Понимание джиттера в импульсных источниках питания

Мэтт Шурман (Matt Schurmann)

Данная статья содержит показательное обсуждение джиттера* в импульсных преобразователях постоянного тока. Не все конструкции источников питания в равной степени восприимчивы к джиттеру, а также не в равной степени подвержены его влиянию. Режимы джиттера импульсов определены и объяснены для нескольких популярных схем управления преобразователем, которые далее проанализированы на предмет источника джиттера. Также приведён пример, в котором сопоставляется уровень джиттера и его влияние на выходное напряжение с использованием эмуляции петли обратной связи.

Введение

Частой проблемой, с которой встречаются разработчики импульсных источников питания постоянного тока, является импульсный джиттер. В стабильном состоянии импульсный преобразователь должен обеспечивать стабильную последовательность импульсов, но часто при тестировании прототипов разработчик видит некоторое непостоянство длительности импульса, интервала между импульсами или частоты импульсов, которые генерирует преобразователь, даже при стабильной резистивной нагрузке по постоянному току.

 Стандартный импульсный джиттер

Рисунок 1. Стандартный импульсный джиттер

В данной статье исследуются основные архитектуры преобразователей постоянного тока, объясняются причины возникновения джиттера, причины различий в его влиянии на разные конструкции источников питания, а также его влияние на системном уровне.

История вопроса

Импульсные преобразователи постоянного тока состоят из нескольких основных элементов: источника питания, силового ключа и сглаживающего фильтра. Управляющий контур решает, когда изменять состояние ключа для поддержания регулируемого выхода как в стабильном состоянии, так и в изменяющихся условиях. Данное решение принимается на модуляторе, контролирующем интервал времени, в котором ключ проводит ток (задавая длительность импульса), а также время, которое он выключен (пауза между импульсами). Данный элемент управления часто бывает представлен в виде последовательности импульсов, отражающих выход модулятора. Считается, что «высокое» состояние импульса соответствует замкнутому ключу, и наоборот.

Как только преобразователь достигнет стабильного состояния, последовательность его импульсов в идеале должна стать полностью равномерной. На рисунке 2 показана идеальная последовательность с постоянной длительностью импульсов, постоянным интервалом между ними, постоянным режимом работы и, соответственно, постоянной частотой.

 Идеальная цепочка импульсов выхода модулятора

Рисунок 2. Идеальная цепочка импульсов выхода модулятора

На практике, тем не менее, ни одна топология преобразователя или схема управления не гарантирует на 100% идеального переключения. Такая схема потребовала бы бесконечного запаса помехоустойчивости. Реальные преобразователи постоянного тока всегда создают некоторое непостоянство длительности импульсов и интервалов между ними, независимо от стабильности контура управления. Это непостоянство называют джиттером.

Существует три общих типа джиттера:

  1. Джиттер длительности импульса. Изменчивость времени включения (рисунок 3).

     Джиттер длительности импульса

    Рисунок 3. Джиттер длительности импульса

  2. Джиттер интервала между импульсами. Изменчивость времени отключения (рисунок 4).

     Джиттер интервала между импульсами

    Рисунок 4. Джиттер интервала между импульсами

  3. Джиттер частоты. Изменчивость частоты переключения (рисунок 5).

     Джиттер частоты

    Рисунок 5. Джиттер частоты

Схемы линейного управления на основе тактовых генераторов, такие как управление на основе напряжения (VMC) и управление на основе силы тока (CMC), в основном восприимчивы только к джиттеру длительности импульса, в то время как нелинейные схемы с постоянной длительностью импульса (СОТ) или частотно-импульсной модуляцией (PFM) в основном подвержены только джиттеру интервала между импульсами. Джиттер частоты нередко намеренно создаётся преобразователем в качестве способа распределения шума по нескольким частотам. Эта техника известна как разброс частоты по спектру.

Понимание причин джиттера в часто применяемых схемах управления

Помехоустойчивость модулятора

Основная причина джиттера в импульсных преобразователях постоянного тока — помехи. Все импульсные преобразователи постоянного тока работают в шумной среде, но не все схемы управления подвержены его влиянию в равной степени.

Анализ любого джиттера стоит начать с точки принятия решения. Схема управления каждого преобразователя сравнивает текущие условия с желаемыми, затем оценивает собственную реакцию, которая приблизит текущие условия к желаемым. Конечным этапом этого сравнения является момент, в который производится непосредственное управление силовыми ключами, основанное на информации с узла управления, он называется модулятором и часто воплощается в виде простого компаратора. Точка принятия решения — это момент, в который переключается выход модулятора, а джиттер — это любое непостоянство в этом решении. Так как решение принимается в модуляторе, любая возможная причина джиттера должна присутствовать на входах модулятора.

Важным фактором определения того, насколько отклонение выхода вызвано определённым уровнем шума, является коэффициент усиления модулятора, т. е. насколько определённый уровень отклонения входящих сигналов влияет на изменение решения на выходе.

Таким образом, схемы, использующие сигналы небольшой амплитуды или очень близкие сигналы на входе модулятора, более восприимчивы к джиттеру. Это происходит вследствие того, что небольшой уровень шума может привести к большей разнице в генерируемой последовательности импульсов, чем в схеме управления, использующей сигналы большей амплитуды. Этот эффект показан для схем управления на основе напряжения, на основе тока и схемы DCAP™ в следующих секциях.

Управление на основе напряжения

На рисунке 6 показана блок-схема режима управления на основе напряжения с модуляцией по заднему фронту. Это схема управления, используемая несколькими наиболее популярными преобразователями компании TI, такими как TPS40055, TPS40304, TPS56221, TPS54550, а также многими другими.

 Синхронный понижающий преобразователь режима напряжения

Рисунок 6. Синхронный понижающий преобразователь режима напряжения

Как в любой схеме модуляции по заднему фронту, фиксация выхода задаётся синхрогенератором, замыкающим ключ питания (ПТ верхнего плеча); работа контура управления определяет, когда ключ будет открываться, то есть задаёт задний фронт последовательности сигналов (включение ПТ нижнего плеча для синхронного преобразователя). Для режима управления на основе напряжения усилитель компенсирующей ошибки сравнивает напряжение на выходе с опорным напряжением для генерирования Vc или управляющего сигнала.

Управляющий сигнал затем сравнивается с линейно изменяющимся напряжением, работающим на частоте генератора. Если управляющий сигнал Vc пересекает линейно изменяющееся напряжение, выход модулятора переключается на высокий уровень, сбрасывая триггер и закрывая силовой ключ.

На рисунках 7 и 8 показаны графики сигналов идеального и реального модуляторов для преобразователя в режиме напряжения. Так как нарастающий фронт серии импульсов инициируется генератором постоянной частоты, вы можете увидеть, что у шума очень небольшая возможность исказить выход на нарастающем фронте, а также повлиять на частоту работы (помимо влияния на сигнал генератора).

 График сигнала идеального модулятора

Рисунок 7. График сигнала идеального модулятора



 График сигнала реального модулятора

Рисунок 8. График сигнала реального модулятора

По этой причине джиттер в преобразователях в режиме напряжения состоит только из джиттера длительности импульса с почти нулевым отклонением частоты.

Тем не менее видно, что шум может привести к некоторым колебаниям в точке принятия решения, что продиктовано падающим фронтом и шириной импульса. В реальности ни управляющий, ни линейный сигналы не могут совсем не содержать шума. По мере сближения управляющего и линейного сигналов они в определённый момент входят в область, где даже небольшого шума достаточно для переключения триггера модулятора.

Так как конкретная точка принятия решения находится в точке пересечения двух неидеальных сигналов, будет некоторое вероятностное отклонение в самой точке принятия решения и, как следствие, в произведённой последовательности импульсных сигналов. Таким образом, по мере приближения к точке принятия решения, устойчивость к шуму снижается пока не будет принято решение о переключении ключа.

Один из вариантов схемы управления на основе напряжения подразумевает управление с опережением, благодаря чему линейная амплитуда становится пропорциональна напряжению на входе. Это позволяет системе быстро отвечать на скачки на входе. Тем не менее данная схема также снижает наклон линейного сигнала при низком напряжении на входе, делая эти условия более восприимчивыми к джиттеру.

 Помехоустойчивость модулятора VM и наклон линейного сигнала

Рисунок 9. Помехоустойчивость модулятора VM и наклон линейного сигнала

Для стандартного контроллера в режиме напряжения линейный сигнал генерируется внутри и не зависит от внешних компонентов. Контроллеры в режиме напряжения разрабатываются таким образом, что амплитуда их линейного сигнала сравнительно велика (от 1 до 2 В), что очень много по сравнению с уровнем шума как управляющего, так и линейного сигнала. Таким образом, схема управления в режиме напряжения при условии правильной разработки обычно весьма невосприимчива к джиттеру. Стандартный преобразователь в режиме напряжения может иметь только 20 нс джиттера в стабильном состоянии.

Режим управления по пиковому току

Другая популярная схема управления модуляцией заднего фронта импульса — это режим управления по пиковому току, как показано на рисунке 10. Режим управления с пиковым током — популярная схема для модулей и преобразователей со встроенным ПТ ввиду упрощённой стабилизации контура управления. Данная схема используется во многих преобразователях компании TI, таких как TPS54620 и TPS54418.

 Режим управления с пиковым током

Рисунок 10. Режим управления с пиковым током

В преобразователе с режимом пикового тока управляющий сигнал используется для ограничения пикового тока, формируемого преобразователем, в то время как внешняя обратная связь по напряжению регулирует управляющий сигнал для поддержания регулируемого выходного напряжения. Генератор активирует силовой ключ, а модулятор сравнивает ток ключа с управляющим сигналом, отключая импульс, когда ток переключения достигает значения управляющего сигнала. Большинство современных контроллеров режима пикового тока также обеспечивают компенсацию наклона. Компенсация наклона добавляется к сигналу обнаруженного тока, чтобы устранить вероятность субгармонических колебаний, когда заданный цикл нагрузки составляет более 50%. Это свойство управления в режиме пикового тока подробно обсуждается в документе SLUA101.

На рисунках 11 и 12 показаны графики сигнала преобразователя с управлением в режиме пикового тока. Как уже указывалось выше, любой возможный источник джиттера должен присутствовать на входах модулятора. Опять же, вследствие того, что активация ключа инициируется генератором постоянной частоты, вероятность влияния шума на передний фронт сигнала цепочки импульсов или её частоты невелика. Отключение контролируется модулятором, который сравнивает ток ключа и управляющий сигнал с компенсированным наклоном и, таким образом, подвержен влиянию шумов в точке их пересечения.

 График сигнала идеального модулятора

Рисунок 11. График сигнала идеального модулятора с управлением в режиме пикового тока



 График сигнала реального модулятора

Рисунок 12. График сигнала реального модулятора с управлением в режиме пикового тока

Наиболее очевидный недостаток графика сигнала реального модулятора, показанного на рисунке 12, — это сигнал с датчика тока ключа. В большинстве случаев обнаруженный нарастающий фронт тока ключа не настолько чистый, как график сигнала, показанный на рисунке 11. Всегда существует некоторое ограниченное время нарастания тока ключа, а также некоторый выброс на перегибе, сформированном при полном открытии ключа, а также ток в паузе; этот выброс может даже в некоторых случаях превосходить управляющий сигнал. На практике с этими эффектами справляются с помощью задания времени гашения — короткого промежутка после фронта тактового импульса, когда модулятору не дают выключить ключ, даже если вход говорит о том, что это нужно сделать. Таким образом, у этих негативных эффектов будет время на рассеивание перед реальной точкой принятия решения.

Основным источником повышенного запаса помехоустойчивости в режиме управления по пиковому току является зависимость от значения выходного индуктора. На рисунке 13 показано, что запас помехоустойчивости преобразователя в режиме управления по пиковому току напрямую зависит от наклона кривой тока ключа, который, в свою очередь, зависит от значения выходного индуктора. Таким образом, конструкция преобразователя в режиме пикового тока с большой индуктивностью будет более восприимчивой к джиттеру, так как это снизит наклон тока ключа по сравнению с преобразователем с небольшим значением индуктивности.

Зависимость тока ключа от индуктивности для управления

Рисунок 13. Зависимость тока ключа от индуктивности для управления в режиме по пиковому току

Управление DCAP™ с постоянной длительностью импульсов

Популярная схема управления, разработанная TI для конструкций, требующих быстрого отклика на переходные процессы со сравнительно небольшим количеством выходных конденсаторов, — это управление типа DCAP™ от TI. В большинстве случаев DCAP совмещают со схемой управления на основе адаптивной постоянной длительности импульса. Само по себе управление DCAP относится к технике управления с использованием эффективного последовательного сопротивления (ESR) выходной ёмкости в качестве элемента обнаружения тока. Это позволяет управлению DCAP обеспечивать непревзойдённый переходный отклик. Очень популярный преобразователь TPS53355 использует управление в режиме DCAP.

Управление с постоянной длительностью импульса DCAP

Рисунок 14. Управление с постоянной длительностью импульса DCAP

В большинстве случаев DCAP совмещают с адаптивным управлением на основе постоянной длительности импульса. В этой схеме известна желаемая частота переключения, а идеальное время замыкания силового ключа определяется цепью генерации длительности импульса. Для понижающих преобразователей идеальная длительность импульса для каждого цикла определяется как:

 Формула

Выходное напряжение делится для соответствия опорному. Если разделённое выходное напряжение пересекается с опорным, ключ открывается на строго определённое время — длительность импульса. Поскольку длительность импульса строго контролируется внутренней цепью, джиттер длительности импульса не принимается в расчёт для данного типа управления. Тем не менее время отключения (интервал между импульсами tON) генерируется путём сравнения пульсации выходного напряжения с опорным напряжением. В большинстве применений желательно свести к минимуму амплитуду пульсации выходного напряжения, чтобы можно было увидеть, что точка принятия решения отрабатывается при гораздо меньшем масштабе сигнала, чем при управлении в режиме напряжения или пикового тока.

В действительности запас помехоустойчивости модулятора DCAP определяется пульсацией выходного напряжения. На рисунках 15 и 16 показаны графики сигнала преобразователя при этом режиме управления. Можно увидеть, что по мере снижения амплитуды выходных пульсаций соответственно снижается запас помехоустойчивости модулятора. По этой причине на преобразователях DCAP обычно указывается требование к минимальной выходной пульсации, и они считаются более восприимчивыми к джиттеру.

График сигнала идеального модулятора DCAP

Рисунок 15. График сигнала идеального модулятора DCAP



График сигнала реального модулятора DCAP

Рисунок 16. График сигнала реального модулятора DCAP

Наиболее часто модулятору необходима минимальная пульсация в 15 мВ для сохранения разумного уровня джиттера, хотя это ограничение субъективно. Пульсация образуется за счёт ESR выходной ёмкости. Сравните её с линейной амплитудой от 1 до 2 В для контроллера в режиме напряжения и легко увидите, почему джиттер более заметен в конструкциях DCAP. На рисунке 17 показано влияние эффекта минимизации пульсаций выходного напряжения на уровень джиттера преобразователя в режиме управления с постоянной длительностью DCAP.

Зависимость пульсирующего напряжения на выходе DCAP

Рисунок 17. Зависимость пульсирующего напряжения на выходе DCAP

Управление DCAP с эмулированной генерацией линейного сигнала (включая DCAP2 и DCAP3)

Многие конструкции с низким выходным напряжением не могут работать с высоким уровнем пульсаций напряжения ввиду строгих технических требований к выходу постоянного тока. Конструкции могут требовать быстрого переходного отклика, обеспечиваемого методом управления DCAP, но, возможно, они не смогут работать с высокой пульсацией выходного напряжения, необходимой для стабильной работы. Одним из способов удержания пульсации выходного сигнала управления DCAP в области нуля является генерирование эмулированного линейного сигнала. Это можно воплотить извне, с помощью RC-цепи, параллельной индуктору, который затем подключается в узел обратной связи. Данный процесс описан в документе SLVS453.

Во многих новых преобразователях TI, таких как TPS544C20 и TPS53915, использующих управление DCAP2 и DCAP3, такая цепь обработки пульсаций встроена в контроллер, что позволяет им поддерживать работу с блоками керамических выходных конденсаторов, имеющих низкое ESR, без потребности в каких-либо дополнительных внешних компонентах.

На рисунке 18 показана блок-схема традиционной конструкции DCAP с внешними компонентами для прохождения пульсаций. Эти компоненты позволяют сделать пульсации на выходном конденсаторе невероятно низкими, не снижая запас помехоустойчивости на входах модулятора, путём синтезирования или эмуляции пульсации напряжения (которого на самом деле не существует на выходных конденсаторах), синфазно с переключением.

Управление DCAP с внешним линейным сигналом КС

Рисунок 18. Управление DCAP с внешним линейным сигналом КС

Основной инновацией управления DCAP2 является возможность включить эти компоненты генерации пульсации в цепь контроллера для поддержки выходных конденсаторов с низким ESR без необходимости во внешних компонентах. Так как выбор значений этих компонентов влияет на переходный отклик и запас устойчивости по фазе управляющего контура, устройства DCAP3 также имеют возможность оптимизации/изменения значений этих компонентов для оптимальной работы на системном уровне.

Важно отметить, что, даже несмотря на то, что эти схемы включают эмулированную подачу пульсации, амплитуда эмулированного линейного сигнала остаётся относительно малой для обеспечения быстрого переходного отклика. Это значит, что, несмотря на то, что стабильного переключения можно добиться без особых требований к выходным пульсациям, джиттер переключения в системах DCAP остаётся больше по сравнению с линейными схемами, такими как управление в режиме напряжения или тока.

Причины джиттера, не связанные со схемотехникой

Джиттер также может быть вызван или усилен проблемами с конструкцией источника питания, такими как стабильность контура обратной связи и расположение элементов на плате. Поэтому очень важно следовать рекомендациям производителя контроллеров питания и следовать принятым практикам разработки источников питания.

Наиболее частые неархитектурные причины джиттера включают:

  • Субгармонические колебания ввиду малого запаса устойчивости — если управляющий контур не стабилизирован должным образом, управляющие сигналы (и выходная мощность) могут начать колебаться, что может проявиться в виде произвольного или двухрежимного джиттера (работы в режиме длинный-импульс-короткий-импульс).
  • Конструкция с высоким уровнем коэффициента усиления — необходимо проявлять осторожность при разработке коррекции усилителя ошибки, чтобы он не слишком усиливал высокочастотные помехи. Конструкции компенсатора с высоким коэффициентом усиления на высоких и средних частотах могут быть восприимчивы к джиттеру.
  • Расположение элементов — импульсные источники питания включают несколько контуров, переносящих импульсные токи и напряжения. Разработчики источников питания должны тщательно прорабатывать конструкцию печатных плат, с тем чтобы электромагнитные и емкостные связи между этими сигналами и чувствительными управляющими сигналами сводились к минимуму.

Влияние джиттера на пульсацию выходного напряжения

Расхожее мнение в сфере разработки источников питания заключается в том, что высокий уровень джиттера переключения непременно приведет к повышению пульсации выходного напряжения, которую он производит, — но это заявление правдиво не для всех типов джиттера. На самом деле, даже несмотря на то, что такие схемы, как DCAP, а также DCAP2/DCAP3, повысили уровень джиттера, он не приводит к существенному повышению пульсаций на выходе.

Управление DCAP2 и DCAP3

Рисунок 19. Управление DCAP2 и DCAP3 с внутренней RC-цепью

Этот эффект можно продемонстрировать с помощью симуляции в замкнутом контуре. В следующем разделе показано сравнение преобразователя в режиме напряжения и преобразователя DCAP, в который вводятся высокочастотные помехи для образования джиттера переключения.

Эмуляция джиттера

Существенная сложность, образующаяся при попытке эмуляции джиттера в замкнутом периоде времени, заключается в том, что обычные симуляторы SPICE не имеют встроенных генераторов источника произвольных помех. Это обусловлено тем, что анализ помех обычно выполняется в плане частоты.

В данной демонстрации, целью которой является оценка джиттера во времени, эта проблема была решена с помощью MATLAB посредством генерирования серии точек аддитивного белого гауссовского шума (AWGN), которые затем экспортировались на кусочно-линейный (КЛ) источник в высоком разрешении и были объединены с каскадом усиления, чтобы обеспечить простоту управления амплитудой помех. Конечным результатом стала цепь, которую можно легко вставить последовательно со входами модулятора любой модели преобразователя, чтобы показать их реакцию на высокочастотный шум. Данной упрощённой модели помех достаточно для создания джиттера переключения и демонстрации его влияния на пульсацию выхода. Обратите внимание, что помехи в различной степени существуют в каждой точке цепи, а не только в критических узлах, выбранных для демонстрации данного примера.

В данных экспериментах по эмуляции источник AWGN помещается непосредственно на входе модулятора, то есть последовательно с Vc (или COMP) для преобразователя в режиме напряжения и с обратной связью (FB или VSNS) для преобразователя DCAP. Изменение коэффициента усиления E2 на рисунке 20 изменяет амплитуду подаваемых помех.

Источник помех AWGN

Рисунок 20. Источник помех AWGN

Результаты джиттера. Преобразователь на основе напряжения и преобразователь DCAP

В таблицах 1 и 2 приведён размах напряжения эмулированной пульсации на выходе, с эмуляцией преобразователя как в режиме напряжения, так и преобразователя DCAP с постоянной длительностью импульса, — с одинаковыми силовыми каскадами, в одинаковых условиях. В качестве примера использовался понижающий преобразователь с 12 до 1 В при 500 кГц. Принципиальные схемы каждого преобразователя приведены в Приложении А к данному документу (SLUA747A). Ввиду того что эмулированные помехи носят случайный характер, каждое значение указано в виде окна ±3σ (± три стандартных отклонения от среднего).

Результат эмуляции

Рисунок 21. Результат эмуляции: пульсирующее напряжение на выходе и джиттер



Таблица 1. Преобразователь в режиме постоянной длительности импульса

±3σ подаваемых
помех, мВ
±3σ джиттера интервала
между импульсами, нс
Размах сигнала.
Пульсирующее напряжение на выходе, мВ
0 2,57 24,62
0,53 54,33 25,09
1,07 107,84 25,52
1,6 162,12 25,9
2,12 220,38 26,45
2,63 290,45 27,26
3,14 345,36 27,69


Таблица 2. Преобразователь в режиме напряжения

±3σ подаваемых
помех, мВ
±3σ джиттера
продолжительности импульса, нс
Размах сигнала.
Пульсирующее напряжение на выходе, мВ
0 3,01 24,59
29,25 53,99 33,18
58,71 103,27 42,57
93,41 158,33 54,03
133,21 226,87 68,93
178,57 287,43 80,93
218,88 344,76 96,65

Обсуждение и объяснение результатов

Полученные результаты поднимают два основных вопроса:

  1. Почему помехи с одной и той же амплитудой приводят к большему уровню джиттера для преобразователя DCAP с постоянной длительностью импульса по сравнению с преобразователем в режиме постоянного напряжения и частоты?
  2. На рисунке 22 показано, что амплитуда помех, требуемая для получения того же уровня джиттера в преобразователе DCAP в режиме постоянной длительности импульса, была намного ниже, чем для преобразователя в режиме напряжения. Это — результат того факта, что преобразователь DCAP в режиме постоянной длительности импульса имеет меньший запас помехоустойчивости модулятора. Судя по рисунку 23, преобразователь в режиме напряжения сравнивает собственный управляющий сигнал с линейным примерно в 1,4 В, стандартное значение для понижающего преобразователя с входом 12 В. В то же время для преобразователя DCAP с постоянной длительностью импульса выходное напряжение, фактически, — это линейный сигнал, а VREF — это управляющий сигнал, так что его линейный сигнал имеет номинальное напряжение только 25 мВ. Видно, что для данного уровня помех преобразователь в режиме напряжения имеет гораздо большее соотношение сигнала к помехам (SNR).

    Результат эмуляции

    Рисунок 22. Результат эмуляции: джиттер и подаваемый шум



    Сравнение запаса помехозащищенности

    Рисунок 23. Сравнение запаса помехозащищенности. Режим напряжения и DCAP

    Например, рассмотрим влияние сигнала помехи с амплитудой в 1 мВ на оба преобразователя. Данный сигнал помехи составляет всего лишь 0,07% линейного сигнала для преобразователя в режиме напряжения, в то время как для преобразователя DCAP в режиме постоянной длительности импульса это будет уже 4%.

  3. Почему при одинаковом значении джиттера уровень шумов на выходе преобразователя DCAP существенно ниже по сравнению с преобразователем в режиме напряжения?
  4. На рисунке 21 показано, что амплитуда шумов, требующаяся для получения одного и того же уровня джиттера, была намного ниже для преобразователя DCAP в режиме постоянной длительности импульса, чем у преобразователя в режиме напряжения. Смотрите рисунки 24 и 25. Это вызвано комбинацией двух эффектов:

    1. природой управления с фиксированной частотой и
    2. относительной скоростью каждого контура управления.

    Реакция на джиттер

    Рисунок 24. Реакция на джиттер (режим напряжения)



    Реакция на джиттер

    Рисунок 25. Реакция на джиттер (DCAP)

    Во-первых, по определению, преобразователь в режиме напряжения работает на фиксированной частоте, даже если импульс джиттера подаёт слишком много энергии на выход. Даже если предыдущий импульс подал на выход больше энергии, чем нужно, импульс продолжает возникать и в начале следующего периода переключения, что приводит к дальнейшему росту напряжения. Для преобразователя DCAP в режиме постоянной длительности импульса нет требования фиксированной частоты. Если два импульса возникают слишком близко друг к другу вследствие джиттера, наблюдается некоторый выброс, но следующий импульс не возникает, пока напряжение выхода не упадёт до опорного значения. Таким образом, преобразователь DCAP в режиме постоянной длительности импульса может делать поправку на джиттер в пошаговом режиме, в то время как преобразователь с фиксированной частотой не может.

    Принципиальная схема преобразователя на основе напряжения

    Рисунок 26. Принципиальная схема преобразователя на основе напряжения

    Во-вторых, эффективный диапазон частот управляющего контура преобразователя в режиме фиксированной частоты ниже, чем у преобразователя DCAP в режиме постоянной длительности импульса. В идеале преобразователь с фиксированной частотой должен просто пропустить следующие импульсы, если импульс джиттера приводит к выбросу на выходе, но для того, чтобы это произошло, управляющий сигнал должен вырасти с номинального значения до уровня, превышающего уровень линейного сигнала, что занимает время и требует сравнительно большого переходного отклика. Для преобразователя DCAP в режиме постоянной длительности импульса выходное напряжение и есть контрольный сигнал, так что, если происходит его выброс, управляющий контур может функционировать даже без дополнительных внешних элементов компенсации.

    Принципиальная схема преобразователя DCAP

    Рисунок 27. Принципиальная схема преобразователя DCAP

Подобная дискуссия могла бы иметь место и для случая обратного выброса импульса, вызванного импульсами джиттера в каждом преобразователе.

Заключение

Некоторый уровень джиттера неизбежен при любой архитектуре преобразователя напряжения. Джиттер вызывается помехами, которые присутствуют на модуляторе, управляющем работой ключа питания, используемого в преобразователе.

Поскольку разные архитектуры управления,такие как управление на основе напряжения, на основе тока или постоянной длительности импульса DCAP, используют различные способы управления переключением, у этих схем разные сигнатуры джиттера. Схемы с фиксированной частотой, основанные на генераторе, такие как управление на основе напряжения или на основе тока, в основном восприимчивы только к джиттеру длительности импульса, при этом схемы постоянной длительности импульса, такие как DCAP от TI, восприимчивы только к джиттеру интервала между импульсами.

Схемы управления с большим соотношением сигнала к помехам менее восприимчивы к джиттеру. По этой причине преобразователи в режиме напряжения с допустимым джиттером длительности импульса всего в 20 нс обычно не рассматривают, так как стандартные преобразователи DCAP могут иметь допустимый джиттер интервала между импульсами и в 100 нс. Тем не менее джиттер влияет на преобразователи не в одинаковой степени. При равном уровне джиттера преобразователи с фиксированной частотой показывают большую величину пульсации выходного напряжения, чем преобразователи с постоянной длительностью импульса.

* Джиттер (англ. jitter — дрожание) — нежелательные фазовые и/или частотные случайные отклонения цифрового сигнала.

Литература

  1. Application Report. Revised July 2015, SLUA747A.