CN221305757U - 基于iii型补偿网络改善环路响应的结构 - Google Patents

Abstract

本实用新型旨在提供一种结构简单、能够提升相位裕度和交叉频率，系统更加稳定的基于III型补偿网络改善环路响应的结构。本实用新型包括DC‑DC转换器，所述DC‑DC转换器的VIN端接入12V电压，所述DC‑DC转换器的COMP端接入第一电阻、第一电容、第二电容，所述DC‑DC转换器的PH端、GND端均经并联设置的第三电容、所述第四电容接入输出端，输出3.3V电压，所述DC‑DC转换器的VSENSE端经第五电容、第二电阻接入所述输出端。本实用新型应用于环路稳定性的技术领域。

Description

基于III型补偿网络改善环路响应的结构

技术领域

本实用新型应用于环路稳定性的技术领域,特别涉及基于III型补偿网络改善环路响应的结构。

背景技术

开关电源一般都是通过负反馈控制环路对变换器的输出电压进行保持稳定。然而，对于任何负反馈系统都存在环路稳定性的问题。控制系统的稳定性是由系统结构决定的，控制系统一般都含有储能元件和惯性元件，如电容和电感。由于这类元件的能量不能突变，当系统受到扰动或有输入量时，控制过程不会立即完成，而是具有一定的延迟，如果这个延迟造成反馈回来的信号刚好同相地加到原扰动或输入信号，那么系统将出现振荡现象。

目前DCDC开关电源芯片负反馈环路中，常用的ii型补偿网络能够保证系统稳定，交叉频率大于45KHz，相位裕度大于45°，能够满足一般用途。在某些应用中，可能需要更快的瞬态响应，并且需要100 KHz或更高的交叉频率，由于功率级相位响应在高频下会迅速下降，使用ii型补偿通常很难保持足够的相位裕度。在DCDC开关电源使用type-ii型补偿网络提供的相位提升最大可达 90°，在大多数应用中能够系统稳定，交叉频率大于45KHz，相位裕度大于45°，但是在需求更高的交叉频率时，由于功率级相位响应在高频下会迅速下降，使用ii型补偿通常很难保持足够的相位裕度，比如交叉频率为120KHz时，相位裕度可能会下降到45°以下，将会导致环路不稳定。因此有必要提供一种结构简单、能够提升相位裕度和交叉频率，系统更加稳定的基于III型补偿网络改善环路响应的结构。

实用新型内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服现有技术的不足，提供了一种结构简单、能够提升相位裕度和交叉频率，系统更加稳定的基于III型补偿网络改善环路响应的结构。

本实用新型所采用的技术方案是：本实用新型包括DC-DC转换器，所述DC-DC转换器的VIN端接入12V电压，所述DC-DC转换器的COMP端接入第一电阻、第一电容、第二电容，所述DC-DC转换器的PH端、GND端均经并联设置的第三电容、所述第四电容接入输出端，输出3.3V电压，所述DC-DC转换器的VSENSE端经第五电容、第二电阻接入所述输出端。

由上述方案可见，通过添加补偿组件，增加一对零极点的方式，使其提供的相位提升可以达到180°，在电流模式控制的开关电源中能够使交叉频率大于120KHz，相位裕度大于50°，保证系统更加稳定。所述基于III型补偿网络改善环路响应的结构显示了一种进行电流模式、降压DC/DC转换器补偿设计的简单方法，实验测量也说明了通过iii型补偿设计对系统带宽和瞬态响应的改进。所述基于III型补偿网络改善环路响应的结构无需复杂设计进行相位补偿，只需要加一组RC即可实现相位裕度和交叉频率得到提升，对于现有DCDC使用场景有了很大的提升。

一个优选方案是，所述基于III型补偿网络改善环路响应的结构还包括第三电阻，所述DC-DC转换器的VSENSE端分两路，一路经所述第五电容、所述第二电阻接入所述输出端，另一路经所述第三电阻接入所述输出端。

附图说明

图1是本实用新型的电路原理图；

图2是现有技术使用ii型补偿的电路原理图；

图3是本实用新型的环路响应图。

具体实施方式

如图1所示，在本实施例中，本实用新型包括DC-DC转换器U1，所述DC-DC转换器U1的VIN端接入12V电压，所述DC-DC转换器U1的COMP端接入第一电阻R3、第一电容C6、第二电容C7，所述DC-DC转换器U1的PH端、GND端均经并联设置的第三电容C8、第四电容C9接入输出端VOUT，输出3.3V电压，所述DC-DC转换器U1的VSENSE端经第五电容Cc、第二电阻R7接入所述输出端VOUT，所述DC-DC转换器U1的型号为tps54331。

所述第三电容C8的容值、所述第四电容C9的容值均为47u，Co为所述第三电容C8和所述第四电容C9的实际输出等效电容，对于陶瓷输出电容器，实际必须根据施加的直流电压适当降低电容，因此此时Co为：

通过增加了所述第五电容Cc和所述第二电阻R7的这一组RC补偿网络，由于所述DC-DC转换器U1的开关频率为570KHz，因此选择交叉频率Fc为100KHZ，选择R7为1K，此时由于环路参数更改，所以需要重新配置补偿网络参数，此时R3的值为：

其中，

Vo指的是输出电压；Co指的是输出电容；Fc指的是期望交叉频率；gmea指的是放大器的跨导，是内部的一个参数；gmps指的是功率级增益；Vref指的是参考电压。

所述第一电容C6在主极ƒp上放置一个补偿零。C6可以确定为：

所述第二电容C7可以用于抵消输出电容器Co的ESR（等效串联电阻）的零点，因此C7为：

如图1所示，在本实施例中，所述基于III型补偿网络改善环路响应的结构还包括第三电阻R5，所述DC-DC转换器U1的VSENSE端分两路，一路经所述第五电容Cc、所述第二电阻R7接入所述输出端VOUT，另一路经所述第三电阻R5接入所述输出端VOUT。

所述第五电容Cc被选择为在期望交叉频率（Fc）附近提供一对零极点。当使用iii型补偿时Cc为：

在将所有参数带入电路中如图1所示进行仿真时，从上面实例中可以仿真得交叉频率为100 kHz，相位裕度60°，此时整个系统处于稳定状态，如图3波特图所示。在iii型补偿通常能够以良好的相位裕度将系统带宽提高到100 kHz以上。随着输出电压的降低，来自iii型补偿的相位升压也会减小，但是在不同的环境下需要提升不同的相位。这种III型补偿网络对于相位裕度和交叉频率都有很大的提升。

在本实施例中，图2是一个典型的电流模式控制的DCDC电源，电阻R3和电容C6确定了一个典型的ii型补偿网络。整个系统稳定，通过数据表发现，交叉频率为25kh，然而无法需求更高的交叉频率，例如交叉频率为100KHz时，相位裕度很有可能会下降到45°以下，因此导致环路不稳定。如图3所示，通过在交叉频率附近增加一个零点，在系统中形成一个通常可忽略且非常高的频率极，不仅可以提高整个系统的交叉频率，还可以让系统的相位裕度保持在45°以上。通过添加简单III型补偿组件，以增加一对零极点的方式使其提供的相位提升可以达到180°，在电流模式控制的开关电源中能够使交叉频率大于100KHz，相位裕度接近60°，让系统更加稳定。

在本实施例中，所述第一电容C6、所述第一电阻R3、所述第二电容C7为电路提供了一对中频零极点对，所述第一电容C6和所述第一电阻R3提供了一个零点，会给增益曲线增加20dB/dec斜率，并会给环路相位曲线增加90°相移，所述第二电容C7和所述第一电阻R3提供了一个极点，波特图中的增益曲线增加–20dB/dec斜率，并会给波特图中的环路相位曲线增加–90°相移，通过调整极点和零点的位置，可以改变环路的频率响应和相位响应以确保增益或相位裕度，因此就可以在环路带宽和稳定性裕量之间取得平衡。

所述第五电容Cc、所述第三电阻R5、所述第二电阻R7为此系统引入一个高频零点，在高频零点处提供了一个+20db/dec增益，并且可以在额外提供一个最大90度的相位boost。这两点收益可以改善DCDC电源系统开环增益和相位，使电源系统的穿越频率Fc往高频移动（增加带宽），而且可以合理的改善相位裕度。提升整个DCDC系统的瞬态响应速度以及稳定性。

在III型环路补偿网络中，反馈信号被用于调节PWM斩波的占空比，以补偿输出电压的变化。当输出电压发生变化时，III型环路补偿网络会检测到这种变化，并将相应的反馈信号传递给PWM斩波器。通过调整PWM斩波器的占空比，可以改变输出电压的大小，使其恢复到期望的稳定值。这种机制可以快速响应输出电压的变化，并且能够有效地抑制外部扰动和内部噪声对系统输出的影响。

Claims (2)

1.基于III型补偿网络改善环路响应的结构，其特征在于：它包括DC-DC转换器（U1），所述DC-DC转换器（U1）的VIN端接入12V电压，所述DC-DC转换器（U1）的COMP端接入第一电阻（R3）、第一电容（C6）、第二电容（C7），所述DC-DC转换器（U1）的PH端、GND端均经并联设置的第三电容（C8）、第四电容（C9）接入输出端（VOUT），输出3.3V电压，所述DC-DC转换器（U1）的VSENSE端经第五电容（Cc）、第二电阻（R7）接入所述输出端（VOUT）。

2.根据权利要求1所述的基于III型补偿网络改善环路响应的结构，其特征在于：所述基于III型补偿网络改善环路响应的结构还包括第三电阻（R5），所述DC-DC转换器（U1）的VSENSE端分两路，一路经所述第五电容（Cc）、所述第二电阻（R7）接入所述输出端（VOUT），另一路经所述第三电阻（R5）接入所述输出端（VOUT）。