[参考译文] TPS54560B-Q1：设计可变降压直流/直流转换器

尊敬的 Cristian：

对于延迟、我们深表歉意。 负责的工程师将很快给您回复。

谢谢！

Nitya

您好、Christian：

我需要对该设计做一些说明。

1.输入电压的[min、typ、max]值是多少? 采用32V[来自原理图]时、器件将无法运行30V 的输出电压和5A 的输出电流。 最大 考虑到 DCR 损耗(Vin=32V 时)、可能的输出电压为~28V。  在得到25V 输出电压或26V 输出电压之前、器件是否正常工作？

https://dr-download.ti.com/design-tools-simulation/calculation-tool/MD-GEmpHXH7ri/01.00.00.0E/slvc452e.zip 

建议您使用上述链接来计算元件值。  

2.您能否向我填写以下信息以进一步提供组件值的建议。  

--> Vout_min = 1V

 Vin [最小值、典型值、最大值]

  输出电流：  

--->Vout_max = 30V

 Vin [min、typ、max] =  

  Iout = 5A

谢谢！

Nitya

28V 是确保在重负载下单调启动的最小输入电压(0.9而非0.99是主要限制因素)。 这是否意味着直流/直流转换器在重负载下加电、对吧？ 如果是、则情况并非如此、因为它是可变的、始终以其最小输出电压启动。 总之、让我们考虑25V 最大输出电压。 标称输入电压为32V、来自交流/直流电源、它是固定的。 现在、我无法理解的是：由于 Vout 是可变的、我们如何根据 Vout 来计算输出电感和补偿组件的值？ 我们是否应该选择 Vout、计算元件值、然后在整个 Vout 范围内进行检查？

最小电压时的 Iout 小于1A、但我要绘制 Vout/Iout 曲线。

尊敬的 Cristian：

您需要考虑整个工作条件下的最坏情况值、以选择电感器、补偿元件和输出电容器值。  

1.电感纹波在 Vin =28V、Vout =1V、Iout=1A 时最差、电感值= 10uH [这个值正确]。

2.输出纹波值低于输出电压时较低、输出电容需要选择为 Vout=1V。 考虑到降额需求、电容值最小为85uF

应选择 R_comp = 1.5k Ω、C_comp = 33nF 且 C_POLE = 150pF。  考虑到该值、两种极端情况下的穿越频率均处于限值范围内、即 Vout_min =1V 和 Vout_max =25V。

建议相应地更改补偿值和输出电容器。 希望这可以解决问题。  

谢谢！

Nitya

尊敬的 Nityanand：

请帮助我理解。 此类应用的正确设计标准是什么？

1.电感纹波电流是否要保证在任何电压下电感纹波的输出电流至少为0.3 * Iout？

使用10uH 电感器时、Vin = 32V 且 Vout = 1V 电感器纹波为328mA。

Vout = 28V 时、电感器纹波为1.18A。

Vout = 18V 时、电感器纹波为2.67A。

是这样吗？

至于输出电容、不应该根据最大纹波电流来调整大小？ 如果是、这会在 Vout = 18V 2.67A 时发生。 考虑到最大纹波为25mV、Cout 必须大于45uF。 此处最严格的标准是在负载电流由高到低转换时、调整电容大小以吸收电感储存的能量。

考虑到相同的负载阶跃和0.2V 的输出变化、我们得到 Cout > 284uF。 在我的应用中、Cout = 170uF。

是这样吗？

3.补偿值选择的交叉频率应该在调制器极点和 ESR 零点之内、对吗？

当 Vout = 1V、Iout = 5A、Cout = 170uF 且 Resr = 5m Ω 时、fp = 4.7KHz、fz = 187kHz。 选择 Rcomp = 1.5k、fco = 6.7kHz > fp。 它应该没问题、也许可以提高。

上图中在 Vout = 2.15V 时测得的纹波、您认为是补偿不佳还是取决于其他因素？

感谢您的澄清！

尊敬的 Cristian：

1.没有硬性规定电感纹波应始终为 Iout 的30%。 电压可介于20%到60%之间、甚至更高、具体取决于客户用例。 如果电感器纹波较低、L 值会较高、因此成本和解决方案尺寸较高。 如果电感器纹波较高、电感值将会较低、但 Iavg + DeltaL/2可能达到峰值电流限值。  在降压转换器中 占空比为50%时会出现电感器纹波、如下所示。  

2.在设计中选择的输出电容高于要求值。 我记得最大的 对于较低的输出电压、输出电容约为85uF。  

3.为了实现最佳补偿设计、交叉频率 FCR 需要在 Fsw/10左右。 基于 R_Comp、需要选择 C_comp 和 C_pole 值。 建议您根据之前建议的值测试电路的行为。  

谢谢！

Nitya

尊敬的 Nityanand：

感谢您的澄清。 我将在接下来的几天内测试新的补偿值。 为了更好地理解：

在 TPS54560B 数据表中、额定电感器纹波电流为
作为电流模式 PWM 控制系统的一部分、电感器纹波电流应始终大于150 mA
从而实现稳定的 PWM 运行。 因此、它应始终大于该值并且10uH 满足此标准。

2.如上文所述、当从高负载电流转换为低负载电流时、当它必须吸收储存在电感中的能量时、计算出 Cout>284uF。

通过数学计算、即使在1V 输出电压下的负载电流(3.75A 至1.25A)不现实、也需要284uF。 在我的应用中、我有一些电容器并联、从而产生超过370 μ F 的电容。 我可能会降低它。

关于补偿、我仍然有点困惑。 FP 和 FZ 是在1V 输出电压和5A (最坏情况)下计算得出的、如果输出电容为370uF、ESR 为5m Ω、则导致 FP = 2.15kHz、FZ = 86kHz。 因此、正如您之前告诉我的、fco 必须处于这个范围、在大约30kHz 时才能实现最佳补偿。 为获得该值、在1V 下需要15k Rcomp、但在25V 下相同的值会违反 FP。 (1.23kHz < 2.15kHz)。 选择39k Rcomp 会导致在1V 时为79kHz (79<86kHz)、在25V 时为3.19kHz (319>2.15KHz)。

那么 Ccomp 在1V 时应为1.9nF、在25V 输出电压和39k Rcomp 时应为47nF。 那么、如何确定它的值呢？

Cpole 为47nF。

总之、您是否认为主题顶部显示的纹波是由于补偿不佳？ 补偿设计不佳的症状有哪些？

感谢您的帮助。

尊敬的 Cristian：

请使用建议的 comp 值检查器件行为。 当我在 Excel 计算工具中更新了上述建议的补偿值时、相位裕度和交叉频率在工作输出电压范围内处于裕度范围内。

谢谢！

Nitya

尊敬的 Nityanand：

我尝试了不同的补偿值、但结果都是一样的。

RComp = 1.5k、CComp = 33nF、Cpole = 150pF

RComp = 15k、CComp = 4.7nF、Cpole = 47pF

RComp = 39k、CComp = 4.7nF、Cpole = 47nF

输出电容器为150uF 聚合物混合电子电容器。 负载为25R、因此是128mA。

从上图可以看出、绿线(输出电压)具有相同的纹波调节。 没有改进。

为什么？

感谢您的支持

500R 负载(6.4mA)下的行为

RComp = 1.5k、CComp = 33nF、Cpole = 150pF

尊敬的 Cristian：

感谢波形。  

如果您查看最新的波形时间刻度、看起来输出纹波时间段为20ms。 这对应于50Hz 频率。 这也可能是测量的伪影或交流线路频率分量。 直流/直流转换器补偿元件无法消除这个频率较低的元件。  

您能否通过探头上较小的接地环路来测量示波器上的输出电压纹波、以确保这不是由测量问题导致的。  

尊敬的 Nityanand：

我将使用差分示波器、所以没有接地基准。 通过从外部将 GND 板连接到地 GND、可以消除这种50Hz 噪声。

您认为这只是测量问题还是从电源到直流/直流输出的噪声耦合？

我将展示 GND 接地后的噪声纹波。 以下屏幕使用接地参考示波器进行显示。 负载为25R。

4.16V 输出电压：(167mA)

20V 输出电压：(800mA)

20V 输出电压(20us 时间标度)：

3V 输出电压：(120mA)

1.87V 输出电压：(75mA)

1V 输出电压：(40mA)

在低输出电压下是否由于脉冲跳跃 Eco-mode 而产生三角波？

所有测试均使用 RComp = 1.5k、CComp = 33nF、Cpole = 150pF 进行

感谢您的支持

尊敬的  Cristian：

感谢波形。 很明显、观察到的任何输出电压纹波都是交流线路频率的伪影。  

有关轻负载和低输出电压下的最新波形、请参阅脉冲跳跃。  

谢谢！

Nitya

尊敬的 Nityanand：

最后的波形是在示波器上启用数字滤波器的情况下捕获的。 现在我已禁用它：

20V 输出电压：(800mA)：

20V 输出电压(5us 时间标度)：

4.16V 输出电压：(167mA)：

4.16V 输出电压(5us 时间标度)：

3V 输出电压：(120mA)：

1.87V 输出电压：(75mA)：

从图中可以看出、高电压时的噪声高得多、所以我的问题是：更好/更差的补偿应该改善/恶化输出噪声吗？

为了改善轻负载下的行为、我想我要换到另一个支持 FPWM 模式的直流/直流转换器。

对于交流线路频率、是否有任何技术可以从输出电压进一步降低它(最终应用将使用隔离式电源、因此 GND 线圈不会接地)？ 为什么它仅在输出上可见、而在控制输入上不可见？

感谢您的支持。

尊敬的 Nityanand：

我一直在努力对设计进行最好的改进。 目前的大问题是低电压和轻负载条件下的噪声。

Unknown 说：

要降低交流线路频率组件、请尝试将电路板 GND 连接到接地 GND。

最终应用将使用隔离电源、因此无法接地。

Unknown 说：

以及为什么它只在输出上而不在控制输入上可见？

这呢？ 您知道原因吗？

Unknown 说：

从图中可以看出、高电压时的噪声要高得多、所以我的问题是：好/坏的补偿是否应该改善/恶化输出噪声？

该陈述是否正确？ 如何找到最佳值？

尊敬的 Cristian：

BTW、对于所有这些测量、我相信您有一个最小的 GND 环路来捕获波形。 如果测量方法不正确、您可能会在测量信号时看到噪声。

1.即使是隔离电源,也可以接地。 您可以将电路板 GND 连接至大地 GND。 在初级和次级 GND 之间放置一个电容器、并将地 GND 连接到初级/次级侧。  

2.在控制输入端也可以看到,但振幅可能会变小。

3.根据我的理解,问题不是由于补偿价值。  由于轻负载条件下的脉冲跳跃、输出电压纹波较高。 您可以检查满载条件下的低输出电压情况下的器件行为、这只是为了确认器件行为是否符合预期。  

谢谢！

Nitya

尊敬的 Nityanand：

Unknown 说：

您可以检查满载条件下低输出电压情况下的器件行为、仅用于确认器件行为符合预期。  [报价]

您是说在1V 输出电压下以满载运行时检查行为吗？

无论如何、增加输出电容器只能提高输出性能(输出纹波、下冲、过冲)、是这样吗？

最后、您能帮我讲一讲数学原理吗？

在之前的帖子中、计算出 Cout 大于284uF：

. 如前所述、当从高负载电流转换为低负载电流时、计算 Cout>284uF 时、它必须吸收电感中存储的能量。

通过数学计算、即使在1V 输出电压下的负载电流(3.75A 至1.25A)不现实、也需要284uF。 在我的应用中、我有一些电容器并联、从而产生超过370 μ F 的电容。 我可能会降低它。

至于补偿值：

通过数学计算、即使在1V 输出电压下的负载电流(3.75A 至1.25A)不现实、也需要284uF。 在我的应用中、我有一些电容器并联、从而产生超过370 μ F 的电容。 我可能会降低它。

关于补偿、我仍然有点困惑。 FP 和 FZ 是在1V 输出电压和5A (最坏情况)下计算得出的、如果输出电容为370uF、ESR 为5m Ω、则导致 FP = 2.15kHz、FZ = 86kHz。 因此、正如您之前告诉我的、fco 必须处于这个范围、在大约30kHz 时才能实现最佳补偿。 为获得该值、在1V 下需要15k Rcomp、但在25V 下相同的值会违反 FP。 (1.23kHz < 2.15kHz)。 选择39k Rcomp 会导致在1V 时为79kHz (79<86kHz)、在25V 时为3.19kHz (319>2.15KHz)。

那么 Ccomp 在1V 时应为1.9nF、在25V 输出电压和39k Rcomp 时应为47nF。 那么、如何确定它的值呢？

Cpole 为47nF。

感谢您的支持

[报价用户 id="626830" url="~/support/power-management-group/power-management/f/power-management-forum/1429968/tps54560b-q1-designing-a-variable-step-down-dcdc/5487563 #5487563"]

至于输出电容、不应该根据最大纹波电流来调整大小？ 如果是、这会在 Vout = 18V 2.67A 时发生。 考虑到最大纹波为25mV、Cout 必须大于45uF。 此处最严格的标准是在负载电流由高到低转换时、调整电容大小以吸收电感储存的能量。

考虑到相同的负载阶跃和0.2V 的输出变化、我们得到 Cout > 284uF。 在我的应用中、Cout = 170uF。

是这样吗？

[报价]

尊敬的 Cristian：

您是说在1V 输出电压下以满载运行时检查行为吗？  

： 有。 仅用于测试、以检查 CCM 运行模式下的输出电压纹波

通过数学计算、即使在1V 输出电压下的负载电流(3.75A 至1.25A)不现实、也需要284uF

： 我还不清楚的一点是、您提到了在低输出电压条件下负载电流始终较低、但您要计算3.75A 至1.25A 负载阶跃下的输出电容值。 这对我来说没有任何意义。 您能不能清楚地告诉最大 对于1V 等较低输出电压的电流需求、以及负载阶跃电流、下冲/过冲要求和稳态要求是多少。

如果您给我提供 Iout 与 Vout 曲线、可以进一步调试。

关于补偿；我将会等到您给我提供满负载电流输出电压纹波。  

谢谢！

Nitya

尊敬的 Nityanand：

从我所执行的测试来看、直流/直流稳压器应该能够在10V 至最大输出电压的范围内提供高达4A 的电流。 我们可以考虑在输出电压为1V 时为1A。

下面是关于输入纹波的一些图像：

3.5A@27V 输出电压

3.7A@10V 输出电压

3.7A@16V 输出电压

如果您可以详细说明确定补偿值所需的所有数学运算、我可以将它们与结果进行比较。

感谢您的支持

尊敬的 Cristian：

1.对于可变输出电压应用、补偿值的选择往往比较复杂、因为降压转换器极点位置会 根据输出电压和电流电平持续变化。 我考虑了最坏的情况、这意味着极点更接近原点、这意味着输出电压约为25V、Iout 为4A。 在任何输出电压情况下、降压转换器的零点作为输出电容器 是固定的、其 ESR 是恒定的。  

随着输出电容器增加、极点会更接近原点。 f_pole = 1/(2*pi*Cout*Rload)。 因此、如果输出电容更大、那么补偿整个系统将变得更加困难。 对于3%的负载瞬态规格、我看到大约100uF 的电容器值就足够了。 请注意、使用更多的电容器总是会导致直流/直流转换器出现问题。 因此、始终建议使用必要的方法、将输出下冲/过冲保持在用例范围内。  

3.我试图改进我之前建议的 R_comp、C_comp 和 C_hf 值。 我认为在1Vout 和25Vout 等极端情况下、相位裕度较差。 为了补偿、可以按照前面的建议将 C_Comp 更改为68nF 而不是33nF、以保持补偿器的零点移向接近原点位置。 我尝试了多个用例、我看到在大多数用例中 PM>60度。 您可以使用下面的 Excel 工具、检查整个直流-直流转换器的小信号稳定性。  

https://dr-download.ti.com/design-tools-simulation/calculation-tool/MD-GEmpHXH7ri/01.00.00.0E/slvc452e.zip

希望这对您有所帮助。

谢谢！

Nitya