Las fuentes de alimentación inestables pueden causar problemas graves en el sistema, como ruido audible de los componentes pasivos, fluctuaciones inesperadas de las frecuencias de conmutación, oscilaciones extremas en el voltaje de salida durante los transitorios de carga y fallas en los interruptores de semiconductores. Hay muchas razones para la inestabilidad, pero las redes de compensación no sintonizadas representan la mayoría de los problemas de inestabilidad en las fuentes de alimentación conmutadas. Este artículo brinda orientación sobre cómo averiguar si la fuente de inestabilidad es una red de compensación no sintonizada y ofrece consejos simples para mejorar la estabilidad de las fuentes de alimentación inestables.
Tabla de contenido
- Respuesta transitoria: una medida de la estabilidad de la fuente de alimentación
- Red de compensación del regulador de conmutación
- Perilla disponible para estabilizar fuentes de alimentación inestables
- Regulador con red de compensación externa
- Regulador con red interna de compensación
- Validación de técnicas propuestas para solucionar problemas de fuentes de alimentación inestables
- Mejora adicional en la respuesta transitoria de la fuente de alimentación
- Conclusión
Respuesta transitoria: una medida de la estabilidad de la fuente de alimentación
El rendimiento transitorio de las fuentes de alimentación conmutadas se caracteriza por dos criterios principales: ancho de banda (BW) y margen de fase (PM). Cuanto mayor sea el BW, más rápida será la respuesta transitoria. Por otro lado, cuanto mayor sea el PM, mayor será la estabilidad. Se requiere un alto BW y un alto PM para un rendimiento transitorio aceptable. Sin embargo, existe una compensación entre BW y PM. En general, las técnicas que aumentan el BW disminuyen el PM y viceversa.
La Figura 1 muestra una respuesta transitoria típica de una fuente de alimentación de alto BW y bajo PM. Cuando ocurre una transición de carga, el voltaje de salida oscilará varias veces antes de establecerse en el voltaje regulado. El número de veces que oscila el voltaje de salida durante las transiciones de carga es una buena medida de la estabilidad de la fuente de alimentación. Dado que el número de oscilaciones está directamente relacionado con PM, está directamente relacionado con la estabilidad de la fuente de alimentación.
FIGURA 1: RESPUESTA TRANSITORIA TÍPICA DE UNA FUENTE DE ALIMENTACIÓN
Red de compensación del regulador de conmutación
En general, existen dos tipos de redes de compensación comúnmente utilizadas en los reguladores de conmutación, Tipo II y Tipo III. Una red de compensación Tipo II emplea un conjunto de polos cero para lograr el ancho de banda y el PM deseados. Se emplea una red de compensación de tipo III para mejorar aún más la respuesta transitoria del regulador. Una red de compensación Tipo III agrega un conjunto adicional de polos cero y ayuda a lograr un mayor BW y/o un mayor PM. La Figura 2 muestra un esquema de una red de compensación Tipo III. 
El propósito de este artículo es mostrar cómo usar una técnica simple para estabilizar una fuente de alimentación inestable. Tenga en cuenta que la técnica propuesta es válida solo cuando la fuente de inestabilidad es una red de compensación no sintonizada.
Los dos tipos de reguladores de conmutación que se analizan a continuación se refieren a la implementación de redes de compensación. Estos dos tipos son reguladores de conmutación con redes de compensación externas y reguladores de conmutación con redes de compensación internas. La Figura 3 muestra un circuito de aplicación típico para estos dos tipos de fuente de alimentación.
FIGURA 3: DOS TIPOS DE REDES DE COMPENSACIÓN EN EL SUMINISTRO ELÉCTRICO
Perilla disponible para estabilizar fuentes de alimentación inestables
Como se mencionó anteriormente, la inestabilidad del regulador de conmutación se puede ver observando la respuesta transitoria a los cambios de carga.
La Figura 1 muestra un ejemplo de una fuente de alimentación inestable, con algunas oscilaciones en el voltaje de salida cuando ocurrió una transición de carga. La figura 4 muestra el diagrama de Bode de la fuente de alimentación de la figura 1. En este ejemplo, el BW es 65kHz, pero el PM es solo 16°. Para utilizar una fuente de alimentación con un rendimiento transitorio aceptable, recomendamos un BW del 10% o menos de la frecuencia de conmutación y un PM de >60°. La frecuencia de conmutación de la fuente de alimentación en la Figura 1 fue de 400 kHz. Esto limita el ancho de banda permitido a menos de 40 kHz. En la Figura 4, el ancho de banda alto de 65 kHz da como resultado un PM bajo (solo 16°).
Tenga en cuenta que para aplicaciones sensibles al ruido, el ancho de banda debe limitarse aún más a menos del 5% de la frecuencia de conmutación.
FIGURA 4: GRÁFICO DE BODE DE LA FUENTE DE ALIMENTACIÓN DE LA FIGURA 1
La figura 4 muestra que la curva de amplitud (azul) llega a 0dB mientras que la curva de fase (roja) ya está descendiendo. Para una buena PM y una buena estabilidad, el punto 0dB de la curva de amplitud debe ocurrir antes de que la curva de fase comience a descender.
Las técnicas que se presentan a continuación permiten al lector reparar rápidamente una fuente de alimentación conmutada inestable y, al mismo tiempo, proporcionan una forma de ver si el ancho de banda se puede reducir para mejorar la estabilidad. Una reducción significativa en el ancho de banda y una estabilidad mejorada confirman que la causa de la inestabilidad fue una red de compensación no sintonizada.
Tenga en cuenta que la reducción de BW hace dos cosas para mejorar la estabilidad. Primero, ralentiza el lazo de control. Un lazo de control lento previene o limita picos y oscilaciones bruscos de salida. En segundo lugar, la reducción de BW aumenta el PM y mejora la estabilidad.
Regulador con red de compensación externa
Para fuentes de alimentación con una red de compensación externa, la red de compensación se coloca en el pin COMP. En ese escenario, una manera fácil de verificar si la oscilación de salida es causada por una red de compensación no sintonizada es colocar un capacitor grande en el pin COMP. Un gran condensador en el pin COMP introduce un polo de baja frecuencia en el circuito de control, lo que limita severamente el ancho de banda. Cuanto mayor sea este condensador, menor será el ancho de banda. La Figura 5 muestra el efecto de agregar un capacitor grande al pin COMP. Un rango típico para el capacitor pin COMP es de 100nF a 1µF.
FIGURA 5: EFECTO DE AGREGAR UN CONDENSADOR GRANDE EN EL PIN COMP
Regulador con red interna de compensación
Para reguladores con redes de compensación interna, el pin COMP no está disponible. Por lo tanto, se debe usar una perilla externa para bajar el BW y aumentar la estabilidad. La forma más efectiva de limitar el ancho de banda de un regulador de conmutación usando una red de compensación interna es usar una resistencia en serie con el pin de retroalimentación (llamada resistencia en serie FB).
La Figura 6 muestra el efecto de agregar una resistencia en serie FB. Esta resistencia desplaza la curva de amplitud hacia abajo y tiene un pequeño efecto en la curva de fase. Por lo tanto, limita efectivamente el ancho de banda y aumenta la estabilidad de la fuente de alimentación. Cuanto mayor sea la resistencia de la serie FB, mayor será la reducción de BW. Las resistencias comunes de la serie FB deben estar en el rango de 5 kΩ a 100 kΩ.
Efecto de agregar una resistencia en serie con el pin FB
Validación de técnicas propuestas para solucionar problemas de fuentes de alimentación inestables
Este artículo utiliza dos partes de este ejemplo.de MPM3530 Módulo reductor de potencia 55V/3A con red de compensación externa de. sistema de energía monolítico (MPS). La Figura 7(a) muestra un esquema de una aplicación típica del MPM3530. La figura 7(b) muestra MPQ4420Regulador reductor síncrono MPS 36V/2A con red de compensación interna.
FIGURA 7: EJEMPLO DE UN CIRCUITO DE APLICACIÓN TÍPICO
Para demostrar el efecto de agregar un capacitor grande al pin COMP, considere el MPM3530. En este ejemplo, los componentes de la red de compensación se eligen de manera que el regulador sea inestable. Esto se hace aumentando R3 en la Figura 7(a) de 2,53 kΩ a 16 kΩ. La figura 8 muestra la respuesta transitoria del MPM3530 y su diagrama de Bode. Un alto número de oscilaciones de salida indica baja estabilidad. Un pequeño PM de solo 2° en el diagrama de Bode confirma la mala estabilidad.
FIGURA 8: GRÁFICO DE BODE Y RESPUESTA TRANSITORIA DE MPM3530 UTILIZANDO UNA RED DE COMPENSACIÓN NO SINTONIZADA
La Figura 9 muestra lo que sucede con la respuesta transitoria cuando se agrega un capacitor de 1 µF al pin COMP. Las vibraciones de alta potencia se amortiguan para mejorar la estabilidad. El diagrama de Bode muestra una reducción significativa en BW, como se esperaba. Una disminución en BW da como resultado un aumento significativo en PM y una mejor estabilidad.
Sin embargo, aunque mejora la estabilidad, ralentiza la respuesta. El tiempo de establecimiento del voltaje de salida ha aumentado significativamente de 300 µs a 2 ms. También tenga en cuenta que el subimpulso de voltaje máximo ha aumentado a 700 mV en comparación con los 15 mV de la Figura 8 debido a una respuesta más lenta a los cambios de carga.
FIGURA 9: EFECTO DE MEJORA DE LA ESTABILIDAD DEL CONDENSADOR GRANDE EN EL PIN COMP DE MPM3530
Como se muestra en la Figura 7(b), los reguladores con redes de compensación interna como el MPQ4420 no pueden usar el pin COMP. La Figura 10 muestra la respuesta transitoria del MPQ4420 sin resistencia en serie FB (por ejemplo, R3 está configurado en 0 Ω en la Figura 7(a)). Las altas oscilaciones en el voltaje de salida durante las transiciones de carga indican poca estabilidad. Mirando el diagrama de Bode, el BW es de 72 kHz, pero el PM es de solo 11 °. La frecuencia de conmutación predeterminada del MPQ4420 es de 410 kHz, por lo que el ancho de banda debe limitarse a menos de 41 kHz.
FIGURA 10: RESPUESTA TRANSITORIA DEL MPQ4420 Y GRÁFICO DE BODE SIN RESISTENCIAS DE LA SERIE FB CON RESISTENCIAS DE LA SERIE FB
La Figura 11 muestra cómo cambiar R3 de 0Ω a 51kΩ reduce en gran medida las oscilaciones durante la respuesta transitoria. Como era de esperar, la introducción de la resistencia en serie FB desplazó la curva de amplitud hacia abajo. Esto significa menor BW y mayor PM. En este escenario, el nuevo ancho de banda es de 21kHz y el PM ha mejorado de 11° a 43,5°.
FIGURA 11: RESPUESTA TRANSITORIA DEL MPQ4420 Y GRÁFICO DE BODE UTILIZANDO RESISTENCIAS DE LA SERIE FB
Mejora adicional en la respuesta transitoria de la fuente de alimentación
Como se muestra en la Figura 12, el PM todavía está por debajo del objetivo de 60° a pesar de la alta estabilidad de salida y la baja oscilación. Una mayor reducción en BW no aumenta más el PM y ralentiza aún más el tiempo de respuesta. Como se mencionó anteriormente, cuanto menor sea el BW, mayor será el subimpulso de voltaje.
Se pueden usar perillas adicionales para mejorar PM sin ralentizar el regulador a expensas de BW. Esta solución utiliza un condensador feedforward (CFF).
Dado que se trata de una red de compensación interna Tipo II, no proporciona refuerzo de fase. Agregue C si desea aumentar la fase.FF en la red de retroalimentación (ver Figura 12). C.FF Agregue otro cero a la red de compensación. Esto le permite aumentar PM sin disminuir BW. De hecho, la selección adecuada de capacitores puede mejorar la PM y aumentar el ancho de banda para una respuesta transitoria más rápida.
FIGURA 12: ESQUEMA DEL MPQ4420 UTILIZANDO UN CONDENSADOR FEEDFORWARD
La figura 13 muestra la respuesta transitoria y el diagrama de Bode del MPQ4420 con una resistencia en serie de 19kΩ FB y 220pF C.FFEl BW se incrementó a 40kHz como se muestra aquí. Esto es solo el 10 % de la frecuencia de conmutación y el PM alcanza los 78°, lo que está en línea con el PM objetivo de >60°.
FIGURA 13: RENDIMIENTO TRANSITORIO MPQ4420 UTILIZANDO RESISTENCIA SERIE FB Y CFF
La figura 13 muestra solo un subimpulso en el voltaje de salida, lo que indica una buena estabilidad del dispositivo. El tiempo de respuesta también se redujo a aproximadamente 60 µs y el voltaje de subimpulso se redujo a solo 8 mV.
Conclusión
Este artículo ha proporcionado algunos consejos simples para diagnosticar y resolver problemas de inestabilidad en fuentes de alimentación conmutadas. Se han propuesto técnicas separadas para estabilizar a los reguladores con redes de compensación externas ya los reguladores con redes de compensación externas.Se comprobó la eficacia de los métodos propuestos aplicándolos MPM3530 y MPQ4420 Este artículo mostró cómo los condensadores de alimentación directa pueden mejorar aún más la respuesta transitoria de los reguladores de conmutación.
Amir Ranjbar, ingeniero sénior de aplicaciones de campo, Monolithic Power Systems
tSu artículo se publicó originalmente en el sitio web hermano Power Electronics News