【经验】采用CompZL软件对数字PWM控制器芯片的BUCK同步整流电路进行环路补偿设计

时间： 2019-07-13 来源：Renesas

瑞萨收购Intersil公司丰富了其电源管理芯片产品，为复杂高级电源系统提供高性能、灵活运用、设计简单的一系列数字PWM控制器芯片。在高级电源系统中，为了达到精确的输出电压控制，电压控制环路补偿设计显得非常重要。瑞萨准对数字PWM控制器推出了环路补偿设计软件 CompZL，在数字PWM控制器常用拓扑同步整流BUCK电路中，CompZL能够简单直观的设计环路补偿器技术参数，观察增益和相位波特图，实现精确的闭环控制。下面以一个同步整流BUCK电路为例，采用瑞萨的数字PWM控制器，并利用CompZL软件为其设计环路补偿器。常见的同步整流BUCK电路主要电路如图1所示。

图1 同步整流BUCK主电路

对于图1的同步整流BUCK电路主要包括两个部分：主功率转换电路和环路补偿器。对于主功率转换电路，其PWM控制信号到输出电压的开环传递函数为：

Gfix为PWM控制自身增益，ωesr为输出滤波电容等效串联电阻引入的零点角频率，ωn为主功率转换电路自然角频率。忽略ωesr影响，传递函数变为：

Q为品质因素。Q<0.5电路处于阻尼状态，Q>0.5电路处于欠阻尼状态。如图2所示为不同Q值的主电路对应频率响应波特图。可见Q值越大，高频部分增益增加，相移突然增加，系统可能因此产生振荡。

图2 不同Q值主电路频率响应波特图

一个稳定的闭环系统，需要保证足够的增益和相位裕度，通常增益裕度大于6dB，相位裕度大于45度。为了达到稳定的闭环控制，系统引入一个反馈环路补偿器，这个环路补偿器通常采用比例积分微分（PID）控制算法，也叫PID补偿器。PID补偿器可以采用模拟电路实现也可采用数字电路实现。瑞萨CompZL软件是针对瑞萨数字PWM控制器开发，用于设计数字PID补偿器的。CompZL通过修改Q（品质因素）、G（增益）、F（自然频率）这种直观、简单的方法来设计补偿器，如图3所示为CompZL软件的操作界面。

图3 CompZL操作界面

界面左下角显示同步整流BUCK电路功率主电路，可以修改参数，及增加输出电容；界面右下角显示增加环路补偿器后系统开环频率响应波特图；左上角可以设定目标裕度，开关频率，穿越频率，显示实际裕度，实际穿越频率；右上侧可以手动设置补偿器G、Q、F值，最右侧显示优化得到补偿器参数。设计得到的补偿器参数通过通信接口可以烧写到瑞萨数字PWM控制器（如ZL2006）中，运用于实际电源系统。图4显示一个实际设计案例设计的欠阻尼补偿器参数。图5显示一个实际设计案例设计的过阻尼补偿器参数。

图4 欠阻尼补偿器设计

图5过阻尼补偿器设计

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