Перейти к содержанию

Компенсатор типа II и типа III

Если у преобразователя внешняя коррекция, вокруг усилителя ошибки стоят два-три конденсатора и пара резисторов. Это компенсатор: он формирует петлевое усиление так, чтобы петля была быстрой и устойчивой. Схем у него в основном три, и называют их по типам.

Обновлено Редакция GAW

Компенсатор (compensation network) — цепь из резисторов и конденсаторов вокруг усилителя ошибки импульсного преобразователя, которая формирует частотную характеристику петли обратной связи. Цель — чтобы петлевое усиление пересекало 0 дБ с наклоном около −20 дБ/дек и запасом по фазе 45–60°: тогда отклик на скачок нагрузки быстрый и почти без звона (TI SLVA662, разд. 1). Типы различают по числу полюсов и нулей: тип I — просто интегратор, типы II и III добавляют подъём фазы.

Тип II

Компенсатор типа II на ОУ — интегратор с RC-цепью в обратной связи. Он даёт полюс в нуле (интегратор, высокое усиление на постоянном токе), один ноль и один высокочастотный полюс. Здесь и ниже обозначения — как в SLVA301: R1 — верхний резистор делителя, в обратной связи ОУ стоит последовательная цепь R2–C2 и параллельный ей конденсатор C1. Ноль лежит на 1/(2π·R2·C2), полюс при C2 много больше C1 — около 1/(2π·R2·C1), а наибольший подъём фазы — между ними, не больше 90° (SLVA662, разд. 2; там эти конденсаторы обозначены C1 и C3).

Этого мало, чтобы компенсировать LC-фильтр: после резонанса фильтр сразу забирает почти 180° фазы. Поэтому TI прямо пишет, что тип II не подходит для управления по напряжению в режиме непрерывного тока; его применяют с управлением по току, где токовая петля превращает двойной полюс фильтра в одиночный, и в преобразователях, которые всегда работают в прерывистом режиме (SLVA662, разд. 2).

Тип III

Тип III добавляет ко второму типу ещё пару ноль–полюс — цепь R3–C3 параллельно верхнему резистору делителя R1. Получаются полюс в нуле, два нуля и два полюса, и подъём фазы может превышать 90°; в примере TI около 130° (SLVA662, разд. 4). Это компенсатор для понижающих преобразователей с управлением по напряжению в CCM.

Методика расстановки по SLVA301 (разд. 1.7) на примере 20 → 5 В, L = 10 мкГн, Cвых = 247 мкФ:

  1. Резонанс LC-фильтра: fLC = 1/(2π√(LC)) = 3,20 кГц.
  2. Первый ноль — чуть ниже fLC; при R1 = 31,6 кОм это C3 = 1,8 нФ.
  3. Первый полюс — на частоте среза 20 кГц: R3 = 4,42 кОм.
  4. Усиление компенсатора на частоте среза задаёт R2 = 5,23 кОм.
  5. Второй ноль — тоже ниже резонанса: C2 = 10 нФ.
  6. Второй полюс — на декаду выше частоты среза: C1 = 150 пФ.
  7. Проверить петлю расчётом или моделированием и подправить.

Элементы влияют друг на друга, поэтому без проверки по диаграмме Боде не обойтись. Если усилитель ошибки — транскондуктивный (OTA), схема другая: тип II ставят на выход OTA на землю, а для типа III RC-цепь добавляют параллельно верхнему резистору делителя (SLVA662, разд. 3 и 5). У стабилизаторов с внутренней коррекцией это единственное место, где можно подстроить петлю, — см. конденсатор ускорения Cff.

Частые вопросы

Чем компенсатор типа II отличается от типа III?

Тип II даёт полюс в нуле, один ноль и один полюс и поднимает фазу не больше чем на 90°. Тип III добавляет ещё пару ноль–полюс и поднимает фазу сильнее — в примере TI SLVA662 около 130°. По этой причине тип II ставят при управлении по току или в прерывистом режиме, а тип III нужен преобразователю с управлением по напряжению в режиме непрерывного тока, где LC-фильтр сразу за резонансом забирает почти 180° фазы.

Где ставить нули и полюсы компенсатора типа III?

По методике TI SLVA301 оба нуля ставят чуть ниже резонансной частоты выходного LC-фильтра, один полюс — на частоте среза петли, второй — примерно на декаду выше частоты среза. Затем петлю обязательно проверяют расчётом, моделированием или измерением: элементы влияют друг на друга, и положение полюсов немного сдвигается.

Нужно ли считать компенсатор, если коррекция встроенная?

Нет, у стабилизаторов с внутренней коррекцией цепь уже внутри микросхемы, и производитель задаёт допустимые дроссель и конденсаторы. Подстроить петлю там можно только выходным конденсатором и конденсатором ускорения параллельно верхнему резистору делителя. Внешний компенсатор считают у контроллеров с выводом COMP.

Источники

  1. Texas Instruments. Demystifying Type II and Type III Compensators Using Op-Amp and OTA for DC/DC Converters (SLVA662, July 2014) — разд. 1: цель коррекции — запас по фазе 45–60° и наклон петлевого усиления −20 дБ/дек на частоте среза; разд. 2: тип II на ОУ — полюс в нуле, один ноль и один высокочастотный полюс, подъём фазы до 90°, в обозначениях SLVA662 участвуют R1, R2, C1, C3; ноль 1/(2π·R2·C1), полюс 1/(2π·R2·C3); тип II не годится для управления по напряжению в режиме непрерывного тока, его применяют при управлении по току или в DCM; разд. 3: тип II на OTA; разд. 4: тип III — два полюса и два нуля помимо полюса в нуле, нужен при подъёме фазы больше 90°, в примере около 130°, предназначен для управления по напряжению в CCM; разд. 5: тип III на OTA — RC-цепь параллельно верхнему резистору делителя
  2. Texas Instruments. Loop Stability Analysis of Voltage Mode Buck Regulator With Different Output Capacitor Types — Continuous and Discontinuous Modes (SLVA301, April 2008) — разд. 1.1: 45° — обычная минимальная цель запаса по фазе; LC-фильтр даёт до −180° и наклон −40 дБ/дек выше резонанса; разд. 1.7, рис. 12–13: тип 3 даёт два полюса и два нуля, этого обычно хватает для запаса около 60°; пример 20 В → 5 В, L = 10 мкГн, Cвых = 247 мкФ: fLC = 3,20 кГц, R1 = 31,6 кОм, первый ноль чуть ниже fLC (C3 = 1,8 нФ), полюс на частоте среза (R3 = 4,42 кОм), усиление на частоте среза 1,35 (R2 = 5,23 кОм), второй ноль ниже резонанса (C2 = 10 нФ), второй полюс на декаду выше частоты среза 20 кГц (C1 = 150 пФ), затем проверка расчётом или моделированием

Нашли ошибку?

Смотрите также