Perché compensiamo i controller PWM?

Ho studiato gli alimentatori in modalità switch per un po '. Ho compreso il principio di funzionamento di diverse topologie comuni Ma c'è un dettaglio nelle strutture dei circuiti di controllo che ancora non capisco. Noi usiamo il$R_c$ e $C_c$per "compensare" il feedback di tensione. Ma perché? Ho visto molti progetti pratici di esempio nei fogli dati IC del controller PWM. Quasi tutti includono questa tecnica di compensazione RC. Ma nessuno di loro menziona come scegliere i valori di$R_c$ e $C_c$. Perché abbiamo bisogno di tale compensazione e come possiamo determinare i valori di questi elementi?

È una teoria fondamentale di controllo e feedback. Grazie, onorevoli Lyapunov , Black e Nyquist .

Considera che tutti ovunque vogliono sempre che l'uscita del proprio alimentatore abbia la giusta tensione, qualunque cosa accada. Come gestirlo? Il modo migliore che conosciamo è usando il feedback.

Alimentare un campione della tensione di uscita e della corrente, tornare indietro per confrontarlo con alcuni standard di riferimento. Poiché il feedback è negativo o poiché la differenza è rilevata tra la quantità in uscita e il riferimento, si ottiene un segnale di errore.

Nel circuito di esempio, la differenza tra Vref e Vfb viene rilevata nell'amplificatore di errore per ottenere Verr. Per una migliore precisione, Verr deve essere ridotto al minimo, quindi l'amplificatore Error applica anche guadagno, molto guadagno, tanto meglio è.

È un po 'come la situazione del terreno virtuale con un OpAmp. OpAmp ha un sacco di guadagno, la sua uscita viene ricondotta all'ingresso in modo negativo e la differenza tra l'ingresso positivo e l'ingresso negativo diventa praticamente zero. Se OpAmp è ideale con guadagno infinito, la differenza tra gli ingressi è zero. Stessa idea di base con un controller PWM, anche se con stadi extra. Secondo questa idea, hai solo bisogno di guadagno e larghezza di banda infiniti nell'amplificatore di errore (e tutto il resto) per ottenere ciò che tutti ovunque vogliono sempre.

Larghezza di banda infinita? Fermati qui

Se tutti gli stadi del loop avessero una larghezza di banda infinita, sarebbe tutto ciò che ci sarebbe. Non sarebbe necessario alcun risarcimento. Ma ci sono limiti di larghezza di banda ovunque.

Innanzitutto, c'è la frequenza di Nyquist del campionamento PWM. A causa del campionamento una volta per periodo PWM, il guadagno e la fase del modulatore di potenza, tutta quella roba nel diagramma tra l'uscita dell'amplificatore Error e l'ingresso del filtro di uscita, andrà in crash come un carico di mattoni che attraversa una scogliera alla frequenza di Nyquist.

Quindi, poiché l'alimentatore a commutazione funziona eseguendo il campionamento temporale di varie tensioni, almeno Vin e Vin Rtn, l'output grezzo è un po 'irregolare e viene filtrato per essere appianato. Il filtro fornisce sempre almeno 2, a volte più, e solitamente poli complessi. (Alcuni direbbero che il controllo della modalità corrente cavalca uno dei poli, ma in realtà viene spostato in modo da non preoccuparsene molto.) Due poli più forniscono 180 gradi di perdita di fase, che con il negativo feedback e molti guadagni renderanno un oscillatore meraviglioso.

Abbiamo ancora bisogno di molti guadagni di loop soprattutto alle basse frequenze per occuparci dell'errore di uscita e dell'ondulazione di rete, ma come gestire tutto lo sfasamento man mano che la frequenza sale? Crea un integratore del loop. In questo modo il guadagno è massimo su DC, ma diminuisce di 20 dB per decennio, aggiungendo solo 90 gradi di sfasamento alle frequenze più alte. Alla fine, vengono visualizzati più poli, quindi il guadagno del loop viene regolato per avere un guadagno complessivo inferiore a 0 dB da allora.

La maggior parte di ciò che serve per trasformare il loop in un integratore è fatto dall'amplificatore Error ed è una compensazione. Il caso più semplice avrà una compensazione per un singolo polo, una forma di cui è nel diagramma$R_c$ e $C_c$. Questo tipo di compensazione funziona abbastanza bene per i loop con controllo della modalità corrente e flyback insoddisfacenti, che avranno un polo dominante sul tappo del filtro di uscita e carico ($f$~$\frac{1}{2\pi R_o C_o}$). In questo caso$R_c$ e $C_c$ sono scelti per coprire quel polo e per impostare il guadagno dell'amplificatore Error su 0 dB prima che vengano visualizzati altri poli.

Questo è raramente fatto per tentativi ed errori, poiché ci sono un numero infinito di modi per rovinare il ciclo e solo pochi modi per farlo davvero bene.

Dovresti anche sapere che il diagramma di riferimento è un caso speciale, ma preferito. L'amplificatore di errore non è in realtà un OpAmp, ma piuttosto un amplificatore di transconduttanza, che converte la tensione in corrente. Ecco perchè$R_c$ e $C_c$sono mostrati andando a terra invece dell'inversione dell'input. Vc finisce per essere la corrente di uscita dell'amplificatore Error per l'impedenza di$R_c$ e $C_c$. È un caso preferito perché gli amplificatori di transconduttanza sono più facili da realizzare in un circuito integrato, quindi sono molto comunemente usati nei controller PWM.

Ci sono domande su questo sito che sono correlate, eccone un paio:

condizionale stabilità

Teoria dei controlli Convertitore boost

Eccone uno da TI sugli amplificatori di compensazione .

Se osservassi il guadagno ad anello aperto del sistema, vedresti che la chiusura dell'anello causerebbe l'oscillazione automatica del sistema senza l'utilizzo dei componenti di compensazione appropriati.

Immagina che Vfb non sia stato ricollegato all'amplificatore di errore ma invece lo hai monitorato su un O-scope. Impostare l'ingresso + sull'amplificatore di errore su un valore cc abitaneo e sostituire Vref con un ingresso oscillatore.

Rimuovere i componenti di compensazione.

Sposta l'ingresso da CC fino a diversi MHz e osserva il segnale Vfb ad anello aperto. Quello che noteresti è che c'è un alto guadagno alle basse frequenze e questo diminuisce con l'aumentare della frequenza. Si vede anche un cambiamento di fase nel segnale e ad una certa frequenza abitraria il segnale Vfb alla fine cambierebbe fase in modo tale che se Vfb fosse collegato ci sarebbe un feedback positivo e l'intero circuito diventerebbe un oscillatore.

Il circuito di compensazione è lì per impedire tale spostamento di fase o per rendere il guadagno ad anello aperto inferiore all'unità nel punto in cui il segnale si sposta in fase.

Questo stabilizza il sistema.

Come li scegli? Probabilmente tentativi ed errori in molti casi perché è forse più veloce che fare i conti.