电源转换器设计人员可以轻松实现控制回路优化

转换器制造商别无选择，只能依靠功率模块专家的专业知识来设计滤波器、优化控制回路并提供结果的日子已经让位于系统设计人员可以使用免费软件来实现实现快速和简单的结果。嵌入在电力系统设计软件中的环路补偿工具已经发展到可以在概念阶段优化电压，这使工程师可以方便地尝试不同的配置并重新运行仿真，直到获得最佳结果。那么，支撑这一进步的工程原理是什么?

首先，值得指出的是，在电源转换器的输入和输出中添加电感-电容滤波器有多种用途。这些滤波器不仅降低了反射纹波电流和输出噪声，而且旨在满足 EMC 辐射和敏感性规定。

现在可以使用环路补偿软件例程以简单的格式检查设计并模拟这些指标的结果，这意味着工程师可以通过事先评估任何问题和挑战来更好地了解哪些电源模块适合系统。指定良好的环路补偿器可以在数分钟内直接在数字 Z 域中设计、仿真、分析和配置电源转换器。

评估控制回路稳定性

为了实现电压/滤波器优化，可以通过多种方式使用环路补偿器工具。第一要务是寻找任何超出要求的电压偏差，不仅仅是峰值，而是标称电压周围的整个区域。需要注意的是，环路优化例程最适合设计良好的外部去耦滤波器，即电源模块和负载之间距离较短的滤波器(越近越好，但肯定在 10 厘米以内)。15 mΩ 或更小的低 ESR(等效串联电阻)电容器也有利于实现优化的控制回路。

另一种选择是并联使用较小的电容器(相同类型和时间常数)，这将有助于降低 ESR。在控制理论方面，没有什么比模型的准确性更好的了。因此，必须使用正确的 ESR 值，以及正确估计由电源模块和负载之间的走线引起的寄生电感，从而更好地预测负载瞬态期间的电压偏差和设计的稳健性。

数字控制技术的影响

在功率转换器中，数字控制技术的引入，导致许多用户难以设计适当的控制回路补偿。一种常见的方法是使用传统的模拟工具来确定一个解决方案，然后将该解决方案转换为数字z域。然而，这种策略可能会很耗时，而且经常会产生一个非最优的解决方案。这是推动对有效、可靠的电压优化技术的需求的原因之一。

其他因素取决于设计项目进展的内在方式。不幸的是，电源通常是事后才想到的，许多设计工程师将此功能添加到电路板的角落或项目接近尾声时留下的任何区域。结果是电源模块没有靠近负载，有可能采取关键措施来展示不良行为。此外，由于预算限制，许多设计人员会选择例如 45 mΩ 的电容器，而不是 15 mΩ 的电容器，后者的成本大约是其两倍。

确定在环路补偿工具的输出滤波器部分中包含哪些电容器的最简单方法是根据每种类型的总电容和最长时间常数来计算和排序它们。

这个过程将揭示两种电容器类型，即具有最大总电容和最长时间常数的电容器。其他电容器的时间常数通常很小，不会干扰控制回路，或者可以使用余量来处理额外的组件/模型不确定性。

实现有效的模拟

在所有情况下，通过有效仿真来优化电压是至关重要的。以靠近负载的 ESR 为 45 mΩ 和大约 20 nH 的显着电感(模块和负载之间)的滤波器设计为例。在这里，可以应用环路补偿来指示关注的区域。例如，在这种情况下仅 1 毫秒后，负载释放时就会出现明显的巨大偏差。

显然，接近负载的 20 nH 电感和大 ESR 会产生激进的控制环路，而另一个问题是频率带宽范围，因为它会从标称 14 kHz 扩展到最大 128 kHz。此特定仿真的目标设置为 20 kHz，因此很明显，组件变化使控制回路变得高度敏感。查看输出阻抗曲线也突出了这个问题 - 高频下的高阻抗会导致大的电压偏差，进而导致大电流。

消除电流尖峰

使用环路补偿工具，一种解决方案是降低增益，直到输出阻抗保持恒定，或者直到电流尖峰消失。在本例中，通过控制环路优化，增益从 26 分贝降低到 12.5 分贝。结果，电压偏差看起来或多或少是对称的——电流尖峰在负载和负载释放图中都消失了，而频率带宽范围则显着变窄(10 到 14 kHz)。输出阻抗的变化也非常小。简而言之，应用优化过程意味着可以显着提高环路设计的稳健性和性能。

并且电流尖峰消失。来源：Flex 电源模块

作为替代解决方案，优化工具可以针对不同的目标重新运行。例如，使用相同的案例示例，频率带宽目标从其原始值 20 降低到 15、10 和 5 kHz。

随后的分析表明这是一个稳健的替代方案，因为参数分布证明很小。值得注意的是，正负电压偏差的形状几乎相同，负载电流没有尖峰。

重新设计选项

当然，第三种选择是使用相同的不动产区域重新设计滤波器，方法是移动组件，或者最好使用更好的组件。在本案例中，高电感指向尝试不同的大容量电容器策略——功率模块为 25%，负载附近为 75%。

重新设计仿真的观察结果表明，输出阻抗峰值几乎相等，虽然负电压偏差没有太大变化，但正电压偏差显着改善。此外，没有极端带宽，结果看起来更加稳健。

采用最新的电源系统设计软件除了转换器配置之外还有很多好处。例如，此类软件使设计人员和系统架构师能够跟踪或模拟整个电源系统的效率，充分利用最新的数字电源技术。某些套件允许用户定义跨电源轨的关系，例如，包括相位扩展、排序和故障扩展。因此，更容易理解系统级别的行为，这有助于缩短上市时间。

最终，这种类型的软件允许设计人员自己进行调查，而不必依赖电源模块供应商的专业知识。