DHH教你深入浅出DCDC设计（二）
DC-DC设计：均衡环路响应与纹波（第二篇）环路响应的关键参数与设计方法第一篇介绍了环路响应和输出纹波的基本概念及其相互制约关系。本篇深入分析环路响应的关键参数，包括穿越频率、相位裕度、增益裕度，以及功率级极点和零点对环路的影响，并给出补偿网络的设计方法。一、功率级的传递函数对于电流模式控制的降压变换器，功率级的传递函数可以简化为：从控制到输出的传递函数包含一个主极点和一个由输出电容ESR引入的零点。主极点频率为：
fp = 1 / (2π × Ro × Cout)其中Ro为负载等效电阻，Cout为输出电容。ESR零点频率为：
fz = 1 / (2π × ESR × Cout)主极点导致增益以-20dB每十倍频下降，同时相位下降90度。ESR零点使增益变平，相位回升，这对稳定性有利。但低ESR MLCC使零点频率非常高，在环路带宽内可能不起作用，导致相位裕度不足。此外，电流模式控制还引入一个高频极点，通常在两倍开关频率附近，由电感电流采样和斜坡补偿引起。二、穿越频率的选择穿越频率fc决定了系统的响应速度。fc越高，负载阶跃时输出电压恢复越快，电压跌落越小。但fc受限于以下因素：第一，开关频率。通常fc小于开关频率的五分之一到十分之一。对于430kHz开关频率，fc通常取43kHz到86kHz。第二，相位裕度。fc越高，相位裕度越难保证。如果功率级在fc附近有极点，相位下降过快，fc必须降低。第三，输出电容的ESR零点。如果ESR零点在fc附近，可以提升相位。如果ESR零点远高于fc，则无法帮助相位。第四，开关噪声。fc过高会放大开关噪声，导致输出纹波中的高频分量增大。对于GPU辅助供电，负载阶跃速度快，通常希望fc尽可能高，但必须在相位裕度允许的范围内。典型设计取fc为开关频率的十分之一到五分之一。三、相位裕度的保证相位裕度是系统稳定性的关键指标。设计目标通常为45度到60度。相位裕度低于45度时，阶跃响应出现明显振铃；低于30度时，可能持续振荡。影响相位裕度的因素包括：主极点。主极点导致相位下降90度。如果fc远高于主极点，相位损失接近90度。ESR零点。ESR零点可以提升相位，最高提升90度。如果fc高于ESR零点，相位得到补偿。高频极点。高频极点导致相位进一步下降。如果fc接近高频极点，相位裕度会恶化。补偿网络的极点。补偿网络本身也引入极点和零点，用于塑造环路形状。为了保证相位裕度，通常采用Type II或Type III补偿网络。Type II补偿网络包含一个原点极点、一个零点和一个高频极点。Type III补偿网络包含一个原点极点、两个零点、两个高频极点，适用于需要更大相位提升的场景。四、补偿网络的设计步骤第一步，测量或计算功率级的频率响应。包括直流增益、主极点频率、ESR零点频率、高频极点频率。第二步，确定目标穿越频率fc。根据开关频率和瞬态要求，选择fc。通常取开关频率的十分之一到五分之一。第三步，计算补偿网络在fc处的增益需求。使总环路增益在fc处为0dB。第四步，放置零点。将补偿网络的零点放在功率级主极点附近，以提升相位。如果功率级有ESR零点，可以将补偿零点放在更低频率，以补偿主极点。第五步，放置高频极点。将补偿网络的高频极点放在开关频率的一半或ESR零点之后，以抑制高频噪声。第六步，验证相位裕度。通过仿真或计算，确认在fc处相位裕度大于45度，增益裕度大于10dB。五、电流模式与电压模式的区别电流模式控制将电感电流作为内环，使功率级从二阶系统降为一阶系统，简化了补偿设计。电流模式的主要优势是：功率级主极点由输出电容和负载决定，与电感无关；电感电流受控，天然具有逐周期限流；输入电压前馈改善了线性调整率。电压模式控制只有单环，功率级为二阶系统，包含由电感和输出电容构成的谐振极点。补偿网络需要提供足够的相位提升，通常需要Type III补偿。电压模式的优势是：抗噪声能力强；占空比范围宽；适合多相应用。对于GPU辅助供电，电流模式控制更为常见，因为它简化了补偿设计，并且提供快速的逐周期限流保护。六、负载阶跃响应的评估负载阶跃响应是环路设计的最终检验。评估指标包括：电压跌落。负载从轻载跳到满载时，输出电压的最大偏离值。通常要求小于输出电压的5%。恢复时间。输出电压从偏离恢复到设定值正负1%以内的时间。通常要求小于几十微秒。振铃。恢复过程中是否出现明显振铃。振铃幅度和持续时间反映相位裕度。对于SXM2 GPU，负载阶跃幅度大、速度快，对环路响应要求很高。设计中需要留足相位裕度和带宽，同时输出电容要提供足够的电荷缓冲。七、本篇小结环路响应的设计核心是：在满足相位裕度的前提下，尽可能提高穿越频率，以获得快速的瞬态响应。关键步骤包括计算功率级传递函数、选择穿越频率、设计补偿网络、验证相位裕度和增益裕度。电流模式控制简化了设计，是GPU辅助供电的常见选择。下一篇将深入分析输出纹波的来源及其与电感、电容、ESR的关系，并给出降低纹波的设计方法。
下一期我们明天继续讲
页:
[1]
