Tớnh khụng ổn định và tiờu chuẩn Nyquist

Một phần của tài liệu Thiết kế IC nguồn dựa trên công nghệ CMOS (Trang 43)

Ở vớ dụ trờn ta chỉ xột với một điểm cực, nhưng trong thực tế cỏc bộ khuyếch đại cú thể chứa rất nhiều điểm cực. Giả sử rằng bộ khuyếch đại cú 3 điểm cực: a(s)= ) 3 1 )( 2 1 )( 1 1 ( p s p s p s ao − − −

Hỡnh 2.7 Biểu diễn cỏc điểm cực trờn hệ toạđộ phức

Ta cú đồ thị Bode tương ứng với 3 điểm cực như sau:

Hỡnh 2.8 Độ lớn của biờn độ và phase của bộ khuyếch đại cú ba điểm cực

Ta nhận thấy rằng tại điểm cực đầu tiờn | p1|, gain giảm -20dB và phase đạt

được –90o; tại điểm cực thứ hai |p2| gain giảm -40dB và phase đạt –180o; tại điểm cực p3 gain giảm -60dB và phase đạt 270o. Tại tần số làm phase = 180o gọi là ω180 và giỏ trị biờn độ |a(jω)| ở tần số này là a180. Nếu ba điểm cực được mở rộng ra 10 lần hay lớn hơn thỡ phase tại tần số |p1|, |p2|, |p3| cũng dịch chuyển và xấp xỉ tương

dương. Khi đú hệ số khuyếch đại vũng (loop gain) T(jω) = a(jω)*f. Để vẽđồ thị của hàm này theo biờn độ và phase ta cú thể dựa vào hỡnh 2.8 với ω là tham số. Kết quả

ta cú đồ hỡnh Nyquist như sau.

Hỡnh 2.9 Đồ hỡnh nyquist

Sự thay đổi theo độ cong là tần số và nú thay đổi từω=-∞đến +∞. Với ω=0, |T(jω)|=To và ph T(jω) = 0, khi tăng ω thỡ |a(jω)| giảm và ph a(jω) trở nờn õm hơn, vỡ vậy đồ thị chỉ trong một gúc phần tư. Khi ω -> ∞ thỡ ph a(jω) → -270o, a(jω)

→0. Tại tần sốω180 thỡ phase = -180o và đường cong theo chiều õm của trục thực. Nếu |a(jω)f|>1 thỡ đồ hỡnh Nyquist là đường trũn bao quanh điểm (-1,0).

Như vậy đồ hỡnh Nyquist cú thể phỏt biểu như sau: Giả sử bộ khuyếch đại cú

độ ổn định là T(s) (với tất cả cỏc điểm cực nằm trờn nửa mặt phẳng phớa trỏi). Nếu

đồ hỡnh Nyquist vẽ ra vũng trũn bao quanh điểm (-1,0) thỡ bộ khuyếch đại khụng ổn

định.

Như vậy, nếu đồ hỡnh Nyquist bao quanh điểm (-1,0) hay |T(jω)|>1 tại tần số

mà ph T(jω) = -180o thỡ bộ khuyếch đại khụng ổn định.

í nghĩa: Phase margin thể hiện sựổn định của mạch khuyếch đại, trong hầu hết cỏc bộ khuyếch đại yờu cầu phase margin > 0o, nhưng trong thực tế khi thiết kế cỏc bộ khuyếch đại kết hợp với cỏc mạch khỏc thỡ phase margin yờu cầu phải lớn hơn 60o.

*Nếu phase = 45o và hệ số của bộ hồi tiếp là một số thực f thỡ: Ph T(jωo) = -135o

Trong đú ωo là tần sốđược xỏc định bởi biểu thức |T(jωo)| = 1 và như vậy |T(jωo)|=|a(jω0*f)| = 1, nờn f j a( ω0 = 1 Giả sử rằng f là một số thực dương: A(jω) = ) ( 1 ) ( ω ω j T j a + A(jω) = j j a e j o 0.3 0.7 ) a(j 135 1 ) ( 0 0 − = + − ω ω f j a j A 1.3 76 . 0 ( ( 0 0 = ω = ω

Tương tự nếu phase margin = 60o

f j a( ω0 = 1 Phase margin = 120o f j a( ω0 = 0.7 2.2.3. Cỏc phương phỏp bự

Phương phỏp thụng thường nhất đú là phương phỏp co hẹp băng thụng,

để đạt được điều này cần mắc thờm một tụđiện giữa đầu ra của tầng thứ nhất và

đầu vào của tầng thứ hai để tạo một điểm cực. Người ta goi tụ điện này là tụ

Miller. Như vậy mụ hỡnh tớn hiệu nhỏ của bộ khuyếch đại hai tầng sử dụng tụ

Hinh 2.10 Bự miler cho OPAM 2 tầng

Ảnh hưởng của tụ Miller làm cho điện trở RI tăng một lượng gmIIRIICC. Nghĩa là điểm p1 được di chuyển đến vị trớ mới p1’, tương tựđiểm p2 cũng được di chuyển đến vị trớ mới là p2’. Kết quả là vũng hồi tiếp õm làm giảm điện trở ra của tầng thứ hai. Kết quả là: p1 ≈ C R R gmII I II c 1 − p2 ≈ C g C C C C C C C g II mII II c II c II I c mII − ≈ + + −

Một điểm khụng sinh ra nằm trờn trục thực dương cú giỏ trị: z1 =

C g

c mII

Hỡnh 2.11 Phõn bốđiểm cực, điểm khụng trước và sau khi bự

Nhận xột: Điểm khụng phớa bờn phải làm tăng độ dịch phase (cũng giống như điểm cực thuộc nửa mặt phẳng phớa bờn trỏi) nhưng làm tăng biờn độ (giống

điểm khụng thuộc nửa mặt phẳng phớa trỏi).

Bự phase khụng thể thiếu trong cỏc hệ thống hồi tiếp. Nú quyết định tớnh ổn

định của mạch. Trờn cơ sở cỏc kiến thức trỡnh bày trong chương một và hai, Chương sau em xin trỡnh bày nguyờn lớ hoạt động và thiết kế khối chớnh BUCK.

3.1. Giới thiệu

Ngày nay với sự phỏt triển của kĩ thuật điện tử. Hàng loạt cỏc thiết bị ứng dụng ra đời với kớch thước ngày càng nhỏ gọn. Điều này đũi hỏi độ tớch hợp mạch phải lớn cũng như tiờu tốn ớt năng lượng. IC nguồn là khụng thể thiếu trong cỏc bảng mạch điện tử. Vỡ vậy trong những năm gần đõy cỏc cụng ty hàng đầu về thiết kế IC đó tập trung rất nhiều vào lĩnh vực thiết kế IC nguồn. Cỏc IC nguồn thiết kế

ra cú rất nhiều tớnh năng nổi trội. Như hiệu suất sử dụng điện năng cao hơn, tiết kiệm hơn và sạch hơn. Lĩnh vực IC nguồn phỏt triển khụng những vỡ nhu cầu tất yếu của nú mà cũn do thị trường của loại IC này rất rộng lớn và tuổi thọ cho IC khụng yờu cầu khắc nghiệt như cỏc IC số.

Về phõn loại IC nguồn: IC nguồn cú rất nhiều dạng như cỏc bộổn định điện ỏp, cỏc bộ quản lý điện như cỏc bộ nạp điện sử dụng trong cỏc thiết bịđiện tử, cỏc bộ chuyển đổi điện ỏp từ một chiều tới một chiều (DC to DC), xoay chiều tới một chiều (AC to DC)... Trong khuụn khổ của luận văn này em xin trỡnh bày về lĩnh vực IC nguồn chuyển đổi từ một chiều đến một chiều. Đõy là một lĩnh vực đang cú thị trường rất rộng lớn. Trong phần trỡnh bày này em sẽ trỡnh bày cỏc vấn đề sau: Cỏc kiến thức cơ bản về chuyển đổi từ một chiều tới một chiều (DC to DC), cỏc cấu hỡnh cơ bản và thiết kế khối ổn ỏp hạ ỏp BUCK cỏi mà đó được ứng dụng trong IC của cụng ty ACTIVE-SEMI.

3.2. Phõn loại cỏc mụ hỡnh chuyển đổi DC-DC

Tuỳ theo cỏch phõn loại khỏc nhau thỡ cú nhiều loại bộ chuyển đổi khỏc nhau. * Theo chức năng

- Bộ chuyển đổi nõng điện ỏp (step up) - Bộ chuyển đổi hạđiện ỏp (step down)

- Bộ chuyển đổi cú sự cỏch ly hoàn toàn giữa đầu vào và đầu ra. Đõy là loại chuyển đổi cú thể cho hệ số thay đổi điện ỏp rất lớn.

- Bộ chuyển đổi khụng cú sự cỏch ly giữa đầu vào và đầu ra: Với cỏc bộ chuyển

đổi này thỡ nú thường được sử dụng trong cỏc bộ nõng hay hạ điện ỏp mà cú tỉ lệ

tương đối nhỏ (thụng thường là < 4). Cú 5 kiểu bộ chuyển đổi dạng này là: + Bộ chuyển đổi LDO: được sử dụng để hạđiện ỏp

+ Bộ chuyển đổi Buck: được sử dụng để hạđiện ỏp + Boost: được sử dụng để nõng điện ỏp

+ Buck-Boost và Cuk là hai loại mà cú thểđược sử dụng cho cả nõng và hạ điện ỏp.

+ Charge Pump: Là mạch được sử dụng để nõng điện ỏp hay đảo điện ỏp. Tuy nhiờn loại này chỉđược sử dụng cho cỏc mạch ứng dụng cú cụng suất bộ.

Tuy nhiờn do IC cú nhiều phần với mỗi phần cú một chức năng khỏc nhau, lượng thời gian cú hạn nờn trong luận văn này chỉ tập trung vào loại chuyển đổi BUCK dựng mụ hỡnh khụng cỏch ly mà em sẽ trỡnh bày ở dưới đõy.

3.3. Mụ hỡnh khụng cỏch ly BUCK

Cú hai mụ hỡnh chớnh của Buck là: Mụ hỡnh điện ỏp (Voltage mode) và mụ hỡnh dũng điện (Current mode). Current mode cú ưu điểm hơn so với Voltage mode. Current mode cải thiện được độổn định theo nguồn (Line regulation), bự đơn giản và độ ổn định tải load regulation. Trong Volted mode, khi điện ỏp đầu ra thay

đổi, nú truyền qua bộ EA thỡ bị nhiễu ở đõy. Nhưng trong Current mode thỡ dựng dũng điện điều khiển nờn hệ số khuyếch đại ởđõy khụng chịu nhiễu ở điện ỏp đầu vào nờn cú line regulation rất tốt.

Việc bự trong Current mode rất đơn giản. Do nú cú một điểm cực ở tần số

thấp cũn Voltage thỡ cú hai điểm. Sự khỏc nhau này do trong Current thỡ dũng điện trong cuộn cảm điều khiển điện ỏp đầu ra. Dũng điện này đúng vai trũ như nguồn

vai trũ trong việc điều khiển mạch điện. Nú cú điểm cực kộp tại tần số thấp do bộ

lọc LC tạo ra. Với việc chỉ cú một điểm cực thỡ sẽ là đơn giản hơn rất nhiều để bự và lựa chọn tụđầu ra.

Mặt khỏc, mạch điện hoạt động với hai miền là dẫn liờn tục của dũng điện (CCM) và khụng liờn tục (DCM). Trong CCM thỡ giỏ trị của dũng điện trong cuộn cảm là liờn tục và lớn hơn khụng. Cũn trong DCM thỡ giỏ trị của dũng điện trong cuộn cảm khụng liờn tụ và cú lỳc bằng khụng. Việc chuyển đổi giữa hai miền DCM và CCM sẽ tạo ra một điểm cực tại điểm chuyển giao. Điều này sẽ cực kỳ khú để bự và tối ưu trong Voltage mode. Trong khi đú thỡ hàm truyền đạt của Current mode giữa hai chế độ này là giống nhau. Điều này làm cho phạm vi của tải hoạt động lớn lờn nhiều và bao gồm cả hai miền DCM và CCM.

Sau đõy em xin trỡnh bày nguyờn lớ hoạt động và sơđồ nguyờn lớ hai mụ hỡnh trờn. 3.3.1. Voltage mode Nguyờn lớ hoạt động Từ sơđồ hỡnh 3.1 ta thấy mụ hỡnh Voltage mode cú cỏc khối chớnh. − Khối cụng suất (POWER FET Q1) − Khối feed back là cỏc trở phõn ỏp − Bộ khuyếch đại sai lỗi (EA) − Bộ tạo xung (PWL)

Hỡnh 3.1 Mụ hỡnh buck Voltage mode

Khối cụng suất (FET Q1) nối từ đầu vào Vdc tới điểm V1. Hoạt động như

một switch.

Khối trở R1, R2 nối từ Vo về đất. Nú làm nhiệm vụ phõn ỏp, cảm nhận sự

thay đổi của điện ỏp đầu ra đưa vào chõn đảo của bộ khuyếch đại sai lỗi (EA). Khối khuyếch đại sai lỗi (EA) cú nhiệm vụ khuyếch đại tớn hiệu sai khỏc từ

khối phõn ỏp và tớn hiệu chuẩn (Vref) sau đú tớn hiệu này được đưa tới khối tạo độ

rộng xung.

Khối tạo xung (PWL) làm nhiệm vụ tạo xung cú độ rộng thay đổi theo tớn

đầu ra (Vo). Khối này cú hai đầu vào là Vt (tớn hiệu xung răng cưa) và Vea (tớn hiệu từ khối EA).

Khối đệm (current amplifer) làm nhiệm vụ đệm dũng đểđiều khiển POWER FET Q1.

Giả sử, điện ỏp VOUT giảm xuống làm cho điện ỏp trờn điện trở feedback đưa vào chõn đảo khối EA giảm theo. Điện ỏp này được so sỏnh với một điện ỏp chuẩn Vref qua bộ khuyếch đại thuật toỏn dẫn đến Vea tăng làm cho Ton lớn lờn (hỡnh a). Việc này dẫn đến độ dày xung tăng lờn làm cho thời giam dũng chảy qua cuộn cảm tăng lờn dẫn đến điện ỏp đầu ra tăng lờn. Quỏ trỡnh cũng diễn ra tương tự trong cỏc

đúng và mở. Giỏ trị dũng điện đầu ra là giỏ trị trung bỡnh (Io trong hỡnh f) Ta cú: Vout = Vin*D Với D là độ dày xung: D = Ton/T

Túm lại: VOUTđược điều chỉnh thụng qua việc thay đổi thời gian TON .

Hỡnh 3.2 Dạng súng trong Buck

3.3.2. Current mode

Nguyờn lớ hoạt động

Current mode cú cỏc khối chớnh sau: - Khối cụng suất

- Khối feed back là trở phõn ỏp - Bộ khuyếch đại sai lỗi (EA)

- Khối đệm (current amplifier) - Khối cảm nhận dũng

Sơđồ mạch như sau:

Hỡnh 3.3 Sơđồ mạch Current mode

Nguyờn lý hoạt động của Current mode khỏ giống với nguyờn lý của Voltage mode. Chỉ khỏc nhau ở tớn hiệu đưa vào chõn dương của bộ tạo xung (PWM) là tớn hiệu xung tam giỏc được tạo nờn từ khối Current sense (do dũng trờn cuộn cảm). Ta biết, dũng điện trong cuộn cảm khi hoạt động cú dạng xung tam giỏc, nờn ta cảm nhận dũng điện này về rồi cho qua điện trở tạo thành điện ỏp tam giỏc so sỏnh với

điện ỏp do khối khuyếch đại sai lỗi tạo ra (EA). Việc dựng tớn hiệu dũng hồi tiếp về

từ dũng điện trờn cuộn cảm là ưu điểm chớnh của Current mode.

Current mode là phương phỏp điều khiển dựng đến hai vũng là vũng dũng và vũng ỏp, kỹ thuật điều khiển này dựa trờn dũng điện thay đổi trờn cuộn cảm và điện

kế đơn giản của Current mode, trong đú thỡ dũng đỉnh trờn cuộn cảm sẽ điều khiển cựng với điện ỏp đầu ra. Dũng đỉnh này sẽđược đưa về và thụng qua điện trở Ri nú trở thành ỏp. Sau đú tớn hiệu này được so sỏnh với điện ỏp đầu ra của khối khuyếch

đại sai lỗi (ERROR AMP).

Hỡnh 3.4 Sơđồ khối của Current mode

Đầu ra của bộ tạo xung (PWM) sẽ là cao (POWER ON) đến tận khi điện ỏp do dũng điện cảm nhận tạo nờn bằng điện ỏp của khối khuyếch đại đưa đến (EA). Tại thời điểm chỳng gặp nhau, đầu ra của PWM sẽ đi xuống thấp và tắt (POWER OFF). Khởi động một chu kỳ sau bằng tớn hiệu set của xung đồng hồ đưa vào chốt RS. Bằng cỏch điều khiển này thỡ dũng điện trờn cuộn cảm trực tiếp điều khiển độ

rộng xung đầu ra nờn người ta gọi đõy là Current mode.

Theo sơđồ khối của Current mode thỡ nú hoạt động dựa trờn hai vũng. Vũng ỏp (Tv) và Vũng dũng (Ti). Trong đú vũng ỏp thỡ lưu trữ cỏc thụng tin về điện ỏp, nú hoạt động giống như trong Voltage mode. Cũn vũng dũng thỡ lưu trữ cỏc thụng tin về dũng điện.

Trong vũng dũng (Ti) thỡ cú cỏc thụng tin về dũng điện. Khi Switch đúng (POWER ON) thỡ cú dũng điện chạy từ đầu vào tới cuộn cảm và ra tải. Dũng điện

và thụng qua điện trở Ri nú được chuyển thành điện ỏp đi so sỏnh với điện ỏp Vc (đầu ra của bộ EA). Ngoài việc dựng dũng điện cảm nhận để tạo tớn hiệu so với Vc ta cú thể sử dụng thụng tin về nú trong điểu khiển mạch làm việc trong PFM/PWM và dũng giới hạn.

Khi mạch đúng thỡ cú dũng điện chạy qua cuộn cảm. Dũng điện này đúng vai trũ như một nguồn dũng nạp điện cho tụ và tải. Do đú với tần số thấp dưới băng thụng của vũng dũng chỉ cú một điểm cực chớnh là Cout//Rload.

3.4. Dạng súng dũng điện trong BUCK

Về cơ bản mạch của Buck cú cấu hỡnh như hỡnh trờn. Mạch Buck hoạt động dựa trờn việc kết nối hoặc khụng điện ỏp đầu vào với cuộn cảm ứng với hai trường hợp Switch đúng hoặc ngắt.

nhau vềđiện ỏp giữa đầu vào và đầu ra dọc theo cuộn cảm, chớnh sự khỏc nhau này làm cho dũng điện trong cuộn cảm tăng lờn.

Trong suốt thời gian đúng của Switch thỡ dũng điện chạy qua cuộn cảm chảy vào tải và tụđiện (tụđiện nạp).

Khi Switch ngắt, điện ỏp đầu vào nối với cuộn cảm bị loại bỏ. Tuy nhiờn

điện dũng điện trong cuộn cảm khụng thay đổi ngay lập tức vỡ cú điện ỏp thay đổi dọc trờn hai đầu cuộn cảm. Điều nay làm cho dũng điện qua cuộn cảm được giữ là hằng số.

Hỡnh 3.7 Mạch Buck trong trường hợp Switch mở

Khi ngắt Switch thỡ điện ỏp tại đầu cuộn cảm nối với Switch bị õm đi dũng giảm, điều này làm cho diode thụng làm xuất hiện dũng điện chạy qua diode. Khi

đú dũng điện từ cuộn cảm thụng qua tải và trở lại thụng qua diode.

Tụ điện sẽ phúng điện trong suốt thời gian Switch ngắt. Dũng điện chạy qua tải là tổng của dũng điện chạy qua tụ và cuộn cảm.

Nếu ta coi điện ỏp rơi trờn Switch và diode nhỏ ta cú: Khi chuyển mạch đúng:

VL = Vg - Vt

Do độ nhấp nhụ điện ỏp đầu ra nhỏ nờn ta cú:

Một phần của tài liệu Thiết kế IC nguồn dựa trên công nghệ CMOS (Trang 43)

Tải bản đầy đủ (PDF)

(112 trang)