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到底什么是电源的斜波补偿,电源芯片CS引脚作用,一文讲清楚!

  • 25-02-21 19:40
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blog.csdn.net

到底什么是电源的斜波补偿,一文讲清楚!

  • 先搞清几个问题
    • 为什么需要电流环?
    • 为什么需要斜坡补偿?
    • 什么是峰值电流模式?
    • 什么是CS引脚?
    • 如何实现斜坡补偿?
    • 斜坡补偿的两种方式?
    • 斜坡补偿的优点缺点

先搞清几个问题

大家在做电源的设计的时候,往往会测SW或者mos管的栅极看看电源存不存在Jitter?因为这关乎电源本身的EMC性能以及稳定性。
在这里插入图片描述
可以看到不健康的Jitter是左右杂乱无章的抖动(测试的时候记的上升沿触发,千万不要上升沿和下降沿一起触发)
在这里插入图片描述健康的抖动是均匀的抖动

所以如果遇到Jitter是很大,不健康的时候,如果此时占空比大于50%,那就证明我们的电路需要斜波补偿了,那我们又应该如何debug?
在这里插入图片描述
可怕的次谐波振荡,蓝色为电感平均电流,红色为mos管栅极电压。

好的,我们可以先搞清楚几个问题

为什么需要电流环?

我们 一般看到的开关电源都是电压控制模式,即通过输出电压分压反馈并调节PWM波,实现对输出电压的控制。但是在一些拓扑:推挽、半桥/全桥等可能存在偏磁问题(导致磁芯饱和),电压控制模式无法感知并矫正;另外电压反馈的响应需要先由输出电源电压Vo跌落后才能监测到(会有输出电容滞后电压相位),开关电源输出调整的时间往往比较长

  • 因此在需要响应较快的电源中。往往会引入电压环和电流换一起在电路中起作用。
  • 如何判断某个DC DCcontroller有电流环,只需要看该芯片是否有CS引脚,是否有检流电阻?

为什么需要斜坡补偿?

CCM模式下,当占空比超过50%时,电感电流的上升时间就超过整个周期的50%,下降时间没有整个周期的50%,在较短时间内,电流还未来得及回到静态初始点,下一个周期就开始了。下一个周期的初始电流变大了,电感电流更快的上升到了参考点(电流环),使得占空比变窄,导致电流下降时间又变长,下一个周期的初始电流值又变小,又继续导致占空比超过50%,如此循环往复。此时Jitter也会来回抖动,如下图
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述
至于占空比大于0.5就需要斜坡补偿,除了上面的解释,还有非常复杂的计算推导公式。我这边直接晒结论了。
在这里插入图片描述

什么是峰值电流模式?

上文有提到电流环,其实电流环再细分也有很多模式,用的最多的是峰值电流模式
峰值电流模式调节工作原理如下:
(1)当输出负载增大时,输出电压降低,因此,Vc 增大,线性增加的电感电流只有升高到更大的值才能使 PWM 电流比较器翻转,开关管导通的时间增长,占空比增加,输入功率增加,因此输出电压增加,当输出电压增加到调节的范围内时,系统保持平衡。
(2)当输出负载降低时,输出电压升高,因此,Vc 降低,线性增加的电感电流在较低的值就可以使 PWM 电流比较器翻转,开关管导通的时间缩短,占空比降低,输入功率降低,因此输出电压降低,当输出电压降低到调节的范围内时,系统保持平衡。
在这里插入图片描述
搞清楚这几个问题,我想大家应该对为什么要用斜坡补偿,有个了解

什么是CS引脚?

刚刚有提到如何区分带不带电流环的controller,提到了CS引脚,我们看一下CS引脚的外围电路
在这里插入图片描述
可以看到RS 是采样电阻,CS引脚是采样点,comp引脚是误差放大器的输出,I slope是斜波补偿的电流源,RSL用来将Isope转换成Vslope。细心的同学发现了有两个比较器,一个是用来做限流保护,一个是用来生成PWM波。
在这里插入图片描述

所以这里特别容易产生误区
CS引脚:current sense(电流检测)
电流环就必须有电流反馈引入到控制系统中,CS引脚就负责采集这个电流信号
Comp引脚:compensate(补偿)
COMP为误差放大器补偿脚。该脚与误差放大器反相输入端(VFB)之间应接入RC补偿网络,以改善误差放大器的性能。

一般是从芯片内部误差放大器的输出引出来,外部一般都需要加一个补偿电容.因为内部运放的反向输入端和补偿输出端之间需要接阻抗,结成负反馈形式,这个阻抗可以是C,也可以是RC,以及其它。如果是C,就是积分调节。如果是RC,就是比例积分调节。如果是其它,就是其它调节。主要作用是环路的稳定性,在频域范围内满足控制理论稳定性的要求,这样才能使电源稳定性好。在各种情况下都能稳定输出而不出现异常。

如何实现斜坡补偿?

如何实现斜坡补偿呢?
在峰值电流比较的模式上,此时电感的Iref,是个固定值,那么我们可以将这个固定值变成一个三角波,如下图。可以让上升的电流斜率提前到达峰值点,这样MOS管就提前关断,电流提前下降,在一个周期的电流起点就固定了。电流的起点和终点固定,那么平均电流也就固定了。
在这里插入图片描述
换个思维,可以修改Iref,当然也可以修改电感电流。最终的目的都是去调节电感电流的上升斜波和下降斜率,使每个周期的电流起点都能保持一致。系统稳定。因此斜波补偿的方式有2种。
在这里插入图片描述Sf为下降斜率,Sc为补偿斜率,Sr为上升斜率。要想系统趋于收敛,每一次的δ必须小于前一次的δ
所 的程度所以就有了上图的公式,来计算补偿的斜率。

斜坡补偿的两种方式?

刚刚提到了去改变Iref的斜率补偿方法,还有一种是在电感电流上去叠加一块斜率。
如TI 手册中描述的那样:
在采样电压的斜坡上叠加一个小的(来自时钟 )固定斜坡电压
在这里插入图片描述同样可以达到调整电流切换点的目的,配合着外围电路,我们来看一下TI手册中如何计算补偿的斜率。
在这里插入图片描述

在这里插入图片描述

斜坡补偿的优点缺点

斜坡补偿技术的缺点 斜坡补偿虽然可以抑制次谐波振荡,但它也有缺点,在电源设计过程中需要考虑到,例如:
由于增加了斜坡补偿,芯片的限流值将随占空比的增加而逐渐减小,过大的斜坡补偿会影响系统的动态性能
限流值:
在这里插入图片描述
在这里插入图片描述

该章节引用,MPS电源讲解,链接如下:https://www.monolithicpower.cn/cn/learning/resources/recognition-and-elimination-of-subharmonic-oscillations

注:本文转载自blog.csdn.net的朱小挚玩转X86的文章"https://blog.csdn.net/jwgdhuwdhg/article/details/138820104"。版权归原作者所有,此博客不拥有其著作权,亦不承担相应法律责任。如有侵权,请联系我们删除。
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