Warum kompensieren wir PWM-Controller?

Es ist die grundlegende Steuerungs- und Rückkopplungstheorie. Vielen Dank, Herr Lyapunov , Herr Black und Herr Nyquist .

Denken Sie daran, dass jeder überall immer genau die richtige Spannung am Ausgang seines Netzteils haben möchte, egal was passiert. Wie geht das? Der beste Weg, den wir kennen, ist die Verwendung von Feedback.

Führen Sie eine Probe der Ausgangsspannung und des Ausgangsstroms zurück, um sie mit einem Referenzstandard zu vergleichen. Da die Rückkopplung negativ ist oder die Differenz zwischen der Ausgangsgröße und der Referenz gebildet wird, wird ein Fehlersignal erhalten.

In Ihrer Beispielschaltung wird die Differenz zwischen Vref und Vfb im Error Amp verwendet, um Verr zu erhalten. Für die beste Genauigkeit muss Verr minimiert werden, also wendet der Fehlerverstärker auch Gain an, viel Gain, je mehr desto besser.

Es ist ein bisschen 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 ideal mit unendlicher Verstärkung ist, ist die Differenz zwischen den Eingängen Null. Gleiche Grundidee mit einem PWM-Controller, allerdings mit zusätzlichen Stufen. Nach dieser Idee brauchen Sie nur unendliche Verstärkung und Bandbreite im Fehlerverstärker (und alles andere), um das zu erreichen, was jeder überall und jederzeit will.

Unendliche Bandbreite? Halten Sie hier an

Wenn alle Stufen der Schleife eine unendliche Bandbreite hätten, wäre das alles, was dazu nötig wäre. Eine Entschädigung wäre nicht erforderlich. Aber es gibt überall Bandbreitenbeschränkungen.

Erstens gibt es die Nyquist-Frequenz der PWM-Abtastung. Aufgrund des einmaligen Abtastens pro PWM-Periode werden Verstärkung und Phase des Leistungsmodulators, all das Zeug in Ihrem Diagramm zwischen dem Ausgang des Fehlerverstärkers und dem Eingang des Ausgangsfilters, zusammenbrechen wie eine Ladung Steine, die bei der Nyquist-Frequenz über eine Klippe gehen.

Da das Schaltnetzteil durch zeitliches Abtasten verschiedener Spannungen, zumindest Vin und Vin Rtn, funktioniert, ist die Rohausgabe dann etwas holprig und wird gefiltert, um geglättet zu werden. Der Filter liefert immer mindestens 2, manchmal mehr und meist komplexe Pole. (Einige würden sagen, dass die Strommodussteuerung einen der Pole überfährt, aber in Wirklichkeit bewegt sie sich nur heraus, sodass Sie sich nicht wirklich darum kümmern.) Zwei Pluspole bieten einen Phasenverlust von 180 Grad, was dem Negativ entspricht Feedback und viel Gain ergeben einen wunderbaren Oszillator.

Wir brauchen immer noch viel Schleifenverstärkung, besonders bei niedrigen Frequenzen, um Ausgangsfehler und Netzwelligkeit 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 DC maximal hoch, fällt jedoch um 20 dB pro Dekade ab und fügt bei den höheren Frequenzen nur 90 Grad Phasenverschiebung hinzu. Schließlich tauchen mehr Pole auf, 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 wird eine Kompensation für einen einzelnen Pol haben, eine Form davon ist in Ihrem Diagramm mit angegeben$R_c$und$C_c$. Diese Art der Kompensation funktioniert ziemlich gut für Schleifen mit Strommodussteuerung und diskontinuierlichen Flybacks, die einen dominanten Pol an der Ausgangsfilterkappe und -last haben ($f$~$\frac{1}{2\pi R_o C_o}$). In diesem Fall$R_c$und$C_c$werden so gewählt, dass sie diesen Pol abdecken und die Verstärkung des Fehlerverstärkers so einstellen, dass sie 0 dB überschreitet, bevor andere Pole auftauchen.

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

Sie sollten auch wissen, dass das referenzierte Diagramm ein besonderer, aber beliebter Fall ist. Der Fehlerverstärker ist nicht wirklich ein OpAmp, sondern ein Transkonduktanzverstärker, der Spannung in Strom umwandelt. Deshalb$R_c$und$C_c$statt des invertierenden Eingangs auf Masse gehend dargestellt. Vc ist am Ende der Ausgangsstrom des Fehlerverstärkers mal der Impedanz von$R_c$und$C_c$. Dies ist ein beliebter Fall, da Transkonduktanzverstärker in einem IC einfacher herzustellen sind und daher sehr häufig in PWM-Controllern verwendet werden.

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

bedingte Stabilität

Control Theory Boost Converter

Hier ist einer von TI über Kompensationsverstärker .

Wenn Sie sich die Open-Loop-Verstärkung des Systems ansehen, würden Sie sehen, dass das Schließen der Schleife dazu führen würde, dass das System ohne die Verwendung der entsprechenden Kompensationskomponenten selbst oszilliert.

Stellen Sie sich vor, Vfb wäre nicht mit dem Fehlerverstärker verbunden, sondern Sie hätten ihn auf einem O-Scope überwacht. Stellen Sie den + Eingang des Fehlerverstärkers auf einen beliebigen Gleichstromwert ein und ersetzen Sie Vref durch einen Oszillatoreingang.

Entfernen Sie die Kompensationskomponenten.

Sweepen Sie den Eingang von DC bis zu mehreren MHz und sehen Sie sich das Open-Loop-Vfb-Signal an. Was Sie bemerken würden, ist, dass bei niedrigen Frequenzen eine hohe Verstärkung vorhanden ist und diese mit steigender Frequenz kleiner wird. Sie sehen auch eine Phasenänderung im Signal, und bei einer beliebigen hohen Frequenz würde das Vfb-Signal schließlich die Phase verschieben, sodass bei Anschluss von Vfb eine positive Rückkopplung auftritt und die gesamte Schaltung zu einem Oszillator wird.

Die Kompensationsschaltung dient dazu, entweder diese Phasenverschiebung zu verhindern oder die Open-Loop-Verstärkung an dem Punkt, an dem sich das Signal in Phase verschiebt, auf weniger als eins zu reduzieren.

Dadurch wird das System stabilisiert.

Wie wählen Sie sie aus? Wahrscheinlich Versuch und Irrtum in vielen Fällen, weil es möglicherweise schneller geht als das Rechnen.