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[参考译文] 降压转换器电压反馈 OPA

Guru**** 664280 points
Other Parts Discussed in Thread: TPS43000
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https://e2e.ti.com/support/amplifiers-group/amplifiers/f/amplifiers-forum/936925/buck-converter-voltage-feedback-opa

主题中讨论的其他器件:TPS43000

最近、我执行降压转换器的电压模式   
这是 LC 的波特图  

在高频时 、我可以看到两个零点  
但当我测量 GVD 的波特图时  

两个零点变为一个零  

我认为我的运算放大器带宽不够大、如果我想看到两个零点、比如 LC、我应该如何选择 OPA  

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    您好!

    您使用的是 II 型还是 III 型补偿电路? 您能否也提供 L 和 C 参数? 谢谢。

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    我使用的是 III 型补偿、我使用 的是 TI TPS43000 EVM、电路如下  

    我测量 L C 波特图 、我在前面提到过、在高频时有一个双零点  

    但是、当我在 高频下测量降压转换器的 GVD 时、只有一个零点、所以我要这样做 假设 OPA 带宽太小  

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    你(们)好

     您对 GVD 的定义是什么?

    此致、

    Gerold

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    VO/d

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    您在 L-C 滤波器开关节点至 VOUT (功率级增益)中看到的高频零点是输出电容器的 ESR 零点。

    在频率1/(2 x Pi x ESR x C)时、电容器停止像电容器一样反应、并开始像电阻器一样反应、这会在功率级传递函数中创建一个零点、以消除电容器能量存储引入的极点。

    这不是放大器带宽不足的结果、而是输出电容器的频率特性。  

    在足够高的频率下、在输出电容器"自谐振频率"之上、电容器的 ESL 将开始占主导地位、传递函数将从单极响应变为零极响应、并在功率电感器和电容器的 ESL 之间使用电感分压器。  

    在更高的频率下、电感器的自谐振频率、电感器的绕组间电容会开始主导电感器的能量存储、而功率级的响应将在增益上升时成为单零响应、 但在使用网络分析器时很少看到这些、因为人们很少将其网络分析器运行到这些高频率。

    在补偿设计中、通常放置两个高频极点之一(从 VOUT 到 FB 的串联电阻器位于 R-C 中、或从 FB 到 COMP 的小型电容器) 在输出电容器的 ESR 零点处、以抵消 ESR 零点、并在功率级的传递函数从双极 L-C 或单极 L-ESR 滤波器移位时保持环路响应滚降。

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    我同意您所说   的用户很少将其网络分析器运行到这些高频、但我仍然无法理解为什么我测量降压波德图看不到它、但在 L-C 滤波器中我可以看到它  

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    您的补偿环路具有一个与 R3串联的来自 C3的大约50kHz 的极点、用于屏蔽功率级的零点。

    您在原点(R1至 C1)有一个积分器极点、2个极点来自 L-C 滤波器、请在50kHz 时补偿极点与 R3串联。 共4个极点

    您有两个来自补偿的零(R1上的 C3和 C2上的 R2)加上120uF 电容器的 ESR 的零、总共为3个零、因此我们预计整个环路会出现1极滚降。

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    III 型有3个极点3个零点
    LC 2极 2零点 高频时的 LC 波特图不是-20dB 是0dB、这意味着2极2零点对吧?

    我的问题是、为什么您说 LC 滤波器只有1零 、数字是2 2零、频率约为100kHz  
    我是否理解不正确?

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    是的、网络分析器在大约100kHz 时显示2个零、相位上升180度、增益高于100kHz 时为0dB/十倍频、而120uF 输出电容器的自谐振频率可能为 更有可能是测量功率级增益的测量伪影。  

    如何测量网络分析器的开关节点电压以测量开关到 Vout 的传递函数?  

    您的测量是否具有100kHz 的极点频率来对开关节点求平均值?  这将为网络分析器的测量增加一个零点。

    我们通常建议测量控制输入(COMP 引脚)到输出、而不是对开关节点测量取平均值。  包括调制器增益和 L-C 功率级增益、但无需在开关节点上使用滤波器。

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     这意味着您的测量具有100kHz 的极点频率来对开关节点求平均值?

    我测量 COMP 引脚并输出 GVD   
    我做了一些事情
    我仍然无法理解为什么您可以忽略它存在的两个零  
    但是、当我测量 COMP 引脚以输出时、它消失、我仍然没有理想值

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    我没有忽略任何内容、我正在尝试了解您的测量结果以及如何进行测量以帮助您。

    我知道您原始帖子中的第二组图是从 COMP 引脚到 VOUT 测量的。  您能 描述一下您是如何获得第一组波特图的吗?

    每个网络分析仪探头连接在何处?

    刺激信号在何处注入?

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    第一组波特图就是这样、我取出 L 和 C、并使用波特100进行测量  

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    你(们)好

       感谢您分享此信息。 很明显、第一次测量纯粹是 LC 功率级的传递函数。

    Peter 将回答您的问题。

    此致、

    Gerold

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    好的、谢谢

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    您说过您将电感器和电容器取下、然后对其进行测量。  在将它们从电路板上取下后、您是如何连接它们的?  您是否将导线焊接到组件上?

    电感为5uH 且衰减为-50dB 时,与 L-C 串联只需16nH (5.0uH/10^(50/20))即可创建双零点,因为 Cout 电容由寄生电感决定。  PCB 接地平面会有很多电感、但如果您移除组件并在外部测量它们、并将它们与导线连接、则16nH 的寄生电感并不不合理。

    您可以通过更改连接或将 L-C 留在 PCB 上并移除 FET 而不是 L-C 来测试这一点、以便在最终测量中保留来自 PCB 的迹线寄生效应。  或者、您可以尝试使用宽、扁平的铜编织物代替圆形导线、在其下方放置一个薄绝缘体、并将其焊接到宽接地层以限制寄生电感。

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    我在电路板上也做同样的事情,只需离开 L 和 C,结果是相同的,存在双零点。  

    当我测量 GVD 时、双零点变为一零、我认为可能是因为 OPA 带宽不够、所以看不到?

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    COMP 是 TPS430000误差放大器的输出、误差放大器的带宽不是 COMP 到 VOUT 环路测量的一部分。  

    COMP 到 VOUT 的测量是 PWM 调制器、功率 FET 和 L-C 滤波器。  误差放大器为通道 A 测量提供驱动信号。  当测量信号变得太小时、波特图会产生噪声。  TPS43000中的误差放大器具有5MHz 的增益带宽、因此在100kHz 时具有+34dB 的增益

    误差放大器周围的补偿组件配置为从 VOUT 到 COMP 24dB 的增益、放大器具有10dB 的余量、其带宽不会限制您的测量、也不会在 COMP 到 VOUT 环路中添加额外的极点。  您可以通过将"输入"探头放置在输出电压上、将"输出"探头放置在 COMP 引脚上、来测量电路中的补偿误差放大器。

    您能否共享输出电压纹波的示波器波形?

     ^ LC 滤波器在100kHz - 1MHz 时具有-50dB 的增益和零相移、则6.5V 输入的输出纹波电压将是20mV 方波(6.5V/10 μ s (2.5) = 20mV)。  另一方面、如果 L-C 滤波器具有从100kHz 到1MHz 的单极滚降、我们预计看到的锯齿大约为2mV

    现在、如果您的电路板上确实具有16nH 的寄生电感、或许我可以帮助您改进布局以对此进行补偿。

    您的网络分析器是否具有与输入和输出探针分离的交流注入?

    您能否分享测试板/设置的图片?

    您可以共享布局吗?

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    我没有布局、因为我从 DigiKey 购买了这款电路板  

    这是 TI 文件  

    我还测量系统波特图 结果、如数据表所述  

    信号从 TP5和 TP6注入  

    输入探针 TP6

    输出探针 TP5

    系统的波特图就像它是非常有线的

    e2e.ti.com/.../1_2D00_MHz_2C00_-3.3_2D00_V-High-Efficiency-Synchronous-Buck-Converter.pdf

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    TPS43000 EVM 的布局位于您链接的用户指南的第10页和第11页。

    在 TP5和 TP6之间注入并在 TP5至 TP6之间进行测量是测量整个环路的正确过程。  当您通过 L-C 谐振时、测量值会受到影响、这可能是因为注入电平足够高、导致环路变为非线性、这可能是因为电感器电流变为负值、或者尝试在输出电容器上强制施加正弦波时达到电流限值。  您可以尝试降低注入电平以减小所需的电流、并尝试保持环路线性。

    奇怪的是、正如我们在原始 EVM 上测量的那样、L-C 谐振似乎大约为1.5kHz、而不是6kHz。  您是否有可能在输出端具有额外的电容?  L-C 谐振应在6kHz 左右、使其降至1kHz 将需要大量额外的电容。  添加的电容还会解释为什么100kHz 时的增益为-30dB 而不是-20dB。

    但是、当您在没有误差放大器的情况下测量 L-C 传递函数时、

    您是如何连接交流注入源的?

    您是否将 BNC 连接器焊接到电路板上? 用夹子或电线连接它?  您能在第10页的布局上画什么位置吗?

    您是如何连接输入和输出探头的?

    您能描述一下这些连接吗?  接地端连接在何处?

    您提供的详细信息越多、我就越能提供帮助。

    您可以尝试如下设置:

    确保输入和输出探针连接到 PCB、而不是将注入信号传输到 PCB 的导线、并且输入和输出探针均通过 C9接地。  将一些感应导线焊接到 PCB、以确保来自交流注入源的强制线路不会与感应线路共用阻抗。

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    您是否有可能在输出端具有额外的电容?

    不、 电容器仅为两个用户手册、我不会在电路板上添加其他电容器、仅添加 C8和 C9
    您是如何连接交流注入源的?

    抱歉、我在取下 L 和 C 并进行测量之前说了一些错误、但我不在电路板上进行测量。

    有必要测量 电路板上的 L 和 C? 当我连接 L C 时、连接的导线非常短  

    我使用阻抗分析器 测量 L 和 C、因此我认为双零点是由 L 和 C 引起的、而不是由导线引起的。

    我 购买该板、我将来自 TP5 TP6的信号注入到信号电平低或高我也尝试过它、但系统波特图是连接 的、该补偿器是原始的。

    当我仅使用 KP 补偿器而不是 typeIII 时、双极点位于 大约6kHz 的位置  

    原始补偿 器设计是否可能 存在一些问题?

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    如前所述、L-C 在高频下的环路增益和相位特性在很大程度上取决于寄生效应、尤其是电感。  从电路板上移除 L 和 C 并将其与导线相连、以便使用阻抗分析器测量其传递函数、这很容易增加16nH 的电感。  一般而言、每毫米的总长度大约增加2nH。

    这也可能是您的单独 L-C 测量显示 L-C 谐振频率 约为2.3kHz 的原因。

    我看不到原始补偿器设计有任何问题。

    评估板似乎按预期工作。  如果您正在使用 TPS43000设计电源解决方案、并且您有疑问、我可以提供一些支持、但您最初对 TPS43000环路响应和误差放大器的问题已经解决。

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    您能否解释为什么16nH 与2.3kHz (双极)相关  

    环路响应和误差放大器、我认为我可以理解  

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    导致 L-C 谐振漂移的电感增加了16nH、但通常会产生额外的寄生效应。

    在评估板 PCB 上和负载下、功率级测量结果显示、6kHz 时的高 Q 值极轻阻尼 L-C 谐振(用户指南第7页的图2)。  在较低的外部负载下、或随着有线连接的寄生效应增加、由于阻尼因数、Q 更低、谐振频率也更低。

    这就是为什么我们看到 阻抗分析仪的阻尼功率级测量以及 COMP 到 VOUT 测量值与用户指南 COMP 到 VOUT 传输函数的比较、该测量 值是在3.3V 输出上的5A 负载电流下获取的。

    您可以在输出端添加一个10W 1欧姆电阻器、并重复 COMP 到输出传递函数或全环路带宽。  我建议在测量全环路带宽时将注入电平设置为6或12MV。  您只需要足够 的交流注入即可生成 平滑的图、从而更大限度地降低使用 负电感器电流驱动非线性环路或达到电流限制的风险。  

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    好的、 我想我理解、谢谢

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    您是否推荐 OPA 我可以使用它来执行降压转换器的电压模式、我需要高带宽 OPA

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    您好、user6349971、

    您是否正在寻找外部运算放大器来实现控制环路? 我认为 TPS43000的内部误差放大器应该足够了。

    -Garrett  

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    是的、我希望使用更大的带宽来实现控制环路

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    user6349971、

    要选择具有足够增益裕量的运算放大器、只需确保单位增益带宽大于所需穿越频率的10倍。 这应该证明是充分的。

    谢谢、

    Garrett