Jak utrzymać stały margines fazy w synchronicznych przetwornicach typu buck

Podczas projektowania przetwornicy step-down typu buck jednym z najważniejszych aspektów jest zachowanie stabilności działania konwertera. Przetwornica działa stabilnie, gdy margines fazy w pętli sprzężenia zwrotnego jest większy niż zero stopni. Przyjmuje się, że minimalnym akceptowalnym marginesem fazy jest 45°. Utrzymanie marginesu fazy na odpowiednim poziomie, gdy wartości elementów w układzie odbiegać mogą nawet o 50% od ich oryginalnych, obliczonych wartości może być sporym wyzwaniem dla projektanta takiego systemu. Na przykład zdarza się, że wartości indukcyjności i pojemności elementów układu, odpowiednio cewek i kondensatorów, zmienia się wraz z napięciem ich polaryzacji oraz temperaturą pracy elementu.

Wykorzystując nową topologię kontroli - zaawansowany tryb prądowy (ACM) - dostępną w przetwornicach step-down z rodziny SWIFT firmy Texas Instruments (np. TPS543C20) porównano przebieg widma fazy w trzech przypadkach. W każdym z nich zmieniano wartość pojemności kondensatora wyjściowego, cewki lub obu tych elementów, ale bez wprowadzania innych zmian w układzie. Pomiary i wszystkie próby przeprowadzone zostały z wykorzystaniem modułu ewaluacyjnego TPS543C20EVM-799.

Wszystkie pomiary przeprowadzane były dla następujących parametrów układu:

Napięcie wejściowe = 5 V;
Napięcie wyjściowe = 0,9 V;
Częstotliwość przełączania = 500 kHz;
Pierwotnie zastosowana cewka - indukcyjność 470 nH i 0,165 mΩ rezystancji stałoprądowej.
Pierwotnie zastosowany kondensator wyjściowy: 2 x 330 µF oraz 3 mΩ zastępczej rezystancji szeregowej + 3 x 100 µF (kondensatory w rozmiarze 1206).
Obciążenie wyjścia prądem 10 A; obciążenie o charakterze rezystancyjnym.

Przypadek numer 1

Pierwszy przypadek zilustrowany jest wykresem Bodego na rysunku 1. W układzie tym dokonano jedynie jednej zmiany - usunięto jeden z kondensatorów 0,33 mF, pozostawiając pozostałe. Wszystkie inne warunki pracy układu były identyczne jak w opisie powyżej.

Na wykresie fazy widać, że jej zależność spektralna nie odbiega od analogicznej wartości dla oryginalnego układu. Zasadniczo w takim układzie faza nie zmienia się przez ponad dekadę częstotliwości, aż do napotkania biegunów, wynikających z indukcyjności i pojemności w systemie.



Przypadek numer 2

Drugi z analizowanych przypadków ilustruje wykres Bodego na rysunku 2. W tym przypadku zmieniono wartość indukcyjności cewki w układzie. Nowy element charakteryzuje się indukcyjnością wynoszącą 250 nH przy takim samym oporze stałoprądowym jak oryginalny element. Wszystkie pozostałe parametry i elementy pozostałe te same.

Widać, że kształt widma fazy nie zmienia się za bardzo w porównaniu to oryginalnego układu, a także wykazuje podobne jak on wypłaszczenie na przebiegu dwóch dekad.



Przypadek numer 3

Ostatni z przykładów zobrazowany został na rysunku 3 gdzie znajdziemy wykres Bodego dla tego układu porównany z oryginalnym przebiegiem fazy i amplitudy systemu. W trzecim przypadku zmieniono w układzie dwie rzeczy, łącząc przykłady pierwszy oraz drugi - w układzie usunięto jeden kondensator 0,33 mF oraz zmieniono wartość indukcyjności cewki na 250 nH. W tym przypadku ponownie faza zachowuje swój płaski kształt w kluczowym miejscu charakterystyki.



Jak zaprezentowano powyżej, dzięki nowej topologii ACM, możliwe jest utrzymanie stałej fazy z odpowiednim marginesem, by zapewnić stabilność układu przy szerokim zakresie wykorzystanych elementów - istotnie większym, niż zazwyczaj zdarza się w to w układach produkcyjnych. Taka praca nie jest możliwa w klasycznych przetwornicach tego rodzaju.

Źródło: https://e2e.ti.com/blogs_/b/powerhouse/archive/2018/03/02/maintain-a-constant-phase-margin-in-a-synchronous-buck-converter