從功率級(jí)到控制環(huán)路DC-DC變換器設(shè)計(jì)的系統(tǒng)化思路結(jié)合ISSCCedu2020核心內(nèi)容各位做電源、做模擬IC、以及正在跟開關(guān)電源糾纏的同行們今天這篇內(nèi)容我一直想寫。起因是重刷了ISSCCedu2020上關(guān)于DC-DC變換器模擬電路核心模塊的系列課程結(jié)合這幾年在項(xiàng)目里反復(fù)迭代功率級(jí)、控制環(huán)路、仿真驗(yàn)證的經(jīng)驗(yàn)整理成一篇適合中國(guó)人工程師閱讀和實(shí)戰(zhàn)參考的總結(jié)。無(wú)論你是在做PMIC、片上電源、還是板級(jí)電源方案只要和DC-DC打交道這篇內(nèi)容對(duì)標(biāo)的核心就是功率級(jí)怎么設(shè)計(jì)、控制環(huán)路怎么收斂、仿真怎么支棱起來(lái)、實(shí)驗(yàn)室問題怎么排查。全文盡量口語(yǔ)化但涉及參數(shù)、公式、指標(biāo)的地方我會(huì)寫透方便直接落地。先把整個(gè)思路拉通DC-DC變換器系統(tǒng)本質(zhì)是一個(gè)能量管家。往簡(jiǎn)單說(shuō)它干的事就是——把輸入端不穩(wěn)定的能量搬到一個(gè)存儲(chǔ)介質(zhì)電感/電容里再按需釋放到輸出端但真正讓它好用的關(guān)鍵是你得給這個(gè)能量搬運(yùn)過程按一個(gè)“大腦”也就是控制環(huán)路。功率級(jí)管的是“動(dòng)力系統(tǒng)”控制環(huán)路管的是“精度和穩(wěn)定”。兩者缺一不可也正因?yàn)槿绱藥缀跛蠨C-DC的核心課程和面試題都會(huì)圍繞這兩塊展開。ISSCCedu2020這門課選的角度很到位它沒有一上來(lái)就堆公式而是從“一個(gè)DC-DC系統(tǒng)到底由哪些模塊組成”講起然后每一講深入拆解一個(gè)環(huán)節(jié)開關(guān)管驅(qū)動(dòng)、電感電流采樣、誤差放大器、補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)、PWM比較器、保護(hù)邏輯……每一個(gè)模塊單獨(dú)拎出來(lái)都能講幾個(gè)小時(shí)。我今天這篇就是基于它的框架結(jié)合自身實(shí)操經(jīng)驗(yàn)做一次“二次消化”把關(guān)鍵模塊和設(shè)計(jì)方法論翻譯成我們能直接拿去干活的內(nèi)容。適合看這篇的朋友包括正在學(xué)習(xí)模擬電路基礎(chǔ)的學(xué)生、剛接手DC-DC項(xiàng)目的硬件工程師、做電源管理IC的模擬設(shè)計(jì)工程師以及那些想系統(tǒng)梳理開關(guān)電源控制環(huán)路設(shè)計(jì)思路的人。如果你已經(jīng)能輕松看懂Buck電路的原理但一涉及環(huán)路補(bǔ)償就發(fā)怵這篇文章正好對(duì)接你的痛點(diǎn)。1. 整體設(shè)計(jì)思路拆解DC-DC系統(tǒng)的模塊化視角1.1 從“三大塊”入手快速建立系統(tǒng)地圖我第一次接觸DC-DC設(shè)計(jì)的時(shí)候習(xí)慣把整個(gè)系統(tǒng)拆成三大塊功率級(jí)Power Stage、控制級(jí)Control Stage和反饋網(wǎng)絡(luò)Feedback Network。這也是ISSCCedu2020課程的邏輯起點(diǎn)——不要一上來(lái)鉆進(jìn)公式里先把系統(tǒng)的“骨架”立起來(lái)。功率級(jí)負(fù)責(zé)能量的轉(zhuǎn)換和傳輸核心成員是開關(guān)管MOSFET、電感、電容和續(xù)流二極管或同步整流管?？刂萍?jí)的職責(zé)是產(chǎn)生合理占空比的PWM信號(hào)核心成員是誤差放大器、PWM比較器、振蕩器、驅(qū)動(dòng)電路和邏輯保護(hù)電路。反饋網(wǎng)絡(luò)則是系統(tǒng)的“傳感器”通過分壓電阻把輸出電壓采樣回來(lái)送入控制級(jí)。三者構(gòu)成一個(gè)典型的閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)。畫完這個(gè)系統(tǒng)地圖設(shè)計(jì)工作就會(huì)變清晰功率級(jí)決定系統(tǒng)的“硬實(shí)力”——效率、紋波、帶載能力控制級(jí)和反饋網(wǎng)絡(luò)決定系統(tǒng)的“軟實(shí)力”——穩(wěn)定性、動(dòng)態(tài)響應(yīng)、精度。ISSCCedu2020課程的精髓就在于把這兩塊硬實(shí)力和軟實(shí)力系統(tǒng)地串起來(lái)講而不是像很多教材那樣只盯著某個(gè)電路片段。1.2 為什么“功率級(jí)控制環(huán)路”是永遠(yuǎn)繞不開的兩個(gè)核心點(diǎn)解強(qiáng)調(diào)這兩個(gè)模塊因?yàn)閹缀跛蠨C-DC設(shè)計(jì)問題歸根結(jié)底要么出在功率級(jí)、要么出在控制環(huán)路或者兩者匹配出了問題。功率級(jí)的選型和參數(shù)算錯(cuò)后面控制環(huán)路再怎么補(bǔ)償也救不回來(lái)。比如電感選小了電流紋波過大反饋信號(hào)里都是高頻噪聲環(huán)路補(bǔ)償做得再好也會(huì)被噪聲干碎電感選大了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)響應(yīng)變慢輸入電壓跳變的時(shí)候輸出瞬間掉壓。控制環(huán)路設(shè)計(jì)不當(dāng)則更隱蔽——看似靜態(tài)下輸出穩(wěn)如泰山一旦動(dòng)態(tài)負(fù)載變化就振鈴甚至震蕩這在示波器上看起來(lái)非常嚇人。所以我一直堅(jiān)持一個(gè)設(shè)計(jì)原則先硬后軟先功率再控制。很多人拿到一個(gè)DC-DC項(xiàng)目就急著調(diào)PID參數(shù)結(jié)果參數(shù)調(diào)了半天也不知道自己在調(diào)什么本質(zhì)就是沒有先驗(yàn)證功率級(jí)的開環(huán)特性。ISSCCedu2020課程里也反復(fù)強(qiáng)調(diào)做控制環(huán)路設(shè)計(jì)之前必須先從功率級(jí)提取小信號(hào)模型——Buck也好、Boost也好、Buck-Boost也好功率級(jí)的傳遞函數(shù)是整個(gè)環(huán)路設(shè)計(jì)的起點(diǎn)這個(gè)拿不到后面全是空中樓閣。1.3 從ISSCCedu2020課程反推頂級(jí)設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)的關(guān)注點(diǎn)ISSCCedu2020的課程陣容大部分來(lái)自工業(yè)界頂尖的模擬設(shè)計(jì)團(tuán)隊(duì)他們的關(guān)注點(diǎn)和學(xué)術(shù)界稍有差異。學(xué)術(shù)界可能更在意一個(gè)新穎的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)或者一種高級(jí)的控制算法而工業(yè)界更關(guān)注在工藝偏差、溫度變化、寄生參數(shù)影響下這個(gè)電路能不能穩(wěn)定量產(chǎn)出貨。所以課程里花了不少篇幅講非理想因素。比如說(shuō)功率管的開關(guān)特性并不是一個(gè)理想的方波——開通時(shí)存在米勒平臺(tái)關(guān)斷時(shí)存在拖尾電流電感激磁電感、電容ESR、PCB走線寄生電感都會(huì)影響實(shí)際波形和效率。這些在實(shí)際項(xiàng)目里都是要逼真計(jì)量的因素而不是在教材的理想模型里幻想出來(lái)的。這一點(diǎn)對(duì)我的啟發(fā)很大。做設(shè)計(jì)不能只停留在原理圖是“對(duì)的”要不斷問如果電阻誤差±1%呢如果電感在過流時(shí)感值掉了20%呢如果輸入電壓在極限范圍波動(dòng)呢把這些邊界條件想清楚你寫出來(lái)的設(shè)計(jì)才是一個(gè)真正能交付的設(shè)計(jì)。2. 功率級(jí)設(shè)計(jì)精講從拓?fù)溥x擇到參數(shù)計(jì)算的落地方法2.1 拓?fù)溥x型不是會(huì)用Buck就夠了很多入門資料一上來(lái)就講Buck導(dǎo)致有初學(xué)者以為DC-DC就是Buck。實(shí)際上選型的第一原則是應(yīng)用場(chǎng)景決定拓?fù)?。Boost適合需要升壓的場(chǎng)合比如鋰電池供電的LED驅(qū)動(dòng)Buck-Boost適合輸入電壓可能高于或低于輸出電壓的場(chǎng)合比如車載電源適配器還帶反相或者SEPIC等拓?fù)溆糜谔厥庑枨?。這里把最常用的三種拓?fù)鋵?duì)比如下拓?fù)漭斎胼敵鲭妷宏P(guān)系典型應(yīng)用場(chǎng)景設(shè)計(jì)難度Buck降壓Vin Vout處理器供電、板上電源中等Boost升壓Vin Vout電池升壓、LED驅(qū)動(dòng)較高Buck-Boost含反相輸出范圍覆蓋輸入兩側(cè)車載電源、電池供電設(shè)備最高在ISSCCedu2020的課程中他們用了非常大的篇幅討論電感的位置和能量傳遞路徑這其實(shí)就是拓?fù)涞谋举|(zhì)。Buck里電感在輸出端、儲(chǔ)能和釋能都向負(fù)載方向Boost里電感在輸入端、開關(guān)管導(dǎo)通時(shí)先給電感充電、關(guān)斷后電感向輸出釋放能量Buck-Boost則結(jié)合了兩者的工作方式同時(shí)承受更大的電壓應(yīng)力。理解了能量路徑你就能理解為什么Boost的輸出電容需要更大的容值為什么Buck-Boost的開關(guān)管電壓應(yīng)力等于Vin加Vout而不是單純記公式。2.2 電感選型計(jì)算兩個(gè)方向都要滿足電感是DC-DC功率級(jí)的“油箱”它的核心參數(shù)是電感值L和飽和電流Isat。計(jì)算電感值的基本思路根據(jù)你允許的電流紋波比例來(lái)確定L的范圍。電感的電流紋波ΔIL計(jì)算公式如下ΔIL (Vin - Vout) × D / (L × fs)其中D是占空比f(wàn)s是開關(guān)頻率。這個(gè)式子看著簡(jiǎn)單但里頭的物理含義是對(duì)電感“伏秒平衡”的直觀體現(xiàn)——電感在一個(gè)開關(guān)周期內(nèi)“吸收”的伏秒必須等于“釋放”的伏秒否則電感電流會(huì)單調(diào)漂移直到飽和。實(shí)際工程中一般取紋波電流為滿載輸出電流的20%~40%。比如輸出3A的Buck設(shè)計(jì)目標(biāo)紋波取30%即0.9A。如果你設(shè)定fs500kHz、Vin12V、Vout5V那么占空比DVout/Vin≈0.417代入公式可得L (12 - 5) × 0.417 / (0.9A × 500kHz) ≈ 6.48μH此時(shí)推薦選擇標(biāo)稱值6.8μH的電感。上面說(shuō)的是根據(jù)紋波確定最小電感值但還要反向校驗(yàn)——如果電感取值過大雖然紋波小了但動(dòng)態(tài)響應(yīng)會(huì)變差負(fù)載突變時(shí)電感來(lái)不及補(bǔ)充能量輸出會(huì)掉壓嚴(yán)重。所以電感值不是越大越好而是在紋波和動(dòng)態(tài)響應(yīng)之間找平衡點(diǎn)。另一個(gè)容易被忽略的是電感的飽和電流。很多工程師選電感只看感值不看飽和電流結(jié)果系統(tǒng)在過流或啟動(dòng)瞬間電感飽和感值驟降紋波暴增甚至出現(xiàn)“嘯叫”——那是電感磁芯在飽和邊緣振動(dòng)的聲音。飽和電流至少應(yīng)該大于最大峰值電流即最大負(fù)載電流 紋波電流的一半最好留20%以上的余量。2.3 輸出電容和輸入電容ESR比容值更重要電容選擇的兩個(gè)維度是容值和ESR而實(shí)際設(shè)計(jì)中ESR往往扮演更關(guān)鍵的角色。輸出電容的主要作用是抑制輸出電壓紋波——電感電流紋波流過電容的ESR會(huì)產(chǎn)生壓降這個(gè)壓降直接決定輸出電壓紋波的大小。輸出紋波電壓可以近似表示為Vripple ≈ ΔIL × (ESR 1/(8 × fs × Cout))注意這式子里的ESR項(xiàng)它通常起主導(dǎo)作用。舉個(gè)例子如果ΔIL0.9AESR10mΩ那么僅ESR貢獻(xiàn)的紋波就有9mV如果ESR是50mΩ紋波直接跑到45mV。所以選輸出電容時(shí)第一優(yōu)先級(jí)是低的ESR其次才是大的容值。這也是為什么DC-DC輸出端經(jīng)常用多個(gè)陶瓷電容并聯(lián)——多個(gè)電容并聯(lián)ESR大致按并聯(lián)數(shù)量等比例下降。輸入電容則承擔(dān)不同的職責(zé)。輸入電容要吸收開關(guān)管快速通斷產(chǎn)生的脈動(dòng)電流這個(gè)電流的dv/dt非常高如果輸入電容不夠或ESR過大輸入電壓會(huì)產(chǎn)生巨大的跌落和毛刺不僅干擾控制芯片工作還會(huì)通過PCB傳導(dǎo)到系統(tǒng)其他部分。經(jīng)驗(yàn)法則是輸入電容的容值一般是輸出電容的2倍左右但更重要的是靠近功率管擺放減小寄生電感。我也提一句ESR—溫度特性。X5R、X7R這些介質(zhì)材料的陶瓷電容偏置電壓升高時(shí)容值會(huì)下降溫度變化也會(huì)引起容值和ESR的漂移。這在實(shí)際設(shè)計(jì)中經(jīng)常讓人踩坑——常溫下調(diào)試得好好的一進(jìn)高低溫箱輸出紋波翻倍。我建議輸出電容至少留30%的容值裕量并且在datasheet參數(shù)選型時(shí)優(yōu)先選電壓等級(jí)為實(shí)際工作電壓2倍左右的陶瓷電容這樣容值受偏置電壓的影響會(huì)小很多。2.4 功率管選型與驅(qū)動(dòng)導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗的博弈功率MOSFET的選型是功率級(jí)設(shè)計(jì)里最需要權(quán)衡的地方。關(guān)鍵的折中是導(dǎo)通損耗和開關(guān)損耗。導(dǎo)通損耗主要由導(dǎo)通電阻Rds(on)決定計(jì)算公式為Pcond Iload2 × Rds(on) × D開關(guān)損耗則和開關(guān)過程中的電壓電流重疊面積有關(guān)也就是開通和關(guān)斷過程中管子兩端有電壓、同時(shí)又有電流流過產(chǎn)生的瞬時(shí)功耗。頻域上看提高開關(guān)頻率可以縮小電感電容的體積但這會(huì)增加開關(guān)損耗降低效率。ISSCCedu2020課堂上也講得很清楚現(xiàn)代DC-DC設(shè)計(jì)在追求高頻化但開關(guān)損耗是主要的限制因素。為此業(yè)界出現(xiàn)了很多軟開關(guān)技術(shù)如ZVS、ZCS但電路復(fù)雜度也相應(yīng)上升適合高功率密度和高效率的應(yīng)用。驅(qū)動(dòng)電路的設(shè)計(jì)同樣重要。MOSFET的柵極有個(gè)米勒效應(yīng)驅(qū)動(dòng)電壓上升時(shí)米勒平臺(tái)延緩了開關(guān)速度。如果驅(qū)動(dòng)電阻太小開關(guān)速度過快會(huì)產(chǎn)生嚴(yán)重的di/dt和dv/dt引發(fā)振鈴和電磁干擾如果驅(qū)動(dòng)電阻太大開關(guān)損耗急劇增大效率下降。一個(gè)常用的思路是開通和關(guān)斷使用不同的驅(qū)動(dòng)電阻開通用中等阻值控制di/dt關(guān)斷用更小阻值加快關(guān)斷速度減少開關(guān)損耗。這種“不對(duì)稱驅(qū)動(dòng)”在實(shí)際項(xiàng)目中非常實(shí)用。2.5 功率級(jí)布局電流回路是王道功率級(jí)的PCB布局其重要性怎么強(qiáng)調(diào)都不過分。功率級(jí)的電流回路必須“短而粗”——大電流路徑要短回路面積要小這樣能顯著減小寄生電感和回路輻射。我實(shí)際調(diào)試中發(fā)現(xiàn)很多不穩(wěn)定的問題根源不在芯片本身而在布局。例如如果把輸入電容放得離功率管太遠(yuǎn)功率管開關(guān)瞬間的電流突變會(huì)在走線寄生電感上產(chǎn)生很大的壓降這個(gè)壓降會(huì)干擾芯片的供電和反饋電壓采樣造成抖動(dòng)甚至誤觸發(fā)保護(hù)。典型教訓(xùn)是飛線調(diào)試時(shí)一切正常做成PCB后反而振蕩——這是寄生參數(shù)改變了環(huán)路增益特性的典型例子。一個(gè)簡(jiǎn)潔的布局原則是功率級(jí)的“熱回路”面積要最小化。熱回路指的是——輸入電容正極→上管→電感→輸出電容→下管→輸入電容負(fù)極這條回路里的電流在開關(guān)周期內(nèi)快速變化。如果你把這條回路的面積壓縮到最小很多EMI問題都能從源頭得到緩解。第二反饋信號(hào)走線要遠(yuǎn)離功率級(jí)并且使用開爾文接法單獨(dú)采樣線不走載流路徑避免輸出電流在采樣線上產(chǎn)生壓降導(dǎo)致反饋誤差。3. 控制環(huán)路設(shè)計(jì)穩(wěn)定性是關(guān)鍵補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是核心技術(shù)3.1 從負(fù)反饋說(shuō)起為什么DC-DC必須閉環(huán)控制如果不加控制環(huán)路直接固定占空比DC-DC的負(fù)載調(diào)整率和線性調(diào)整率都會(huì)很差——輸入電壓變化、負(fù)載變化時(shí)輸出電壓會(huì)跟著明顯偏離目標(biāo)值。閉環(huán)控制的意義在于實(shí)時(shí)采樣輸出電壓與基準(zhǔn)電壓比較誤差經(jīng)過放大和補(bǔ)償改變PWM占空比從而維持輸出電壓穩(wěn)定。這個(gè)負(fù)反饋結(jié)構(gòu)和經(jīng)典運(yùn)放電路本質(zhì)上是相通的輸出變化→采樣網(wǎng)絡(luò)→誤差放大器→PWM調(diào)制器→功率級(jí)→輸出。整個(gè)鏈路組成一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)這個(gè)系統(tǒng)的穩(wěn)定性直接決定了DC-DC能不能可靠工作。ISSCCedu2020課程中講師用了一個(gè)非常直觀的例子把控制環(huán)路比喻成人洗澡時(shí)調(diào)節(jié)水溫。你感覺到水溫偏高就把熱水閥門關(guān)小一點(diǎn)偏低就開大一點(diǎn)。調(diào)節(jié)的“敏感度”和“響應(yīng)速度”要匹配調(diào)節(jié)太猛了會(huì)一會(huì)兒燙一會(huì)兒涼系統(tǒng)震蕩調(diào)節(jié)太慢則水溫變化半天反應(yīng)不過來(lái)動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。DC-DC環(huán)路設(shè)計(jì)其實(shí)就是設(shè)計(jì)這個(gè)“調(diào)水溫”的精度、速度和穩(wěn)定性。3.2 控制模式選擇電壓模式與電流模式的工程對(duì)比電壓模式和電流模式是目前DC-DC控制的主流架構(gòu)。電壓模式結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單——誤差放大器輸出直接和斜坡比較生成PWM只有一個(gè)反饋環(huán)但是它的LC濾波器是二階系統(tǒng)如果不加合適的補(bǔ)償相位延遲很大穩(wěn)定性欠佳需要較復(fù)雜的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。電流模式則是在電壓外環(huán)內(nèi)部增加了一個(gè)電流內(nèi)環(huán)。電流內(nèi)環(huán)把電感電流的采樣信號(hào)作為PWM比較器的斜坡這樣每個(gè)開關(guān)周期內(nèi)電感電流被“絕對(duì)值限制”系統(tǒng)從二階降為一階近似單極點(diǎn)系統(tǒng)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)大大簡(jiǎn)化同時(shí)天然具有過流保護(hù)能力。ISSCCedu2020課程里專門提到了電流模式在大動(dòng)態(tài)響應(yīng)上的優(yōu)勢(shì)但在subharmonic振蕩問題上也給了很多研究篇幅——當(dāng)占空比大于50%時(shí)如果沒有斜坡補(bǔ)償電流模式會(huì)產(chǎn)生次諧波振蕩。特性電壓模式電流模式環(huán)路階數(shù)二階近似一階補(bǔ)償難度復(fù)雜Type III簡(jiǎn)單Type II動(dòng)態(tài)響應(yīng)較慢快抗輸入擾動(dòng)較弱強(qiáng)過流保護(hù)需外部電路內(nèi)環(huán)天然具備次諧波風(fēng)險(xiǎn)無(wú)需斜坡補(bǔ)償從選型邏輯來(lái)說(shuō)對(duì)成本和復(fù)雜度敏感的簡(jiǎn)單應(yīng)用選電壓模式對(duì)動(dòng)態(tài)性能、保護(hù)能力和易用性要求高的應(yīng)用選電流模式。當(dāng)然還有近年很火的COT恒定導(dǎo)通時(shí)間控制、滯環(huán)控制、數(shù)字PID控制等但萬(wàn)變不離其宗——理解反饋、理解補(bǔ)償、理解穩(wěn)定性這些先進(jìn)控制模式都能觸類旁通。3.3 環(huán)路增益與穩(wěn)定性判據(jù)相位裕度和增益裕度怎么用控制環(huán)路設(shè)計(jì)的核心指標(biāo)是環(huán)路增益T(s)G(s)H(s)的幅頻特性和相頻特性。我們需要確保在整個(gè)工作范圍內(nèi)環(huán)路增益的穿越頻率處有足夠的相位裕度Phase Margin, PM和增益裕度Gain Margin, GM。工程上相位裕度建議在45°~60°之間。PM偏低系統(tǒng)會(huì)有振鈴PM接近0系統(tǒng)臨界震蕩PM太高如90°系統(tǒng)會(huì)太慢動(dòng)態(tài)響應(yīng)差。增益裕度一般要求大于10dB確保增益波動(dòng)時(shí)系統(tǒng)不震蕩。設(shè)計(jì)環(huán)路時(shí)穿越頻率0dB頻率通常選擇在開關(guān)頻率的1/10~1/5之間。比如開關(guān)頻率為500kHz穿越頻率大概設(shè)在50kHz~100kHz。這個(gè)選擇基于兩個(gè)考慮一是環(huán)路需要在足夠高的頻率處控制紋波和動(dòng)態(tài)二是要遠(yuǎn)離開關(guān)頻率以抑制開關(guān)噪聲對(duì)環(huán)路的干擾。穿越頻率設(shè)得過高環(huán)路容易受開關(guān)噪聲影響甚至不穩(wěn)定設(shè)得過低動(dòng)態(tài)響應(yīng)太遲頓加載時(shí)輸出電壓跌落明顯。這里要岔開說(shuō)一個(gè)高頻處容易踩的坑很多人會(huì)忽略補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)和誤差放大器本身的帶寬限制。如果誤差放大器的增益帶寬積GBW不夠那么高頻時(shí)環(huán)路增益會(huì)比理論值低穿越頻率也會(huì)相應(yīng)降低導(dǎo)致實(shí)際動(dòng)態(tài)響應(yīng)不如預(yù)期。所以選擇誤差放大器時(shí)要關(guān)注GBW而不是只看直流增益。3.4 補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)Type I、Type II、Type III怎么取舍補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的本質(zhì)是給環(huán)路提供合適的極點(diǎn)、零點(diǎn)和增益修正功率級(jí)和控制器的傳遞函數(shù)使環(huán)路滿足穩(wěn)定性指標(biāo)。三種常見的補(bǔ)償結(jié)構(gòu)Type I補(bǔ)償就是一個(gè)積分器提供恒定的-20dB/dec斜率適合功率級(jí)本身相位裕度很充足的場(chǎng)合比如某些電流模式控制。它在穿越頻率處的相位只有-90°左右所以穩(wěn)定性較好但動(dòng)態(tài)響應(yīng)一般。Type II補(bǔ)償在Type I基礎(chǔ)上增加了一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)通常放置在高頻用于抑制開關(guān)噪聲適合電流模式控制的DC-DC。它能提供的最大相位提升約90°是電流模式設(shè)計(jì)中最常用的補(bǔ)償類型。Type III補(bǔ)償則是在Type II基礎(chǔ)上額外增加一組零極點(diǎn)最多能提供約180°的相位提升專門用于電壓模式控制的Buck變換器。因?yàn)殡妷耗Ｊ紹uck的LC二階網(wǎng)絡(luò)在諧振處帶來(lái)了-180°的相位延遲必須用Type III補(bǔ)償來(lái)“頂起來(lái)”否則系統(tǒng)必然不穩(wěn)定。設(shè)計(jì)Type III補(bǔ)償不是簡(jiǎn)單地套公式而是要結(jié)合功率級(jí)的實(shí)際頻率特性來(lái)“塑形”。我的操作步驟一般是先在仿真里PLEcs或Simplis提取功率級(jí)和控制器的頻響得到開環(huán)Bode圖再根據(jù)穿越頻率和相位裕度目標(biāo)設(shè)計(jì)補(bǔ)償器最后在軟件里跑Bode驗(yàn)證同時(shí)還要做負(fù)載階躍仿真確認(rèn)時(shí)域表現(xiàn)。這樣循環(huán)迭代1~2輪基本能定下補(bǔ)償參數(shù)。3.5 數(shù)字控制環(huán)路PID離散化與防飽和處理數(shù)字控制模式越來(lái)越常見尤其是在數(shù)字化電源、服務(wù)器電源中的應(yīng)用場(chǎng)景。數(shù)字控制并沒有改變控制環(huán)路的本質(zhì)只是把原來(lái)的模擬補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)換成數(shù)字PID算法。PID離散化后的典型形式為u[k] KP × e[k] KI × Σe[i] × Ts KD × (e[k] - e[k-1]) / Ts其中Ts是采樣周期通常等于或倍頻于開關(guān)頻率KP、KI、KD是比例、積分、微分系數(shù)。這里最重要的工程問題是抗積分飽和anti-windup。當(dāng)輸出飽和比如占空比到達(dá)極限時(shí)積分器還在繼續(xù)累加誤差一旦誤差反向由于積分項(xiàng)已經(jīng)很大系統(tǒng)需要較長(zhǎng)時(shí)間才能“走出來(lái)”表現(xiàn)為嚴(yán)重的超調(diào)和振鈴。我的習(xí)慣是使用條件積分法——僅在未飽和時(shí)積分或者用動(dòng)態(tài)限幅法——把積分項(xiàng)限幅在輸出限幅范圍內(nèi)。這兩種方法在PLEcs或單片機(jī)里實(shí)現(xiàn)都不難但對(duì)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)表現(xiàn)影響巨大。此外數(shù)字控制還有ADC分辨率、延遲、PWM分辨率等量化問題這些都會(huì)給環(huán)路增加額外的相位延遲。所以數(shù)字環(huán)路設(shè)計(jì)時(shí)采樣延遲和PWM更新延遲必須計(jì)入相位預(yù)算否則很容易出現(xiàn)“仿真很穩(wěn)、實(shí)物震蕩”的情況。4. 仿真驗(yàn)證與芯片實(shí)現(xiàn)從模型到流片的工程實(shí)踐4.1 仿真工具選型PLEcs、Simplis、Matlab各干什么活現(xiàn)在做DC-DC設(shè)計(jì)仿真已經(jīng)是一個(gè)必需品。不同階段用不同的工具而不是一把錘子砸所有釘子。我自己的工具組合如下PLEcs和Simplis擅長(zhǎng)開關(guān)電源時(shí)域仿真它們使用分段線性模型能快速跑帶有開關(guān)管、電感電容的功率級(jí)電路仿真速度遠(yuǎn)遠(yuǎn)快于SPICE。PLEcs特別適合做復(fù)雜拓?fù)涞拈]環(huán)仿真比如在Simulink里聯(lián)合搭建功率級(jí)和控制算法非常適合做數(shù)字控制PID的參數(shù)整定。Simplis在環(huán)路分析上有優(yōu)勢(shì)配合測(cè)量探針可以非常方便地得到開關(guān)電源開環(huán)Bode圖這對(duì)分析環(huán)路穩(wěn)定性幫助很大。Matlab/Simulink則適合做控制算法驗(yàn)證和理論分析。在Simulink里建立平均模型Average Model可以快速驗(yàn)證控制算法不受開關(guān)頻率仿真步長(zhǎng)的限制跑一天動(dòng)態(tài)仿真很快就能看到趨勢(shì)。最后Cadence/Spectre或HSPICE等精細(xì)仿真工具用于最終芯片級(jí)的驗(yàn)證因?yàn)樗鼈兊钠骷Ｐ途茸罡吣苣M工藝偏差、溫度影響、寄生效應(yīng)等。這也是ISSCCedu2020課程中重點(diǎn)強(qiáng)調(diào)的——最終流片前的驗(yàn)證精度和保真度永遠(yuǎn)是第一位的。工具適用場(chǎng)景擅長(zhǎng)能力局限PLEcs功率級(jí)控制環(huán)時(shí)域仿真快速迭代、復(fù)雜拓?fù)淦骷Ｐ途炔蝗鏢PICESimplis環(huán)路穩(wěn)定性分析開關(guān)電源Bode圖提取上手門檻較高M(jìn)atlab/Simulink控制算法驗(yàn)證、平均模型算法靈活、分析方便開關(guān)細(xì)節(jié)丟失Cadence/Spectre芯片級(jí)最終驗(yàn)證精度最高、工藝模型仿真速度慢4.2 PLEcs/PID環(huán)路整定的實(shí)操流程演示我以一個(gè)12V轉(zhuǎn)5V的同步Buck為例講一下在PLEcs里整定PID的具體流程。第一步是搭好功率級(jí)電路。續(xù)流二極管換成同步整流管兩管互補(bǔ)驅(qū)動(dòng)考慮死區(qū)時(shí)間設(shè)置。電感初始值按前面的計(jì)算取6.8μH輸出電容22μF低ESR陶瓷電容負(fù)載設(shè)置成3A定值電阻后面再做階躍。第二步是在PLEcs中直接用PID控制器模塊替代傳統(tǒng)的模擬補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。PID輸出的限幅設(shè)置在0~1之間作為PWM比較器的參考占空比輸入。這個(gè)結(jié)構(gòu)對(duì)應(yīng)數(shù)字控制里的“單極點(diǎn)調(diào)制”和常見的電流模式或電壓模式PWM調(diào)制稍有區(qū)別但作為算法驗(yàn)證非常直觀。第三步是PID參數(shù)整定。我的經(jīng)驗(yàn)方法是先把KI和KD設(shè)成0只留KP從一個(gè)小值開始慢慢增大觀察輸出電壓波形當(dāng)KP增大到輸出開始出現(xiàn)持續(xù)振蕩時(shí)記下這個(gè)臨界值取它的一半作為KP初始值。然后加入KI從較小值開始觀察穩(wěn)態(tài)誤差是否被消除最后加入KD從0開始緩慢增加觀察動(dòng)態(tài)超調(diào)和振鈴是否被抑制。這個(gè)過程類似于Ziegler-Nichols法。第四步是做閉環(huán)Bode。PLEcs里可以直接運(yùn)行掃描掃出環(huán)路的增益和相位曲線查看穿越頻率和相位裕度是否達(dá)標(biāo)。這個(gè)環(huán)節(jié)很重要不要只做時(shí)域仿真就以為閉環(huán)穩(wěn)了——時(shí)域只能說(shuō)明在這個(gè)特定條件下不振蕩Bode才能告訴你全頻段是否穩(wěn)定。第五步是時(shí)域驗(yàn)證。做Load Transient負(fù)載從0.5A跳變到5A、Line Transient輸入從8V跳變到16V記錄輸出電壓的過沖、下沖和恢復(fù)時(shí)間。如果指標(biāo)不滿足回到PID參數(shù)和補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)再迭代。4.3 實(shí)驗(yàn)室調(diào)試設(shè)備準(zhǔn)備與環(huán)路測(cè)試方法仿真只能做到“理論上應(yīng)該沒問題”真正的考驗(yàn)在實(shí)驗(yàn)室。環(huán)路測(cè)試Bode分析需要頻率響應(yīng)分析儀包括Venable、Keysight E5060B等型號(hào)沒有的話也可以用信號(hào)注入變壓器數(shù)字示波器做簡(jiǎn)易的擾動(dòng)注入測(cè)試只是精度低一些。測(cè)試方法在反饋網(wǎng)絡(luò)和誤差放大器之間注入一個(gè)隔離的小信號(hào)擾動(dòng)通過掃頻測(cè)量輸出端的響應(yīng)得到環(huán)路的Bode圖。如果沒有Bode分析儀快速判斷穩(wěn)定性的土辦法是看負(fù)載階躍響應(yīng)。用電子負(fù)載或者直接焊一個(gè)功率MOSFET控制56Ω電阻做負(fù)載突變觀察輸出電壓的恢復(fù)波形。如果振鈴次數(shù)小于2次、過沖量在可接受范圍內(nèi)基本說(shuō)明環(huán)路是穩(wěn)定的如果振鈴多次還停不下來(lái)說(shuō)明相位裕度不足。在實(shí)驗(yàn)室里我還強(qiáng)烈建議看開關(guān)節(jié)點(diǎn)SW節(jié)點(diǎn)的波形。SW節(jié)點(diǎn)是開關(guān)管切換的地方它的波形能反映功率級(jí)的很多健康狀態(tài)振鈴幅度過大說(shuō)明寄生電感和寄生電容匹配不好占空比抖動(dòng)時(shí)說(shuō)明環(huán)路在邊緣SW節(jié)點(diǎn)波形畸變則可能是死區(qū)時(shí)間不合適或驅(qū)動(dòng)強(qiáng)度問題。養(yǎng)成“先看SW再看輸出”的習(xí)慣能幫你快速定位問題來(lái)源。4.4 從仿真到流片工藝偏差、寄生和版圖注意事項(xiàng)如果是做片上電源或PMIC仿真和實(shí)測(cè)之間的距離要用版圖設(shè)計(jì)和工藝角驗(yàn)證來(lái)填平。ISSCCedu2020系列課程中關(guān)于流片驗(yàn)證的要點(diǎn)包括必須跑不同工藝角TT、FF、SS下的仿真因?yàn)镸OSFET閾值電壓、導(dǎo)通電阻、電容密度會(huì)隨工藝角變化環(huán)路穩(wěn)定性可能在某個(gè)工藝角下失效。溫度corner同樣重要高溫下電阻值漂移、MOSFET漏電增加補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的零極點(diǎn)位置也會(huì)變化。版圖設(shè)計(jì)方面功率管需要大面積的金屬走線承載電流同時(shí)要注意散熱和電遷移規(guī)則EM rule。如果功率管走線太細(xì)電遷移風(fēng)險(xiǎn)會(huì)導(dǎo)致芯片幾年后失效——這種問題在測(cè)試階段看不出來(lái)只能靠設(shè)計(jì)規(guī)則來(lái)避免。模擬控制電路和功率電路要做好隔離避免開關(guān)噪聲通過襯底耦合到敏感的反饋節(jié)點(diǎn)上。實(shí)際項(xiàng)目中我見過因?yàn)榘鎴D上功率管和誤差放大器距離過近導(dǎo)致輸出紋波一直壓不下去的現(xiàn)象——這是典型的襯底或電源線耦合干擾。此外bonding wire和封裝寄生電感對(duì)開關(guān)節(jié)點(diǎn)的影響也值得高度關(guān)注。封裝寄生電感和芯片內(nèi)部的退耦電容形成一個(gè)LC諧振回路往往會(huì)在SW節(jié)點(diǎn)產(chǎn)生高頻振鈴。解決思路是在片內(nèi)加足夠的去耦電容同時(shí)在封裝選型時(shí)考慮低寄生電感的封裝形式。5. 典型問題排查與實(shí)戰(zhàn)經(jīng)驗(yàn)速查5.1 常見故障現(xiàn)象的定位思路匯總下面是我在DC-DC調(diào)試中最常遇到的幾類問題整理成速查表方便大家現(xiàn)場(chǎng)對(duì)照排查故障現(xiàn)象可能原因排查順序與解決方案輸出電壓振蕩相位裕度不足、環(huán)路補(bǔ)償參數(shù)錯(cuò)誤1. 測(cè)Bode確認(rèn)PM2. 調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)3. 檢查輸出電容ESR輕載時(shí)輸出電壓高最小占空比限制、反饋電阻精度不足1. 檢查輕載時(shí)電感電流是否斷續(xù)2. 確認(rèn)反饋分壓電阻誤差3. 考慮加入假負(fù)載或PFM模式輸出紋波過大輸出電容ESR過高、電感飽和、PCB回路面積大1. 換低ESR電容并聯(lián)2. 檢查電感飽和裕量3. 優(yōu)化功率級(jí)布局電感嘯叫環(huán)路不穩(wěn)定、電感飽和、輕載突發(fā)模式頻率落于音頻范圍1. 檢查環(huán)路Bode2. 換飽和電流更大的電感3. 調(diào)整輕載模式的開關(guān)頻率效率偏低開關(guān)損耗大、同步整流死區(qū)時(shí)間不合適、電感DCR過高1. 檢查SW波形2. 優(yōu)化死區(qū)時(shí)間3. 換用低DCR電感啟動(dòng)時(shí)過沖大軟啟動(dòng)時(shí)間過短、環(huán)路響應(yīng)過快1. 加大軟啟動(dòng)電容或數(shù)字軟啟動(dòng)時(shí)間2. 限制誤差放大器輸出爬升速度負(fù)載跳變時(shí)輸出跌落嚴(yán)重穿越頻率過低、輸出電容容量不足1. 提高環(huán)路穿越頻率2. 增大輸出電容3. 檢查是否有打嗝保護(hù)誤觸發(fā)5.2 一個(gè)輕載振蕩的完整排查案例在實(shí)際項(xiàng)目中我印象最深刻的是一個(gè)12V轉(zhuǎn)1.2V、30A的DC-DC模塊在輕載1A時(shí)輸出電壓出現(xiàn)周期性振蕩頻率約2kHz幅度約50mV。這個(gè)現(xiàn)象挺詭異的因?yàn)闈M載時(shí)工作完全正常。排查過程是這樣的。先用示波器看SW節(jié)點(diǎn)波形發(fā)現(xiàn)輕載時(shí)PWM的占空比在“抖動(dòng)”——一連串脈沖寬度從窄變寬再變窄形成一個(gè)約2kHz的包絡(luò)。這種包絡(luò)振蕩的根源通常是誤差放大器的輸出在某個(gè)頻率上產(chǎn)生了極限環(huán)。進(jìn)一步分析后發(fā)現(xiàn)問題出在輕載時(shí)電感電流進(jìn)入斷續(xù)模式LC濾波器的傳遞函數(shù)特性發(fā)生變化——從連續(xù)模式的二階低通特性變成了帶右半平面零點(diǎn)的一階特性。這導(dǎo)致原有補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的相位特性不再匹配環(huán)路PM下降系統(tǒng)在特定頻率處產(chǎn)生振蕩。解決辦法有兩個(gè)方向一是讓系統(tǒng)在輕載時(shí)維持連續(xù)導(dǎo)通模式CCM比如增加一個(gè)最小負(fù)載電流二是針對(duì)斷續(xù)模式DCM重新設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)或者切換控制模式。最終我們采用了后者——在主芯片的補(bǔ)償引腳上增加了與負(fù)載電流相關(guān)的動(dòng)態(tài)偏置讓環(huán)路在DCM時(shí)的零極點(diǎn)位置自動(dòng)調(diào)整問題徹底解決。這個(gè)案例想說(shuō)明的是一個(gè)看似簡(jiǎn)單的“輕載振蕩”問題背后牽連著功率級(jí)工作模式、環(huán)路補(bǔ)償、甚至控制策略的選擇。只盯著參數(shù)調(diào)來(lái)調(diào)去而不理解系統(tǒng)層面發(fā)生了什么很難根治問題。5.3 電磁干擾問題環(huán)路之外的隱形挑戰(zhàn)EMI是DC-DC設(shè)計(jì)里又一個(gè)容易讓人頭疼的領(lǐng)域特別是當(dāng)電路需要過EMC認(rèn)證的時(shí)候。DC-DC的EMI來(lái)源主要是開關(guān)節(jié)點(diǎn)的高頻振鈴和功率回路中巨大的di/dt?？刂芼i/dt的根本辦法是減小功率回路面積其次是調(diào)整驅(qū)動(dòng)電阻來(lái)改變開關(guān)沿的斜率。增大驅(qū)動(dòng)電阻可以減緩緩沖沿降低高頻分量但會(huì)增加開關(guān)損耗所以這里同樣是一個(gè)權(quán)衡。對(duì)振蕩器輻射和傳導(dǎo)干擾常用的方法是增加RC吸收電路Snubber或者在開關(guān)節(jié)點(diǎn)加磁珠。RC吸收電路并聯(lián)在開關(guān)管兩端吸收高頻振鈴能量但會(huì)帶來(lái)額外的功率損耗磁珠的阻抗特性能在高頻處提供阻尼但對(duì)DC-DC的工作頻率不能有太大影響需要仔細(xì)選型。PCB層的處理也不可忽視將開關(guān)節(jié)點(diǎn)下面的地層做完整的參考地平面能顯著降低電場(chǎng)耦合將敏感的反饋?zhàn)呔€布置在遠(yuǎn)離開關(guān)節(jié)點(diǎn)的位置甚至加屏蔽地線保護(hù)能大幅提升系統(tǒng)的抗擾性。這些技巧在實(shí)際產(chǎn)品認(rèn)證中經(jīng)常能救急。5.4 工具使用技巧與效率提升心得再聊幾個(gè)實(shí)用工具技巧。調(diào)試DC-DC時(shí)電子負(fù)載比大功率電阻方便太多但要注意電子負(fù)載本身的寄生電容會(huì)影響瞬態(tài)測(cè)試波形——如果測(cè)出來(lái)的下沖特別尖銳先懷疑是不是電子負(fù)載電纜的寄生參數(shù)而不是環(huán)路問題。負(fù)載跳變測(cè)試最好用專門的大電流MOSFET切換電路來(lái)做這樣上升沿可以做到幾十納秒更接近真實(shí)使用場(chǎng)景。熱成像儀在電源調(diào)試中極其好用。效率不達(dá)標(biāo)的時(shí)候用熱成像儀直接掃描MOSFET、電感、采樣電阻一眼就能看出哪里在發(fā)燒。很多時(shí)候你花半天算損耗公式還不如熱像儀掃一眼來(lái)得直接。示波器的使用方面測(cè)SW節(jié)點(diǎn)振鈴時(shí)要用短地彈簧不要用長(zhǎng)地線夾子——長(zhǎng)地線形成的環(huán)路會(huì)感應(yīng)出額外的高頻噪聲測(cè)出來(lái)的波形根本不是電路的真實(shí)行為。測(cè)反饋電壓時(shí)要用1:1的探頭而不是10:1的探頭因?yàn)?0:1探頭本身的電容會(huì)干擾高阻抗的反饋節(jié)點(diǎn)。最后提一句仿真習(xí)慣每次參數(shù)修改都記錄下仿真日期、參數(shù)值、結(jié)果截圖保存為一個(gè)命名規(guī)范的文件。這個(gè)簡(jiǎn)單的習(xí)慣在后期追溯問題和寫技術(shù)總結(jié)時(shí)能節(jié)省大量時(shí)間也是國(guó)際頂級(jí)團(tuán)隊(duì)一直在執(zhí)行的規(guī)范——ISSCCedu2020課堂上展示的那張張波形截圖背后都是嚴(yán)謹(jǐn)?shù)挠涗浟?xí)慣累積出來(lái)的。到這里核心內(nèi)容基本講完了。最后分享一點(diǎn)個(gè)人體會(huì)DC-DC設(shè)計(jì)是一門“越深入越覺得共通”的學(xué)問。功率級(jí)像是人的肌肉控制環(huán)路像是神經(jīng)中樞和大腦而一個(gè)一個(gè)經(jīng)驗(yàn)教訓(xùn)則像訓(xùn)練積累出來(lái)的肌肉記憶。關(guān)鍵在于不要只停留在會(huì)算公式、會(huì)搭電路、會(huì)調(diào)參數(shù)——要把從功率級(jí)到控制環(huán)路的整個(gè)鏈路都吃透連起來(lái)看問題。這也是ISSCCedu2020這類課程最大的價(jià)值所在讓你在一個(gè)嚴(yán)謹(jǐn)?shù)募夹g(shù)框架下理解每一個(gè)模塊存在的意義然后在你自己的項(xiàng)目里舉一反三。另外一個(gè)深刻感受是仿真工具再?gòu)?qiáng)、課程再優(yōu)秀都不如自己動(dòng)手做一個(gè)負(fù)載階躍、測(cè)一次Bode、修一塊板子來(lái)得快。紙上得來(lái)終覺淺電源設(shè)計(jì)尤其如此。建議新手朋友們選一個(gè)小項(xiàng)目比如一塊5V/2A的Buck板從功率級(jí)選型、環(huán)路補(bǔ)償、PCB布局、實(shí)驗(yàn)室調(diào)試、EMI整改完整走一輪比刷再多視頻課都有效。把這篇內(nèi)容作為你的設(shè)計(jì)地圖按圖索驥腳踏實(shí)地走一遍收獲一定遠(yuǎn)超預(yù)期。