Warum wird Phasenreserve in DC/DC-Wandlern als wichtiger angesehen als Verstärkungsreserve?

Bei vielen DC-DC-Wandlern ist am Ausgang ein „ziemlich“ resonantes Tiefpassfilter beteiligt, das seinen Phasenwinkel „ziemlich“ schnell von 0 Grad auf 180 Grad über einen kurzen Teil des Spektrums ändert. Hier ist die allgemeine Idee mit L = 100 uH und C = 100 uF mit einem effektiven Induktor-Serienwiderstand von 0,3 Ohm: -

Rechnerquelle .

In diesem Bereich kann es also zu Instabilität kommen (aufgrund des Rückkopplungssystems, das versucht, Vout auf einem konstanten Niveau zu halten). Der Phasenwinkel ändert sich um 180 Grad, sodass er negatives Feedback in ein grenzwertiges positives Feedback umwandeln kann. Die Lösung besteht darin, eine Phasenführungsschaltung "innerhalb der Schleife" anzuwenden, die verhindert, dass der Phasenwinkel fast 180 Grad erreicht, während die Amplitude immer noch größer als Eins ist.

Dies hebt den Basisphasenwinkel (annähert sich bei höheren Frequenzen) auf etwas viel weniger (und stabiler) als 180 Grad. Beachten Sie, dass der in der Rückkopplungsschleife verwendete Siliziumverstärker auf Einheitsverstärkung abfällt, die normalerweise um ein Vielfaches höher ist als der Übergangspunkt des Filters. An diesem Einheitsverstärkungspunkt wird die Verstärkungsspanne definiert und sollte daher weitgehend unabhängig vom Kreuzungspunkt des LC-Netzwerks sein.

Das bevorzugte "Gespräch" dreht sich also sofort um Phasenreserve und um dem entgegenzuwirken, was die LC-Schaltung mit dem Phasenwinkel macht. Die Last am Ausgang kann ziemlich gering sein und dies erhöht die Höhe der Resonanzspitze und somit verschiebt sich der Punkt, an dem die Verstärkung durch Eins geht, zu einer höheren Frequenz, aber für die Änderung des Phasenwinkels wird dies nahe an Fn auftreten und es wird dieser Teil des Spektrums sein, der einem Designer die größten Kopfschmerzen bereitet.

Mit anderen Worten, wir kennen das Worst-Case-Szenario – die Phase ändert sich schnell, daher sprechen wir über die Verwendung eines Phasenkompensators, um zu verhindern, dass dieser Phasenwinkel 180 Grad wird.

Diese Art der Anwendung eignet sich eher zur Diskussion des Phasenspielraums als des Gewinnspielraums.

Obwohl es Ausnahmen, Vorbehalte und Feinheiten gibt, sagt Ihnen der Phasenabstand im Allgemeinen mehr darüber aus, wie die Reaktion des Systems aussehen wird. Zum Beispiel, wie viel Überschwingen und Klingeln Sie aufgrund von Lasttransienten erwarten können. Es kann Ihnen auch sagen, ob Sie mehr Leistung erzielen können, indem Sie Ihre Schleifenbandbreite erhöhen (weil der Phasenabstand hoch ist).

Typischerweise verwenden viele Designer 45 Grad als absolutes Minimum an akzeptabler Phasenreserve über Komponententoleranzen usw. und 60 als typisches Ziel.

Die Gewinnspanne ist ebenfalls wichtig, gibt aber nicht so viele Informationen über die Reaktion des Systems. Es sagt Ihnen, wie viel Variation in der Systemverstärkung Sie ertragen können, bevor das System instabil wird. Ein typisches Ziel könnte 12 dB sein.

Ein typischer Entwurfsansatz besteht darin, ein Modell zu verwenden, um die Kompensation zu entwerfen, die auf einen bestimmten Phasenabstand abzielt. Simulieren Sie dann vielleicht mit Monte-Carlo-Techniken und überprüfen Sie, ob Sie Ihren minimalen Phasenspielraum und einen angemessenen Verstärkungsspielraum einhalten. Wenn eines davon ausgeschaltet ist, iterieren Sie das Design. Messen Sie schließlich die Reaktion im Labor, um sicherzustellen, dass sie korreliert.

Im Allgemeinen ist für alle Systeme mit Rückkopplung der Phasenabstand wichtiger (kritischer) als der Verstärkungsabstand. Die Erklärung ist relativ einfach: Die Phasenreserve (bzw. Verstärkungsreserve) gibt Ihnen die zusätzliche (unerwünschte) Phasenverschiebung (bzw. zusätzliche Verstärkung), die den Regelkreis in den Bereich der Instabilität bringt.

Und die Wahrscheinlichkeit, dass irgendwo innerhalb der Rückkopplungsschleife eine zusätzliche (versteckte) Phasenverschiebung auftritt (z. B. aufgrund unbekannter kapazitiver Effekte), ist viel größer als die Wahrscheinlichkeit einer unerwünschten Verstärkungserhöhung. Daher ist die Phasenspanne ein viel kritischerer Stabilitätsindikator als die Verstärkungsspanne.