Pourquoi compensons-nous les contrôleurs PWM?

J'étudie les alimentations à découpage depuis un certain temps. J'ai compris le principe de fonctionnement de plusieurs topologies courantes Mais il y a un détail dans les structures des circuits de contrôle que je ne comprends toujours pas. Nous utilisons et C_c pour "compenser" le retour de tension. Mais pourquoi? J'ai vu de nombreux exemples de conceptions pratiques dans les fiches techniques des contrôleurs PWM. Presque tous incluent cette technique de compensation RC. Mais aucun d'entre eux ne mentionne comment choisir les valeurs de R_c et C_c . Pourquoi avons-nous besoin d'une telle compensation et comment déterminer les valeurs de ces éléments?$R_c$$C_c$$R_c$$C_c$

C'est la théorie fondamentale du contrôle et de la rétroaction. Merci M. Lyapunov , M. Black et M. Nyquist .

Considérez que tout le monde partout veut toujours que la sortie de son alimentation ait la bonne tension, quoi qu'il arrive. Comment gérer ça? La meilleure façon que nous connaissons est d'utiliser les commentaires.

Alimenter un échantillon de la tension de sortie et du courant pour comparer avec une norme de référence. Étant donné que la rétroaction est négative ou que la différence est prise entre la quantité de sortie et la référence, un signal d'erreur est obtenu.

Dans votre exemple de circuit, la différence entre Vref et Vfb est prise dans l'Amp d'erreur pour obtenir Verr. Pour une meilleure précision, Verr doit être minimisé, donc l'ampli Error applique également un gain, beaucoup de gain, plus c'est mieux.

C'est un peu comme la situation au sol virtuelle avec un OpAmp. L'OpAmp a beaucoup de gain, sa sortie est renvoyée à l'entrée de manière négative, et la différence entre l'entrée positive et l'entrée négative devient pratiquement nulle. Si l'OpAmp est idéal avec un gain infini, la différence entre les entrées est nulle. Même idée de base avec un contrôleur PWM, mais avec des étapes supplémentaires. Selon cette idée, vous avez juste besoin d'un gain et d'une bande passante infinis dans l'ampli d'erreur (et tout le reste) pour réaliser ce que tout le monde veut partout et à tout moment.

Bande passante infinie? Arrêtez ici

Si toutes les étapes de la boucle avaient une bande passante infinie, ce serait tout ce qu'il y aurait à faire. Aucune compensation ne serait nécessaire. Mais, il y a des limites de bande passante partout.

Tout d'abord, il y a la fréquence de Nyquist de l'échantillonnage PWM. En raison de l'échantillonnage une fois par période PWM, le gain et la phase du modulateur de puissance, tout ce qui se trouve dans votre diagramme entre la sortie de l'amplificateur d'erreur et l'entrée du filtre de sortie, se bloque comme une charge de briques traversant une falaise à la fréquence de Nyquist.

Ensuite, parce que l'alimentation à découpage fonctionne en échantillonnant dans le temps diverses tensions, au moins Vin et Vin Rtn, sa sortie brute est un peu cahoteuse et filtrée pour être lissée. Le filtre fournit toujours au moins 2 pôles, parfois plus, et généralement complexes. (Certains diraient que le contrôle du mode actuel se déplace sur l'un des pôles, mais en réalité, il est simplement déplacé de sorte que vous ne vous en souciez pas vraiment.) Deux pôles plus fournissent 180 degrés de perte de phase, ce qui, avec le négatif la rétroaction et beaucoup de gain feront un merveilleux oscillateur.

Nous avons encore besoin de beaucoup de gain de boucle, en particulier aux basses fréquences, pour éviter les erreurs de sortie et l'ondulation du réseau, mais comment gérer tout ce déphasage lorsque la fréquence augmente? Faites un intégrateur de la boucle. De cette façon, le gain est au maximum élevé en courant continu, mais diminue de 20 dB par décennie, ajoutant seulement 90 degrés de déphasage aux fréquences plus élevées. Finalement, plus de pôles apparaissent, donc le gain de boucle est ajusté pour avoir un gain global inférieur à 0 dB d'ici là.

La plupart de ce qu'il faut pour transformer la boucle en intégrateur se fait par l'ampli Error et sa compensation. Le cas le plus simple aura une compensation pour un seul pôle, dont une forme se trouve dans votre diagramme avec et . Ce type de compensation fonctionne assez bien pour les boucles avec contrôle de mode actuel et Flyback discontinus, qui auront un pôle dominant au niveau du bouchon de filtre de sortie et de la charge ( ~ ). Dans ce cas, et sont choisis pour couvrir ce pôle et pour régler le gain de l'amplificateur d'erreur sur 0 dB avant que d'autres pôles n'apparaissent.$R_c$$C_c$$f$$\frac{1}{2\pi R_o C_o}$$R_c$$C_c$

Cela se fait rarement par essais et erreurs, car il existe un nombre infini de façons de gâcher la boucle et seulement quelques façons de bien faire les choses.

Vous devez également savoir que le diagramme référencé est un cas spécial mais préféré. L'amplificateur d'erreur n'est pas vraiment un OpAmp, mais plutôt un ampli à transconductance, convertissant la tension en courant. C'est pourquoi et sont montrés à la masse au lieu de l'entrée inverseuse. Vc finit par être le courant de sortie de l'amplificateur d'erreur multiplié par l'impédance de et . C'est un cas préféré car les amplis à transconductance sont plus faciles à réaliser dans un circuit intégré, ils sont donc très couramment utilisés dans les contrôleurs PWM.$R_c$$C_c$$R_c$$C_c$

Il y a des questions sur ce site qui sont liées, en voici quelques-unes:

conditionnel-stabilité

Convertisseur Boost de Théorie de Contrôle

En voici un de TI sur les amplis de compensation .

Si vous regardiez le gain en boucle ouverte du système, vous verriez que la fermeture de la boucle entraînerait l'auto-oscillation du système sans utiliser les composants de compensation appropriés.

Imaginez que Vfb n'était pas connecté à nouveau à l'ampli d'erreur, mais à la place, vous l'avez surveillé sur un O-scope. Réglez l'entrée + de l'amplificateur d'erreur sur une valeur DC abitrary et remplacez Vref par une entrée d'oscillateur.

Retirez les composants de compensation.

Balayez l'entrée de DC jusqu'à plusieurs MHz et regardez le signal Vfb en boucle ouverte. Ce que vous remarqueriez, c'est qu'il y a un gain élevé aux basses fréquences et qu'il diminue à mesure que la fréquence augmente. Vous voyez également un changement de phase dans le signal et à une fréquence élevée abitarienne, le signal Vfb finirait par changer de phase de telle sorte que si Vfb était connecté, il y aurait une rétroaction positive et l'ensemble du circuit deviendrait un oscillateur.

Le circuit de compensation est là pour empêcher ce décalage de phase ou pour rendre le gain en boucle ouverte inférieur à l'unité au moment où le signal se déplace en phase.

Cela stabilise le système.

Comment les choisissez-vous? Probablement essais et erreurs dans de nombreux cas, car c'est peut-être plus rapide que de faire les calculs.