¿Por qué compensamos los controladores PWM?

He estado estudiando fuentes de alimentación conmutadas durante un tiempo. He entendido el principio de funcionamiento de varias topologías comunes. Pero hay un detalle en las estructuras del circuito de control que todavía no entiendo. Usamos el$R_c$ y $C_c$para "compensar" la retroalimentación de voltaje. ¿Pero por qué? Vi muchos diseños prácticos de muestra en las hojas de datos de IC del controlador PWM. Casi todos incluyen esta técnica de compensación RC. Pero ninguno de ellos menciona cómo elegir los valores de y . ¿Por qué necesitamos tal compensación y cómo determinamos los valores de estos elementos?$R_c$$C_c$

Es una teoría fundamental de control y retroalimentación. Gracias, señor Lyapunov , señor Black y señor Nyquist .

Tenga en cuenta que todos en todas partes siempre quieren que la salida de su fuente de alimentación tenga el voltaje correcto, pase lo que pase. ¿Cómo manejar eso? La mejor manera que conocemos es mediante el uso de comentarios.

Alimentando una muestra del voltaje de salida, y la corriente, de vuelta para comparar con algún estándar de referencia. Dado que la retroalimentación es negativa, o dado que la diferencia se toma entre la cantidad de salida y la referencia, se obtiene una señal de error.

En su circuito de ejemplo, la diferencia entre Vref y Vfb se toma en Error Amp para obtener Verr. Para una mejor precisión, Verr necesita ser minimizado, por lo que el amplificador de error también aplica ganancia, mucha ganancia, cuanto más mejor.

Es algo así como la situación del terreno virtual con un OpAmp. El OpAmp tiene mucha ganancia, su salida se retroalimenta a la entrada de manera negativa, y la diferencia entre la entrada positiva y la entrada negativa se convierte prácticamente en cero. Si el OpAmp es ideal con ganancia infinita, la diferencia entre las entradas es cero. La misma idea básica con un controlador PWM, aunque con etapas adicionales. De acuerdo con esta idea, solo necesita ganancia infinita y ancho de banda en el amplificador de error (y todo lo demás) para lograr lo que todo el mundo quiere todo el tiempo.

Ancho de banda infinito? Deténgase aquí

Si todas las etapas del bucle tuvieran un ancho de banda infinito, eso sería todo. No se necesitaría compensación. Pero, hay límites de ancho de banda en todas partes.

Primero, está la frecuencia Nyquist del muestreo PWM. Debido al muestreo una vez por período PWM, la ganancia y la fase del modulador de potencia, todas esas cosas en su diagrama entre la salida del amplificador de error y la entrada del filtro de salida, se estrellarán como una carga de ladrillos sobre un acantilado a la frecuencia de Nyquist.

Luego, debido a que la fuente de alimentación de conmutación funciona por muestreo de tiempo de varios voltajes, al menos Vin y Vin Rtn, su salida sin procesar es un poco irregular y se filtra para suavizarla. El filtro siempre proporciona al menos 2, a veces más, y generalmente polos complejos. (Algunos dirían que el control de modo actual obtiene la conducción de uno de los polos, pero en realidad solo se mueve para que realmente no te importe demasiado). Dos polos más proporcionan 180 grados de pérdida de fase, lo que con el negativo retroalimentación y mucha ganancia harán un oscilador maravilloso.

Todavía necesitamos mucha ganancia de bucle, especialmente a bajas frecuencias para solucionar el error de salida y la ondulación de la red, pero ¿cómo manejar todo ese cambio de fase a medida que aumenta la frecuencia? Haz un integrador del bucle. De esa manera, la ganancia es máxima en DC, pero cae 20 dB por década, agregando solo 90 grados de cambio de fase en las frecuencias más altas. Eventualmente, aparecen más polos, por lo que la ganancia del bucle se ajusta para tener una ganancia general inferior a 0dB para entonces.

La mayor parte de lo que se necesita para convertir el bucle en un integrador lo realiza el amplificador Error y es una compensación. El caso más simple tendrá compensación por un solo polo, una forma de la cual está en su diagrama con$R_c$ y $C_c$. Este tipo de compensación funciona bastante bien para los bucles con control de modo actual y Flybacks discontinuos, que tendrán un polo dominante en la tapa del filtro de salida y la carga ($f$~$\frac{1}{2\pi R_o C_o}$) En este caso$R_c$ y $C_c$ se eligen para cubrir ese polo y configurar la ganancia del amplificador de error para que cruce 0dB antes de que aparezcan otros polos.

Esto rara vez se hace por prueba y error, ya que hay un número infinito de formas de desordenar el ciclo y solo algunas maneras de hacerlo realmente bien.

También debe saber que el diagrama referenciado es un caso especial, pero favorito. El amplificador de error no es realmente un amplificador operacional, sino más bien un amplificador de transconductancia, que convierte el voltaje en corriente. Es por eso$R_c$ y $C_c$se muestran yendo a tierra en lugar de la entrada inversora. Vc termina siendo la corriente de salida del amplificador de error multiplicada por la impedancia de$R_c$ y $C_c$. Es un caso favorito porque los amplificadores de transconductancia son más fáciles de hacer en un IC, por lo que se usan muy comúnmente en los controladores PWM.

Hay preguntas en este sitio que están relacionadas, aquí hay un par:

estabilidad condicional

Convertidor de teoría de control

Aquí hay uno de TI sobre amplificadores de compensación .

Si observa la ganancia de bucle abierto del sistema, verá que cerrar el bucle provocaría que el sistema oscile por sí mismo sin utilizar los componentes compensadores adecuados.

Imagine que Vfb no estuviera conectado nuevamente al amplificador de error, sino que lo monitoreó en un O-Scope. Establezca la entrada + en el amplificador de error en algún valor de CC abitrario y reemplace Vref con una entrada de oscilador.

Retire los componentes de compensación.

Barra la entrada de CC hasta varios MHz y observe la señal Vfb de bucle abierto. Lo que notará es que hay una alta ganancia a bajas frecuencias y esto se reduce a medida que aumenta la frecuencia. También puede ver un cambio de fase en la señal y, en alguna frecuencia alta abitraria, la señal de Vfb eventualmente cambiaría de fase de modo que si se conectara Vfb habría una retroalimentación positiva y todo el circuito se convertiría en un oscilador.

El circuito de compensación está allí para evitar ese cambio de fase o hacer que la ganancia de bucle abierto sea menor que la unidad en el punto en que la señal cambia de fase.

Esto estabiliza el sistema.

¿Cómo los eliges? Probablemente prueba y error en muchos casos porque posiblemente sea más rápido que hacer los cálculos.