SMPS-Regelkreisstabilitätsanalysator
Modellieren Sie Steuerkreise für Schaltnetzteile mithilfe von Kleinsignalübertragungsfunktionen. Erstellen Sie Bode-Diagramme von T (s), extrahieren Sie den Phasenrand, die Verstärkungsspanne und die Übergangsfrequenz, und führen Sie dann Monte-Carlo-Versuche mit den Komponententoleranzen (L ± 20%, C ± 20%, ESR ± 50%, Last ± 30%) durch, um die Fertigungsausbeute zu berechnen.
So funktioniert's
Kleinsignalanalyse modelliert das SMPS als lineares zeitinvariantes System um seinen Betriebspunkt herum. Die Open-Loop-Verstärkung T (s) = Gc (s) × Fm × Gvd (s) × H (s) bestimmt die Stabilität: Gc ist der Kompensator, Fm die PWM-Modulator-Verstärkung, Gvd die Endstufenanlage (Tastverhältnis zur Ausgangsspannung) und H der Rückkopplungsteiler.
Anlagenmodelle: Im Spannungsmodus ist Gvd (s) das zustandsraumgemittelte Modell der Leistungsstufe, einschließlich des ESR des Ausgangskondensors und der Last. Die Buck-Anlage hat zwei LC-Pole und einen ESR-Nullpunkt zweiter Ordnung mit 180°-Phasenverzögerung. Boost- und Buck-Boost-Wandler fügen einen hinzu rechte Halbebene (RHP) Null bei D′²R/ (DL), was die erreichbare Bandbreite begrenzt, da durch eine Erhöhung des Tastverhältnisses zunächst die Ausgangsspannung reduziert wird, bevor der Induktivitätseffekt einsetzt. Flyback-Wandler verhalten sich in CCM wie Buck-Boost-Wandler.
Spitzenstrommodus verwendet das exakte Kleinsignalverhalten des Schaltwandlers bei geschlossener Drosselstromschleife, einschließlich seines Abtastverhaltens nahe der halben Schaltfrequenz (Ridleys Modell nähert sich dem an). Der Messwiderstand bestimmt die Verstärkung bei der Strommessung; die optionale externe Rampe sorgt für die Steigungskompensation. Bei einer Einschaltdauer von über 50% benötigt die Drosselstromschleife mc·D′ > 0,5, wobei mc = 1 + Se/Sn gilt; ohne diese Option oszilliert die Schleife bei Fsw/2 und das Tool meldet sie als subharmonisch instabil, statt Grenzwerte anzugeben.
Gültiges Band: beide Modelle beschreiben den Konverter nur unter Fsw/2. Eine Schleife, deren Verstärkung immer noch über 0 dB liegt, kreuzt sich dort, wo keines von beiden zutrifft, sodass kein Spielraum gemeldet wird und die Schleife nicht als stabil bezeichnet wird.
Stabilitätskriterien: Phasenrand > 45° und Verstärkungsmarge > 10 dB sind die Standardziele. Zu wenig PM führt zu Klingeln und einer langsamen Wiederherstellung der transienten Signale; übermäßiger PM-Wert verschwendet Bandbreite. PM < 0° oder GM < 0 dB bedeutet, dass das Closed-Loop-System instabil ist.
Monte-Carlo-Ausbeute prognostiziert, wie viel Prozent der hergestellten Einheiten beide Stabilitätskriterien gleichzeitig erfüllen werden, wobei die Streuung der Komponentenwerte über die Produktionstoleranzen hinweg berücksichtigt wird. Ein Versuch ohne Gewinnspanne gilt als Fehlschlag und wird separat gemeldet und nicht als Durchschnittswert für die Margenstatistik berechnet. Dies gibt direkt Auskunft darüber, ob Ihr Design robust genug ist, um ohne Kalibrierung pro Einheit hergestellt zu werden.
Verwandte Rechner
Häufig gestellte Fragen
Was ist ein Phasenrand und warum ist > 45° wichtig?+
Der Phasenabstand ist die zusätzliche Phasenverschiebung, die die Schleife tolerieren kann, bevor sie instabil wird (wo die gesamte Schleifenphase -180° erreicht). 45° ist die klassische Faustregel: Sie ergibt ein Stufenlastüberschwingen von ~ 23% und einen Q-Faktor von etwa 0,7 für die Reaktion im geschlossenen Regelkreis. < 30° causes excessive ringing; PM >PM 70° kann auf eine unnötig niedrige Bandbreite hinweisen.
Warum hat Boost/Buck-Boost eine RHP Null?+
Ein Nullpunkt auf der rechten Halbebene führt dazu, dass die Leistung anfänglich abnimmt, wenn die Einschaltdauer zunimmt — das Gegenteil von dem, was der Regelkreis erwartet. Dadurch wird die maximal erreichbare Übergangsfrequenz auf etwa 1/5 bis 1/3 der RHP-Nullfrequenz begrenzt. Der Versuch, dies mit einer höheren Bandbreite zu kompensieren, macht die Schleife instabil.
Wie stelle ich den Kompensator Typ III ein?+
Ein Common Startpunkt: Platziere die beiden Nullen fz1 und fz2 in der Nähe der LC-Resonanzfrequenz (≈ 1/ (2π √ (LC))), um dort einen Phasenschub hinzuzufügen. Platziere fp1 auf der ESR-Nullfrequenz. Platzieren Sie fp2 auf der halben Schaltfrequenz, um das Schaltgeräusch zu dämpfen. Stellen Sie dann K ein, um die gewünschte Übergangsfrequenz einzustellen (normalerweise Fsw/5 bis Fsw/10).
Was bedeutet eine Ausbeute von 87% in der Praxis?+
Wenn Ihre Konstruktion eine Ergiebigkeit von 87% aufweist, werden etwa 13 von 100 Einheiten, die aus Teilen gebaut wurden, die zufällig aus ihren Toleranzbändern gezogen wurden, die Stabilitätsspezifikation nicht erfüllen (PM < 45° oder GM < 10 dB). Wenn Ihr Design eine Ergiebigkeit von 87% aufweist, werden etwa 13 von 100 Einheiten, die aus Teilen hergestellt wurden, die zufällig aus ihren Toleranzbändern gezogen wurden, die Stabilitätsspezifikation nicht erfüllen (PM < 45° oder GM = 99% Ergiebigkeit). Für Industriedesigns ist ein Wert von > 99,9% typisch. Um den Ertrag zu verbessern, müssen die Toleranzen enger werden, die Spielräume erweitert oder die Schaltungstopologie geändert werden.