Analizador de estabilidad del bucle de control SMPS
Modele los bucles de control de la fuente de alimentación en modo conmutador mediante funciones de transferencia de señales pequeñas. Obtenga gráficos de Bode con T (s), extraiga el margen de fase, el margen de ganancia y la frecuencia de cruce y, a continuación, realice ensayos de Montecarlo con las tolerancias de los componentes (L ± 20%, C ± 20%, ESR ± 50%, carga ± 30%) para calcular el rendimiento de fabricación.
Cómo funciona
Análisis de señales pequeñas modela el SMPS como un sistema lineal invariante en el tiempo alrededor de su punto de operación. La ganancia en bucle abierto T (s) = Gc (s) × Fm × Gvd (s) × H (s) determina la estabilidad: Gc es el compensador, Fm la ganancia del modulador PWM, Gvd la central eléctrica (ciclo de trabajo hasta la tensión de salida) y H el divisor de retroalimentación.
Modelos de planta: En el modo de voltaje, Gvd (s) es el modelo promediado en el espacio de estados de la etapa de potencia, que incluye la ESR del condensador de salida y la carga. La planta Buck tiene dos polos LC y un polo ESR cero, de segundo orden con un desfase de 180°. Los convertidores Boost y buck-boost añaden un semiplano derecho (RHP) cero en D′²R/ (DL), lo que limita el ancho de banda alcanzable porque el aumento del ciclo de trabajo reduce inicialmente el voltaje de salida antes de que se produzca el efecto de inductancia. Los convertidores Flyback se comportan como los convertidores Buck-Boost en CCM.
Modo de corriente máxima utiliza la respuesta exacta de señal pequeña del convertidor de conmutación con el bucle de corriente del inductor cerrado, lo que incluye su comportamiento de muestreo cerca de la mitad de la frecuencia de conmutación (el modelo de Ridley lo aproxima). La resistencia de detección establece la ganancia de detección de corriente; la rampa externa opcional establece la compensación de pendiente. Por encima del 50% del ciclo de trabajo, el bucle inductor-corriente necesita mc·D′ > 0.5, donde mc = 1 + Se/Sn; sin él, el bucle oscila a Fsw/2 y la herramienta lo indica como subarmónicamente inestable en lugar de dar márgenes.
Banda válida: ambos modelos describen el convertidor solo por debajo de Fsw/2. Un bucle cuya ganancia sigue por encima de 0 dB se cruza donde no se aplica ninguna de las dos, por lo que no se registra ningún margen y el bucle no se denomina estable.
Criterios de estabilidad: El margen de fase > 45° y el margen de ganancia > 10 dB son los objetivos estándar. Una cantidad insuficiente de PM provoca un timbre y ralentiza la recuperación transitoria; un exceso de PM desperdicia ancho de banda. PM < 0° o GM < 0 dB significa que el sistema de circuito cerrado es inestable.
Rendimiento de Montecarlo predice qué porcentaje de unidades fabricadas cumplirá ambos criterios de estabilidad simultáneamente, teniendo en cuenta el valor de los componentes repartido entre las tolerancias de producción. Un ensayo sin margen se considera un fracaso y se notifica por separado, no se calcula su promedio en las estadísticas de márgenes. Esto responde directamente a si su diseño es lo suficientemente robusto como para fabricarlo sin necesidad de calibrar por unidad.
Calculadoras relacionadas
Preguntas frecuentes
¿Qué es el margen de fase y por qué importa > 45°?+
El margen de fase es el cambio de fase adicional que el bucle puede tolerar antes de volverse inestable (cuando la fase total del bucle alcanza los -180°). 45° es la clásica regla general: proporciona un sobrepaso de carga escalonado del ~ 23% y un factor Q de aproximadamente 0,7 para la respuesta de bucle cerrado. Una < 30° causes excessive ringing; PM > PM de 70° puede indicar un ancho de banda innecesariamente bajo.
¿Por qué boost/buck-boost tiene un RHP cero?+
Un cero en el semiplano derecho hace que la salida disminuya inicialmente cuando aumenta el ciclo de trabajo, lo contrario de lo que espera el bucle de control. Esto limita la frecuencia de cruce máxima alcanzable a aproximadamente entre 1/5 y 1/3 de la frecuencia cero del RHP. Intentar compensar esto con un mayor ancho de banda hace que el bucle sea inestable.
¿Cómo se ajusta el compensador de tipo III?+
Un punto de partida de common: coloca los dos ceros fz1 y fz2 cerca de la frecuencia de resonancia LC (≈ 1/ (2π √ (LC))) para añadir allí un aumento de fase. Coloque fp1 en la frecuencia cero de la ESR. Coloque el fp2 a la mitad de la frecuencia de conmutación para atenuar el ruido de conmutación. A continuación, ajuste K para establecer la frecuencia de cruce deseada (normalmente de Fsw/5 a Fsw/10).
¿Qué significa un rendimiento del 87% en la práctica?+
Si su diseño muestra un rendimiento del 87%, aproximadamente 13 de cada 100 unidades fabricadas con piezas extraídas al azar de sus bandas de tolerancia no cumplirán con las especificaciones de estabilidad (PM < 45° o GM < 10 dB). Si su diseño muestra un rendimiento del 87%, aproximadamente 13 de cada 100 unidades fabricadas con piezas extraídas al azar de sus bandas de tolerancia no cumplirán con las especificaciones de estabilidad (PM < 45° o GM con un rendimiento del 99%). En el caso de los diseños industriales, lo habitual es que supere el 99,9%. Mejorar el rendimiento requiere ajustar las tolerancias, ampliar los márgenes o cambiar la topología del circuito.