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来自工程师的声音

在设计阶段优化DC/DC转换器的频率特性

相位补偿设计方法和仿真的活用

-其2-

关键词
  • 免费仿真器
  • BD90640EFJ
  • VC引脚
  • 相位补偿用电阻
  • 相位补偿用电容器
  • 反馈环路的相位补偿
  • 频率特性调整
  • 相位滞后
  • 极点
  • 相位超前
  • 零点
  • 零交越
  • Fc
  • ROHM Solution Simulator
  • MyROHM会员注册
  • SystemVision® Cloud
  • 瞬态负载响应
  • 振铃

-如果不能使用FRA,则可以通过仿真来处理。

现在,我想实际进行DC/DC转换器的频率特性仿真并将DC/DC转换器的频率特性仿真结果与DC/DC转换器的频率特性实测值进行比较,在此之前,请允许我先给出一些前提条件和理论。这样在看波形时会更容易理解。

首先,用于验证的电源IC使用具有代表性的二极管整流DCDC转换器BD90640EFJ。下面是标准的电路配置、内部框图及产品特点。

BD90640EFJ-C标准电路配置和内部框图

主要特点
・最大输入电压:42V
・输入电压范围:3.5~36V
・输出电流:4A(内置Pch MOSFET)
・开关频率:50k~600kHz、
 ±10%精度
・待机电流低:0µA
・输出电压可调
・参考电压精度:0.8V±2%
・占空比可达100%
・具有过电流保护、热关断功能
・HTSOP-J8封装

接下来,下面给出的电路图是BD90640EFJ评估板的电路,我们将使用该评估板对每种特性进行实测。BD90640EFJ仿真模型的规格与该电路相同(用于连接FRA的R100除外)。

BD90640EFJ-C 评估板电路和规格

BD90640EFJ-C 评估板电路和规格

BD90640EFJ具有一个称为“VC”的引脚。从内部框图可以看出,该引脚直接与内部误差放大器的输出端相连接。反馈环路的相位补偿,即频率特性的调整,是通过外部连接到该引脚的相位补偿用电阻R3和电容器C1进行的。在这次验证中,我们将通过在保持C1不变的同时更改R3的电阻值来确认频率特性的变化。

下图说明了相位补偿电路的工作以及与相位补偿电阻R3之间的关系。

相位补偿电路的工作以及与相位补偿电阻R3之间的关系

相位补偿是通过连接到VC引脚的R3和C1,插入相位超前(零点)补偿,以消除在IC内部产生的相位延迟(极点)。上图中给出了极点fp1和零点fz2的公式。

请看该图中蓝框中列出的项目和波特图。R3=20kΩ是评估电路的标准值,中间的波特图即采用该标准值的结果,蓝线表示相位特性,红线表示增益特性。左侧是将R3减小到3kΩ时的波特图,粗线是R3=20kΩ时的标准特性,用于比较;在该条件下的每种特性均用相同颜色的细线表示,可能不是很容易看清楚。右侧是提高R3后的波特图,同样,细线是该条件下的特性。

当降低R3的值时,零点fz2向高频段移动。在R3=3kΩ时,从20kΩ时的1.7kHz移至11.3kHz。因此,直到更高的频段增益都持续下降零交越(Fc)发生在33.1kHz至8.7kHz的较低频段中。结果是相位裕度虽然会增加,但是响应速度却会变慢。

当提高R3的值时,零点fz2向低频段移动。因此,增益在低频段发生逆转。零交越发生在更高的频段。结果是相位裕度虽然减少,但是响应速度会变快

-也就是说,零点频率会随R3的电阻值而变化,并且相位裕度和响应性能也会随之变化。降低R3会增加相位裕度,但会降低响应速度,而提高R3会减少相位裕度,但会加快响应速度,对吧?

的确如此。电阻值的增减与频率特性变化之间的关系很重要,因为这是调整时的重要依据
序言已经有点太长了,下面进入实际的仿真环节。

我们将使用2020年2月份在ROHM官网上发布的“ROHM Solution Simulator”进行仿真。仅需注册成为MyROHM会员,立即就可以使用ROHM Solution Simulator。如果已经注册,请登录。

单击ROHM官网上的HOME“设计支持工具”的“ROHM Solution Simulator”(截屏①)即可打开页面②。单击页面中间的“IC’s Solution Circuit”的“Switching Regulators”即可打开如③所示的列表。如果从该列表中单击“BD90640EFJ”的“Simulation”按钮,则ROHM Solution Simulator启动,并且同时打开BD90640EFJ的仿真电路。
Simulation有“Frequency Domain(频域)”和“Time Domain(时域)”两种仿真。此次我们将首先模拟频率特性,因此请单击“Frequency Domain”的“Simulation”按钮。Time Domain将在后面进行说明。

ROHM官网
Rohm Solution Simulator页面
Switching Regulators列表

当仿真开始时,将打开如④所示带有电路图的“SCHEMATIC INFORMATION”画面。确认IC的型号正确后,单击电路图或中心附近的Run图标(),将会切换为⑤所示的画面,这时即可更改仿真和组件常数。每个外置部件的常数与评估电路相同。相位补偿电阻R3为红色圆圈中的部分。在评估电路中,插入了R100用于连接FRA,但是在该电路中,在这部分插入了相位/增益测量用的“AC Open-loop Transfer Function Measurement Loop Insert Model”,请看已经通过该模型获得的波特图。单击⑤画面顶部红色圆圈中的标记,即可开始仿真。

Schematic Information 画面
仿真画面

要获得更改目标R3时的频率特性时,双击R3即可打开如⑥所示的R3的属性编辑器(Property Editor),因此,可将RESISTANCE_VALUE从默认的20k更改为3k和62k并分别进行仿真。仅需几秒钟即可输出结果。

-从刚刚您在电脑上的实际操作看,的确非常简单。特别是无需在公司或个人电脑本地端安装任何程序即可立即使用这一点,我认为真的非常好。而且,更令人惊讶的是,仿真结果会立即输出。

更改R3的值

是的,只要可以联网即可立即使用,因此建议您试用一下。特别是为进行频率特性仿真而准备的Frequency Domain电路,经过ROHM建模,可以即时获得结果。

此次,我们将对频率特性的仿真结果与实测特性进行比较和探讨。为此,除了波特图外,还需要瞬态响应波形,以根据输出的负载瞬态响应波形来判断相位补偿是否合适。使用前述的Time Domain仿真电路模型,即可实施负载瞬态响应波形仿真。此外,还可以实施电路每个节点的电压和电流波形等的仿真。

首先,我们来启动Time Domain仿真模型。我们返回到③中所示的Switching Regulators列表,并单击⑦中所示的“Time Domain”列中的BD90640EFJ的Simulation按钮。通过与④相同的方式打开SCHEMATIC INFORMATION画面,并同样单击电路图或中心附近的 PLAY图标 标记,即可显示仿真画面(⑧)。⑧的仿真电路与基本电路相同,但是是可以监测输入电压输入时的开关节点电压和输出电压的启动波形的仿真电路。
该电路对于确认DCDC转换器的基本工作和启动时间很有用,但是要想进行负载瞬态响应仿真,则还需要进行一些修改。

从Switching Regulators点击Time Domain的Simulation
移行至仿真画面和SystemVision Cloud

在ROHM Solution Simulator上,只更改常数参数,是不能更改电路或添加元件的,因此需要移行至ROHM Solution Simulator平台“SystemVision® Cloud”进行修改。进行操作很容易,仅需单击仿真画面右下角红色框中的“Edit in systemvision.com”按钮即可。点击后,将显示如⑨所示的画面。
在左侧菜单中将会出现组件选择选项,选择所需的组件并在画面上将其展开以修改电路图。

通过SystemVision Cloud进行编辑
通过SystemVision Cloud进行编辑和仿真

⑨是将瞬态响应特性仿真所需的脉冲电流源(Current Source – Pulsed)和电流监控器(Current Monitor)组件拖动到电路图上的图像。⑩是通过接线使脉冲电流源成为负载,将电流监控器插入输出线,并将探头连接到输出电压(蓝色)和输出电流(红色)的电路图。现在,按照响应确认条件分别设置脉冲电流源的参数,通过与频率特性仿真相同的方式更改相位补偿电阻R3的值,并获取仿真数据。

-原来如此。也就是说,只要使用基本仿真模型修改电路,就可以执行各种仿真。而且,感觉操作非常简单。

是啊!只要了解了基本操作,就不难使用。现在,让我们来比较一下仿真结果和实测特性。

相位补偿电路的工作以及与相位补偿电阻R3之间的关系

首先,从波特图中可以看出,虽然可以说相位和增益的曲线特征都非常相近,但是零交越频率(Fc)却存在偏差。这是由于各种因素造成的。比如在仿真中,将部件常数设置为没有容差的值,与评估板上的部件之间存在一些差异;比如并未全部反映出实际电路板上的寄生分量;比如这是理想状态等。但是,我们已经通过仿真捕捉到了R3的增减带来的变化趋势,并且已经获得了足够的数据用来参考。例如,提高输入参数的精度(例如输入考虑到陶瓷电容器的DC偏置特性的值)将进一步提高结果的精度。

-就是前面提到的特性变化,即零点频率会随R3电阻值而变化,并且相位裕度和响应性能也会随之变化。降低R3会增加相位裕度,但会降低响应速度,而提高R3会减少相位裕度,但会加快响应速度,是吗?

是的。通过负载瞬态响应的波形也可以确认这一点。出于相同的原因,波形与实测结果并不完全相同,但是如您所见,仿真很好地再现了这些特征。在这两种波形中,都表现出一样的趋势,当R3减小时响应速度会降低,并且输出电压相对于负载变化具有很大的波动;当R3增加时,响应性能得到改善,并且输出电压的波动变小

-当R3=62kΩ时,实测波形的波动部分被放大了,为什么?

这是为了表明在负载瞬态响应期间发生了振铃。这是负载响应得到改善,但相位裕度减少、稳定性降低的结果。

-我们已经比较了DC/DC转换器的频率特性和负载瞬态响应的仿真数据以及实测数据,下面请您总结一下比较结果。

首先,在评估DC/DC转换器时,稳定性和响应性是非常重要的特性
对于这些DC/DC转换器评估,需要使用FRA测量频率特性,并使用电源IC的相位调整用引脚进行优化。在此次的示例中,是通过将BD90640EFJ的VC引脚的相位补偿电阻值从标准值增加或减少值,来确认特性变化的,但使用评估板或整机等实物进行确认时,需要反复试错,比如反复进行电路板的加工以连接FRA,反复进行电阻和电容器的更换作业等,工作量很大,不仅如此,近年来呈现高密度安装趋势,这种情况下非常可能无法进行这些操作。在此之前,无法使用FRA的情况也不在少数。

就像这次您看到的一样,利用仿真,可以通过更改部件常数非常轻松地确认特性。仿真结果基本上包含与实测值之间的偏差,但是由于可以掌握相对于部件常数变化的波动趋势,因此可以基于仿真结果为部件常数设置大致目标。我们认为,通过使用仿真,DC/DC转换器频率特性的优化工作将会变得更轻松,这将能够加快DC/DC转换器设计速度。

-顺便问一下,关于ROHM Solution Simulator,有相关的资料吗?

当您访问ROHM Solution Simulator的导入页面时,会看到相应的链接,点击链接可立即下载用户手册和白皮书。还有介绍概要和导入方法的视频。
基本上,有关ROHM Solution Simulator的所有信息都可以从该页面访问。

-我听说这次使用的仿真电路今后会继续增加。

目前,大体上有功率元器件电路解决方案(Power Device Solution Circuit)和IC电路解决方案(ICs Solution Circuit),它们都是与电源相关的项目。这也是因为功率元器件的应用产品呈现高电压和大功率趋势,非常不容易评估,因此建议充分运用仿真技术。关于IC电路解决方案,希望能像这次一样,作为设计和评估的辅助工具发挥其应用的作用。这两种解决方案每天都在开发中,并且解决方案的数量也在不断增加中。

-感谢您的讲解。

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