря ни на что. Как это сделать? Лучший способ, которым мы знаем, это использование обратной связи.

Подача образца выходного напряжения и тока обратно для сравнения с некоторым эталоном. Поскольку обратная связь отрицательна или разница между выходной величиной и эталоном, получается сигнал ошибки.

В вашем примере схемы разница между Vref и Vfb берется в Error Amp для получения Verr. Для лучшей точности нужно минимизировать Verr, поэтому усилитель Error также применяет усиление, чем больше усиление, тем лучше.

Это похоже на виртуальную ситуацию с операционным усилителем. Операционный усилитель имеет большой коэффициент усиления, его выход подается на вход отрицательным образом, а разница между положительным входом и отрицательным входом становится практически нулевой. Если операционный усилитель идеален с бесконечным усилением, разница между входами равна нулю. Та же основная идея с ШИМ-контроллером, хотя и с дополнительными ступенями. Согласно этой идее, вам просто необходимо бесконечное усиление и полоса пропускания в усилителе ошибок (и во всем остальном), чтобы добиться того, чего все и везде хотят постоянно.

Бесконечная пропускная способность? Остановись здесь

Если бы все этапы цикла имели бесконечную полосу пропускания, это было бы все, что нужно для этого. Никакой компенсации не потребуется. Но есть ограничения пропускной способности везде.

Во-первых, это частота Найквиста для ШИМ-дискретизации. Из-за выборки один раз за период PWM усиление и фаза модулятора мощности, все, что на вашей диаграмме между выходом усилителя Error и входом выходного фильтра, будет падать, как нагрузка кирпичей, проходящих через обрыв на частоте Найквиста.

Тогда, поскольку импульсный источник питания функционирует путем временной выборки различных напряжений, по крайней мере, Vin и Vin Rtn, его необработанный выходной сигнал является немного ухабистым и фильтруется для сглаживания. Фильтр всегда обеспечивает как минимум 2, иногда больше, и обычно сложные полюса. (Кто-то скажет, что управление текущим режимом приводит в движение один из полюсов, но на самом деле оно просто сдвигается, так что вы не очень заботитесь об этом.) Два положительных полюса обеспечивают 180 градусов потери фазы, что с отрицательным обратная связь и большой выигрыш сделают замечательный осциллятор.

Нам все еще нужно большое усиление контура, особенно на низких частотах, чтобы позаботиться о выходной ошибке и пульсации сети, но как справиться со всем этим фазовым сдвигом при повышении частоты? Сделайте интегратор цикла. Таким образом, усиление максимально велико при постоянном токе, но уменьшается на 20 дБ за десятилетие, добавляя только 90 градусов сдвига фазы на более высоких частотах. В конце концов, появляется больше полюсов, поэтому усиление контура настраивается так, чтобы к тому времени общее усиление было менее 0 дБ.

Большая часть того, что требуется для превращения цикла в интегратор, выполняется усилителем Error и его компенсацией. В самом простом случае будет компенсация для одного полюса, форма которого находится на вашей диаграмме с и . Такая компенсация работает очень хорошо для петель с управлением текущим режимом и прерывистыми обратными связями, у которых будет доминирующий полюс на крышке выходного фильтра и нагрузке ( ~ ). В этом случае и выбираются так, чтобы покрыть этот полюс и установить усиление усилителя ошибки на 0 дБ, прежде чем появятся какие-либо другие полюсы.$R_c$$C_c$$f$$\frac{1}{2\pi R_o C_o}$$R_c$$C_c$

Это редко делается методом проб и ошибок, поскольку существует бесконечное количество способов запутать цикл и только несколько способов сделать его действительно правильным.

Вы также должны знать, что ссылочная схема - это особый, но любимый случай. Усилитель с ошибками на самом деле не операционный усилитель, а скорее преобразователь тока, преобразующий напряжение в ток. Вот почему и показаны идущими на землю вместо инвертирующего входа. Vc заканчивается выходным током усилителя ошибки, умноженным на сопротивление и . Это излюбленный случай, потому что усилители на основе трансдуктивности проще сделать в ИС, поэтому они очень часто используются в контроллерах ШИМ.$R_c$$C_c$$R_c$$C_c$

Есть вопросы на этом сайте, которые связаны, вот пара:

условно-стабильность

Повышение конверсии теории управления

Вот один из TI о усилителях компенсации .

Если вы посмотрите на усиление системы в разомкнутом контуре, то увидите, что закрытие контура приведет к автоколебаниям системы без использования соответствующих компенсирующих компонентов.

Представьте, что Vfb не был подключен обратно к усилителю ошибки, а вместо этого вы контролировали его в O-области. Установите вход + на усилителе ошибки на некоторое случайное значение постоянного тока и замените Vref входом генератора.

Снимите компоненты компенсации.

Разверните вход от постоянного тока до нескольких МГц и посмотрите на сигнал Vfb разомкнутого контура. Что вы заметите, так это то, что на низких частотах наблюдается высокий коэффициент усиления, который уменьшается с ростом частоты. Вы также видите изменение фазы в сигнале, и на некоторой случайной высокой частоте сигнал Vfb в конечном итоге сдвинет фазу так, что, если Vfb будет подключен, будет положительная обратная связь, и вся цепь станет генератором.

Схема компенсации предназначена либо для предотвращения этого фазового сдвига, либо для того, чтобы коэффициент усиления разомкнутого контура был меньше единицы в момент, когда сигнал действительно сдвигается по фазе.

Это стабилизирует систему.

Как вы их выбираете? Вероятно, во многих случаях методом проб и ошибок, потому что это возможно быстрее, чем делать математику.