Warum kompensieren wir PWM-Controller?

Ich habe für eine Weile Schaltnetzteile studiert. Ich habe das Arbeitsprinzip mehrerer gängiger Topologien verstanden. Aber es gibt ein Detail in den Steuerschaltungsstrukturen, das ich immer noch nicht verstehe. Wir verwenden und , um die Spannungsrückkopplung zu "kompensieren". Aber warum? Ich habe viele praktische Beispiele in PWM-Controller-IC-Datenblättern gesehen. Fast alle von ihnen enthalten diese RC-Kompensationstechnik. Aber keiner von ihnen erwähnt, wie man die Werte von und wählt . Warum brauchen wir eine solche Kompensation und wie bestimmen wir die Werte dieser Elemente?$R_c$$C_c$$R_c$$C_c$

Es ist eine grundlegende Kontroll- und Rückkopplungstheorie. Vielen Dank, Herr Lyapunov , Herr Black und Herr Nyquist .

Bedenken Sie, dass jeder überall möchte, dass der Ausgang seines Netzteils genau die richtige Spannung hat, egal was passiert. Wie geht das? Der beste Weg, den wir kennen, ist die Verwendung von Feedback.

Rückführung einer Probe der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms zum Vergleich mit einem Referenzstandard. Da die Rückkopplung negativ ist oder die Differenz zwischen der Ausgangsgröße und der Referenz genommen wird, wird ein Fehlersignal erhalten.

In Ihrer Beispielschaltung wird der Unterschied zwischen Vref und Vfb im Fehlerverstärker genommen, um Verr zu erhalten. Für eine optimale Genauigkeit muss Verr minimiert werden, sodass der Fehlerverstärker auch die Verstärkung anwendet. Je mehr, desto besser.

Es ist wie die virtuelle Bodensituation mit einem OpAmp. Der OpAmp hat viel Verstärkung, sein Ausgang wird negativ auf den Eingang zurückgeführt und die Differenz zwischen dem positiven Eingang und dem negativen Eingang wird praktisch Null. Wenn der OpAmp mit unendlicher Verstärkung ideal ist, ist die Differenz zwischen den Eingängen Null. Gleiche Grundidee mit einem PWM-Controller, allerdings mit zusätzlichen Stufen. Nach dieser Idee benötigen Sie nur eine unendliche Verstärkung und Bandbreite im Fehlerverstärker (und alles andere), um immer das zu erreichen, was jeder überall will.

Unendliche Bandbreite? Halte hier

Wenn alle Stufen der Schleife eine unendliche Bandbreite hätten, wäre das alles, was dazu gehört. Es wäre keine Entschädigung erforderlich. Es gibt jedoch überall Bandbreitenbeschränkungen.

Erstens gibt es die Nyquist-Frequenz der PWM-Abtastung. Aufgrund der einmaligen Abtastung pro PWM-Periode stürzen die Verstärkung und Phase des Leistungsmodulators, all das in Ihrem Diagramm zwischen dem Fehlerverstärkerausgang und dem Ausgangsfiltereingang, wie eine Ladung Steine ​​ab, die mit der Nyquist-Frequenz über eine Klippe fahren.

Da das Schaltnetzteil durch zeitliches Abtasten verschiedener Spannungen, zumindest Vin und Vin Rtn, funktioniert, ist seine Rohleistung etwas holprig und wird gefiltert, um geglättet zu werden. Der Filter liefert immer mindestens 2, manchmal mehr und normalerweise komplexe Pole. (Einige würden sagen, dass die aktuelle Modussteuerung von einem der Pole gesteuert wird, aber tatsächlich wird sie nur ausgefahren, so dass Sie sich nicht wirklich darum kümmern.) Zwei Pluspole bieten einen Phasenverlust von 180 Grad, was mit dem Negativ verbunden ist Feedback und viel Gain machen einen wunderbaren Oszillator.

Wir brauchen immer noch viel Schleifenverstärkung, insbesondere bei niedrigen Frequenzen, um Ausgangsfehler und Netzwelligkeiten zu beseitigen. Aber wie geht man mit all dieser Phasenverschiebung um, wenn die Frequenz steigt? Machen Sie einen Integrator der Schleife. Auf diese Weise ist die Verstärkung bei Gleichstrom maximal hoch, fällt jedoch pro Jahrzehnt um 20 dB ab und fügt bei den höheren Frequenzen nur eine Phasenverschiebung von 90 Grad hinzu. Schließlich werden mehr Pole angezeigt, sodass die Schleifenverstärkung so eingestellt wird, dass die Gesamtverstärkung bis dahin weniger als 0 dB beträgt.

Das meiste, was nötig ist, um die Schleife in einen Integrator zu verwandeln, wird vom Fehlerverstärker und seiner Kompensation erledigt. Der einfachste Fall hat eine Kompensation für einen einzelnen Pol, dessen Form in Ihrem Diagramm mit und . Diese Art der Kompensation funktioniert ziemlich gut für Schleifen mit Strommodussteuerung und diskontinuierlichen Flybacks, die einen dominanten Pol an der Kappe und der Last des Ausgangsfilters haben ( ~ ). In diesem Fall werden und ausgewählt, um diesen Pol abzudecken und die Fehlerverstärkung so einzustellen, dass sie 0 dB überschreitet, bevor andere Pole angezeigt werden.$R_c$$C_c$$f$$\frac{1}{2\pi R_o C_o}$$R_c$$C_c$

Dies geschieht selten durch Ausprobieren, da es unendlich viele Möglichkeiten gibt, die Schleife durcheinander zu bringen, und nur wenige Möglichkeiten, sie wirklich richtig zu machen.

Sie sollten auch wissen, dass das Diagramm, auf das verwiesen wird, ein spezieller, aber beliebter Fall ist. Der Fehlerverstärker ist nicht wirklich ein OpAmp, sondern ein Transkonduktanzverstärker, der Spannung in Strom umwandelt. Aus diesem Grund wird gezeigt, dass und anstelle des invertierenden Eingangs gegen Masse gehen. Vc ist der Ausgangsstrom des Fehlerverstärkers mal der Impedanz von und . Dies ist ein beliebter Fall, da Transkonduktanzverstärker in einem IC einfacher herzustellen sind und daher in PWM-Controllern sehr häufig verwendet werden.$R_c$$C_c$$R_c$$C_c$

Es gibt Fragen auf dieser Seite, die verwandt sind, hier ein paar:

bedingte Stabilität

Steuertheorie-Aufwärtswandler

Hier ist eine von TI über Kompensationsverstärker .

Wenn Sie sich die Verstärkung des Systems im offenen Regelkreis ansehen, werden Sie feststellen, dass das Schließen des Regelkreises dazu führen würde, dass das System selbst schwingt, ohne die entsprechenden Kompensationskomponenten zu verwenden.

Stellen Sie sich vor, Vfb wurde nicht wieder an den Fehlerverstärker angeschlossen, sondern Sie haben ihn auf einem O-Scope überwacht. Stellen Sie den + Eingang am Fehlerverstärker auf einen beliebigen Gleichstromwert ein und ersetzen Sie Vref durch einen Oszillatoreingang.

Entfernen Sie die Kompensationskomponenten.

Wischen Sie den Eingang von DC bis zu mehreren MHz und sehen Sie sich das Vfb-Signal mit offener Schleife an. Was Sie bemerken würden, ist, dass es bei niedrigen Frequenzen eine hohe Verstärkung gibt, die mit steigender Frequenz kleiner wird. Sie sehen auch eine Phasenänderung im Signal und bei einer bestimmten hohen Frequenz würde das Vfb-Signal schließlich die Phase verschieben, so dass bei Anschluss von Vfb eine positive Rückkopplung auftreten würde und die gesamte Schaltung zu einem Oszillator würde.

Die Kompensationsschaltung dient dazu, diese Phasenverschiebung entweder zu verhindern oder die Verstärkung im offenen Regelkreis an dem Punkt, an dem sich das Signal in der Phase verschiebt, kleiner als eins zu machen.

Dies stabilisiert das System.

Wie wählst du sie aus? Wahrscheinlich Versuch und Irrtum in vielen Fällen, weil es möglicherweise schneller ist als das Rechnen.