[参考译文] SEPIC 配置中开关节点处的不稳定振荡

为了照亮控制环路的影响、我在 COMP 引脚上添加了100nF、方法是在 C_HF (C88)上焊接一个0805。 结果很有趣！

放大图：

同一点仍然存在振荡、但振幅要小得多、频率增加了一倍！

停止期仍然存在(实际上、在这个板上、它以前没有存在、现在也存在)。 但现在出现了一个新的停止期。 它会继续像这样断续~50ms、然后完好无损。

然后、我在 SS 引脚上添加了一个额外的1µF (理论上、软启动时间从10ms 变为110ms)。

当然、启动时间至少会延长到100ms、但还会发生另外两件有趣的事情：

1. 开始时、斜升是非线性的。 从~20V 跃升至~40V (两个图包括14V Vin)似乎同时发生。
2. 开关停止几次、这似乎是脉冲跳跃、因为我可以看到占空比变得非常低、并且 DCM 的标志出现(关断期间为正弦电压)。

所以我有一个荒谬的理论,由你运行:

• 在10ms 的软启动时间下、初始斜升非常陡峭、以至于电感器达到饱和/电流限制、并且产生的励磁电流振荡对于控制器来说太大了。  更高带宽的控制环路可能会有所帮助、但可能会导致稳定性问题。 100ms 非常慢的软启动时间可解决此问题、但代价是斜坡 超过40V 会变得非常慢、以至于控制器脉冲会跳过！

部分原因在于、当我对电路进行仿真时、我注意到电流在斜升期间显著上升、并且必须分阶段斜升才能使仿真在合理的时间内运行。

嗨、Heath、

感谢您使用 E2E 论坛。

我将仔细查看您的查询、然后返回给您。

此致、

Hassan  

嗨、Heath、

您能分享一下您的快速入门计算器吗？  

此致、

Hassan   

这是 Excel 文件、但我怀疑在通过 Excel 的往返过程中会丢失一些内容、因此我还附上了一个屏幕截图。

e2e.ti.com/.../5226.LM5157_2D00_58_5F00_Excel_5F00_Quickstart_5F00_Calculator_5F00_for_5F00_SEPIC.xlsx

嗨、Heath、

感谢您分享 Excel 计算器。 我会检查一下、然后回来给您。

此致、

Hassan  

嗨、Heath、

您可以尝试在没有断续模式的情况下运行转换器吗？

将 Mode 引脚接地

我只想看看转换器是否不会进入 OCP。  

此致、

Hassan   

结果是... 不确定。

如果 VSYS 在释放 EN 之前稳定、则不再发生振荡！ 我不知道这是因为我添加了将模式拉至低电平的 Strap 配置、还是我的设置中发生了其他变化。

如果我在没有将 EN 保持在低电平的情况下打开 VSYS、仍然会出现这些情况。 有时会出现停止周期、但并不总是如此。 发生这种情况时、在我看来、它比 OCP 更像 UVLO (在我的原始帖子中也是如此)。

下面是三个振荡行为的示例、现在该模式已连接到低电平。 请注意第三个不同的时基。

没什么惊喜、但为了完整起见、这里是蓝色的输出电压。 它完全没有意识到交换节点发生的混乱。

因此、我更改补偿值的实验似乎没有任何影响。

嗨、Heath、

因此、根据我的理解、只有在接通电源 、同时 EN 引脚通过分压器连接到电源并且断续模式处于活动状态时、才会出现振荡和停止周期。  

但是、当您关闭断续模式时 、便不会出现问题。 我的回答正确吗？

此致、

Hassan  

没完全达到。 准确起见：

来生成振荡和停止周期 1安培 仅当 I 在 EN 引脚通过分压器连接到电源时打开电源时才会出现。 断续模式是否处于运行状态 不 至关重要。 本文中的三个捕获都禁用了断续(MODE 连接至低电平)、中间的仍然显示停止周期。 在我发布后,我删除了模式束缚下来,结果没有明显变化。

改变的是、几天前、即使  通电后 EN 才释放、我也可以看到振荡和停止周期。  当我尝试您的建议时、  这种情况下的振荡要小得多、即使是在我没有修改的 SMPS 上也是如此！  我不知道当时发生了什么变化、但这似乎是一个微不足道的影响、因此可能是 我的布线、电源或其他东西的细微变化。

重要的是、无论 MODE 是否连接到低电平、这些振荡(和停止周期)仍然会发生。

如果我对断续的理解准确、我不确定 是否参与其中。 数据表显示关断时间为 32,768个周期、在915kHz 时为36ms。 比我在这里看到的任何东西都长得多。 此外、该数据表还指出、它仅适用于"软启动完成后"。 虽然我不能理解 第9.3.11段最后一句,所以也许我不明白。 就我个人而言、我认为停止周期更容易通过 脉冲跳跃 或(有时、比如在上面的最后一个捕获中、第二个 SS 斜坡很明显) UVLO 来解释、但测试这些东西总是很好的！

无论如何、我试图不获得隧道视觉、但 我注意到蓝色迹线第一次陡升期间的 dV/dt 在400µs 中约为20V。 输出电容的30µF、平均输出电流为1.5A 对吗？ 考虑到 上升的 输出/输入比和 一些电感器纹波电流、达到3.26A 限值是否合理？ 我被问及、因为我正在研究这些振荡期间发生的野生 PWM 周期、想知道这是否是降低的逐周期电流限制。  如果在软启动期间达到逐周期限制、开关节点是否会不稳定？

嗨、Heath、

感谢您的解释。  

您能否发送 COMP、SS、SW、FB 和输出信号的共享原理图中所示原始硬件设置的示波器图？

我们将检查这些信号以提供正确的解决方案。

此致、

Hassan   

好的、当然、但在这些小信号中很难在这一级别看到很多东西。 以下是除 SW 之外的所有功能：

• COMP - aqua、500mV/div
• SS -红色、200mV/div
• FB -绿色、200mV/div <-- oops、这是模式、而不是 FB。
• 输出-橙色、10V/div
  

这里的 SW 用黄色覆盖：

请注意、在这些捕获中、振荡寿命很短、不是特别大。 但这是我为了捕获所有这些信号而可能尝试的最可重复的行为。

对于较高的分辨率(不使用多信号时间对齐)、但全部采用相同的500mV/div (2ms/div 标度)、此处仅为 COMP：

和 SS：

AND 模式：

和 FB：

增编

我不是很满意,我在上面的镜头中捕捉了最初的事件感兴趣,所以我继续寻找条件,揭示它。 在对输入电压、接线配置、输入电容和输出电容进行长时间搜索后、我出现了一个能够可靠重现原始关注行为的组合。 我复制了上面的捕获结果。

SW + OUT：

补偿：

再次进行补偿、以确保：

SS：

模式：

FB：

而且、为了检查 SW 是否仍在执行我预期的操作、仅限 SW：

当然、在软启动曲线的拐点就会有惊人的高振荡。

事实,重现这种行为(这是100%可 在原始板上重现之前,它屈服于实验!) 只是略微调整了输入电容(10µF 至30µF)和输出电容(30µF 至60µF)以及输入电压(12V)、而不是这些变量中的任何更多或更少、导致我认为存在对寄生效应敏感的窄谐振带。 但容易受到影响。

我期待着您的建议。

现在我有一个 可重现的案例正在检查中、很容易捕捉未来的见解。 这里没有什么令人惊讶的,但为了完整性……

SW 和 BIAS：

二极管的 SW 和阳极(请注意、两者均为50V/div)：

上面的放大版表明 它们 只是振荡的开/关部分、具有串联电容器的直流失调电压。 此处的野生占空比变化也很明显。

嗨、Heath、

感谢您的所有说明和详细波形。

器件停止并再次启动这个事实应该不是问题。 在软启动期间、FB 引脚会被调节至上升软启动斜坡。 如果 VOUT 的增加速度快于基准斜坡、则器件将停止开关并等待斜坡跟上。 这是轻负载下的正常行为、与过流保护无关。

然而、接近 SW 的绝对最大限值的强振荡确实令人担忧。
为了进行确认、您的设计使用 单一电感器 、哪些不是相互耦合的、正确吗？

如果使用非耦合电感器、则可能需要使用 添加与耦合电容器(C81)并联的 RC 滤波器 以避免振荡。
以下应用手册详细介绍了耦合和非耦合 SEPIC 电感器之间的差异。
https://www.ti.com/lit/an/slyt411/slyt411.pdf

您可以检查应用中看到的谐振频率是否与应用手册中的此公式匹配？
根据我在原理图中看到的值、谐振频率应~35kHz、这 确实可以 与波形相匹配。

此致、
Niklas

Unknown 说：

设备停止并重新启动这一事实应该不是问题。 在软启动期间、FB 引脚会被调节至上升软启动斜坡。 如果 VOUT 的增加速度快于基准斜坡、则器件将停止开关并等待斜坡跟上。 这是轻负载下的正常行为、与过流保护无关。

同意。

Unknown 说：

为了进行确认、您的设计使用了 单一电感器 、它们不相互耦合、正确吗？

单一电感器。  来自 Bourns Inc 的 SRP1038A-220m、彼此相邻放置、串联帽位于一对端子之间。

Unknown 说：

您可以检查在应用中看到的共振频率是否与应用手册中的此公式相匹配？

振荡频率略低于10kHz。  我检查了所有电容/电感组合的谐振频率(包括应用手册中的谐振频率)、找不到匹配项！ 我觉得这里存在一些寄生效应(可能是内部 MOSFET 中的电容或串联电容器中的 ESL？？)、但不确定。

RC 滤波器是一个有趣的想法、但在10kHz 时、我会担心会消耗大量功耗。

鉴于在此启动期间 dV/dt 异常大(负载不超过0.2A、但需要1.5A 来 满足此 dV/dt)、我想知道是否有只影响软启动的解决方案更适合我。 还是您认为上升后存在稳定性问题？

嗨、Heath、

感谢您的反馈。

我当时查看了这个波形、并检查了振铃之间的距离、对我来说、这个距离在25us (40kHz)的范围内。
这就是我说35kHz 计算出的谐振可能匹配的原因。

由于波形分辨率较高、因此您或许可以在此处给出更接近的估计值。

我同意 RC 会增加损耗。
如果此振荡现象仅在启动期间发生、则可以考虑在初始测试中大幅增加软启动时间。 我 不确定这是否能在所有情况下解决问题、还是只是降低了外观频率。
但是、这种振荡风险可能仍然存在、因此使用 RC 滤波器似乎是消除这种行为的更安全的选择。

此致、
Niklas

哦、请原谅我！ 您完全正确。 它的频率大约是39kHz、并且一直如此。 非常感谢您的检查。 我回顾了我的笔记、唯一可以看到的差异是、我向 COMP 引脚添加了100nF、而该引脚稍低、约为35kHz。

所以共振很可能是一场比赛,这是一个巨大的潜在线索。

您对潜在振荡风险的建议得到了很好的采纳。 证明没有故障是不可能的, 所以我想尽我  所能来理解它的原因,并尝试消除任何可能的刺激它。

我注意到另一条线索。 SW 节点振荡的出现与占空比的典型次谐波振荡的出现重合。

在 SW 节点振荡开始之前、占空比稳定为~50%。 然后、随着 COMP 的增加、经典的短-长-短-长占空比会增加并增长、直至其约为86%/8%、所有问题都会松动。

这是振荡的出现。 SW 为黄色、COMP 为青色。

斜率补偿不足是否 一直是一个原因  ？由于固有的谐振、SW 节点振荡会产生影响？

我的计算器 fiw,我的计算器表明斜率补偿在数学上总是足够的,所以我不知道是什么引起次谐波振荡。 实现：

      Vcomp≥(∆IUP +|∆Idown|) x ACS --确保补偿 大于缩放的上升斜率+下降斜率。
      Vcomp≥2 x∆I x ACS        ——假设初始电流和最终电流相似。
Vslope x D + 1.1 ∆2 x≥I x 0.19       ——数据表中的值
0.5 x 100%+ 1.1≥0.38 x∆I         ——整个开关循环
       ∆I≤(0.5 + 1.1)/ 0.38
       ∆I≤4.2A

µs 电感器的最大 di/dt 为 Vin/Lin = 0.55A/μ s、输出电感器的最大 di/dt 大致相同。 因此、除非电感器过早饱和、否则我无法看到在1.1µs 开关周期内达到该限值。 这不太可能发生、因为电流限值(以安培为单位)为3.26/3.75/4.24最小值/典型值/最大值、并且电感器饱和额定值为8A。

哦、是 整体斜率 必须符合该标准。 因此、1.1V 失调电压不计量。 正是下降斜率很重要？ 因此：

     Vslope≥|∆Idown| x ACS / 2  --只有>50%的占空比很重要、因此0.5倍下降斜率是足够的？
       0.5 ≥ |∆Idown| x 0.19 / 2  --数据表中的值
    |∆Idown|≤0.5 / 0.1
    |∆Ω Idown| ≤5A

那么仍然有足够的裕度呢？

让我认为 PWM 比较器不起作用(因为 COMP 电压过高)、而是接管了电流限制比较器(没有斜率补偿)。

嗨、Heath、

感谢您的更新。

如果我看到类似这样的次谐波振荡、我也考虑先考虑斜率补偿。
但是、由于 LM5158是一个集成了 MOSFET 的控制器、因此斜率补偿在内部也是固定的、因此不可能通过外部电路增加斜率补偿。
但正如您的计算表明、给定的斜率补偿应具有足够的裕度 、这不应成为振荡的根本原因。

此致、
Niklas