作者：Magnus Karlsson博士，高級信號處理專家，偉創(chuàng)力電源模塊

以往，轉換器制造商除了依靠電源模塊專家的專業(yè)知識來設計濾波器，優(yōu)化控制回路，然后得到結果以外，別無其他選擇。現(xiàn)在，這個時代已經一去不復返。系統(tǒng)設計人員現(xiàn)在可以使用免費軟件來快速、容易地得到結果。電源系統(tǒng)設計軟件中嵌入的環(huán)路補償工具已經得到發(fā)展，工程師在概念階段可以利用它來優(yōu)化電壓，這樣就可以方便地嘗試不同的配置，然后重新運行仿真，直到獲得最佳結果。那么，推動這一進步的工程原理是什么？

首先，值得指出的是，在電源轉換器的輸入和輸出上增加感容濾波器有許多目的。這類濾波器不僅可以減少反射紋波電流和輸出噪聲，而且可以滿足EMC輻射和抗擾性法規(guī)的要求。

現(xiàn)在，可以使用回路補償軟件例程以簡單的格式來對設計進行檢查并對這些指標的結果進行仿真。也就是說，工程師可以通過事先評估任何問題和挑戰(zhàn)，更好地了解哪些電源模塊適合系統(tǒng)所需。規(guī)格齊全的回路補償軟件，可以在數(shù)分鐘內直接在數(shù)字Z域對電源轉換器進行設計、仿真、分析和配置。

評估控制回路的穩(wěn)定性

為了實現(xiàn)電壓/濾波器的優(yōu)化，可以采用多種方式使用回路補償軟件工具。要優(yōu)先考慮的是尋找超出要求的任何電壓偏差——不僅是峰值，而且包括標稱電壓附近的整個區(qū)域。需要注意的是，回路優(yōu)化例程對設計良好的外部去耦濾波器——即電源模塊與負載之間距離較短（越近越好，但必須在10cm內）的濾波器——來說最有效。15mΩ或更低ESR（等效串聯(lián)電阻）電容器在實現(xiàn)優(yōu)化控制回路方面也非常有用。

另一種方案是并聯(lián)使用多個較小的電容器（具有相同的類型和時間常數(shù)），以降低ESR。用控制理論來講，沒有什么比模型的精度更好。因此，有必要使用正確的ESR值，以及使用寄生電感（由電源模塊和負載之間走線所引起）的正確估計值，這反過來又將在負載瞬變期間提供更好的電壓偏差預測，以及設計的魯棒性。

數(shù)字控制技術的影響

電源轉換器中引入數(shù)字控制技術，使許多用戶在設計適當?shù)目刂苹芈费a償時遇到了困難。一種常見的方法是使用傳統(tǒng)的模擬工具來確定解決方案，然后將該解決方案轉換到數(shù)字Z域。但是，這種方法可能很耗時，而且得到的解決方案往往不是最佳。

這成為了推動有效、可靠電壓優(yōu)化技術發(fā)展的原因之一。其他因素則取決于設計項目進展的固有方式。不幸的是，電源通常是在設計最后階段才進行考慮，此時許多設計工程師才將這個功能添加到電路板的角落或任何剩余區(qū)域。其結果是電源模塊無法靠近負載放置，這就存在關鍵指標出現(xiàn)性能不良的風險。此外，由于預算限制，許多設計人員會選擇比如ESR值為45mΩ的電容器，而不是15mΩ的電容器，后者的成本大約是前者的兩倍。

圖1：根據(jù)初始輸出濾波器配置對濾波電容和走線電感值（包括相關的ESR值）進行詳細建模。

要確定回路補償工具的輸出濾波器部分包括哪些電容，最簡單方法是，按每種類型的總電容和最長的時間常數(shù)來對它們進行計算和分類（圖1）。這個過程將展示兩種待包含的電容類型，即那些總電容值最大和時間常數(shù)最長的電容。其他電容的時間常數(shù)通常很小，以至于它們不會對控制回路造成干擾，或者可以針對額外的元件/模型不確定性增設裕量來予以處理。

實現(xiàn)有效的仿真

在所有情況下，有必要通過有效仿真來對電壓進行優(yōu)化。以一個濾波器設計為例，它在靠近負載處的ESR值為45mΩ，并具有大約20nH的大電感（模塊和負載之間）。在此，可以使用回路補償來指示所關心的區(qū)域。例如，如圖2所示，在本示例中，去載后電壓會出現(xiàn)巨大的偏差。顯然，靠近負載處20nH的電感和較大的ESR值會形成一個激進的控制回路，而另一個問題是頻率帶寬范圍，因為它會從14kHz的標稱值擴展到128kHz的最大值。這個特定仿真的目標設置為20kHz，因此很明顯，元件的容差會使控制回路變得非常敏感。圖3所示的輸出阻抗曲線也凸顯了這個問題——高頻下的高阻抗會導致較大的電壓偏差，進而導致大電流。

圖2：在有20nH電感以及較大ESR靠近負載的情況下，由于激進的控制回路，去載時的偏差非常明顯。

圖3：開環(huán)波特圖中交越頻率（0dB）的相應變化。

消除電流尖峰

在使用回路補償工具的情況下，一種解決方案是降低增益，直到輸出阻抗表現(xiàn)得恒定或直到電流尖峰消失為止（圖4）。在本示例中，通過控制回路優(yōu)化，增益從26dB降至12.5dB。結果，電壓偏差或多或少呈現(xiàn)出對稱性——負載曲線和負載釋放曲線中的電流尖峰都消失了，而頻率帶寬范圍則明顯縮小（10至14kHz）。輸出阻抗的變化也很小。簡而言之，使用優(yōu)化過程可以顯著提高回路設計的魯棒性和性能。

圖4：降低回路增益，直到輸出阻抗看起來恒定并且電流尖峰消失為止。

作為替代解決方案，可以根據(jù)不同的目標重新運行優(yōu)化工具（圖5）。例如，使用相同的案例，可以將頻率帶寬目標從其原始值20kHz降低到15、10和5kHz。隨后的分析（圖6）表明這種替代解決方案非常可靠，因為結果表明其參數(shù)分布很小。值得注意的是，正負電壓偏差的形狀幾乎相同，并且負載電流沒有尖峰。

圖5：降低帶寬目標，然后運行優(yōu)化。

圖6：優(yōu)化后的負載電流和電壓偏差都表現(xiàn)得更好。

重新設計方案

當然，第三種方案是使用相同的電路板面積，通過移動元件或最好使用更好的元件來重新設計濾波器，如圖7所示。在本示例中，大電感說明需要嘗試不同的大容量電容分配方案——靠近電源模塊占25%，靠近負載則占75%。

圖7：另一種解決方案是通過將大容量電容移到靠近負載的位置來重新設計濾波器。

通過對重新設計的濾波器進行仿真（圖8）可知，其輸出阻抗峰值幾乎相等，并且，盡管負電壓偏差變化不大，但正電壓偏差獲得顯著改善。此外，其沒有極高的帶寬，結果看起來也魯棒得多。

圖8：具有相同BOM、不同電容布局的結果。

最新的電源系統(tǒng)設計軟件，不僅可以對轉換器進行配置，還具有許多其他優(yōu)勢。例如，設計人員和系統(tǒng)架構師在使用這類軟件后，可以充分利用最新的數(shù)字電源技術來對其整個電源系統(tǒng)的效率進行跟蹤或仿真。某些套件還使用戶能夠定義跨不同電源輸出軌的關系，包括相移、上電時序和故障擴展。這樣，用戶就能更容易理解系統(tǒng)級的特性，從而有助于縮短產品上市時間。

最終，這類軟件使設計人員可以自行進行方案設計，而不必再依靠電源模塊供應商的專業(yè)知識。

注：本文中的圖像是采用Flex Power Designer工具所得。

編輯：hfy