PWM制御ステップアップ電源の開ループはどうやってみれば…？

質問

PWM制御の昇圧型電源を作ろうとしています。
誤差アンプの部分を始め、部分部分の設計は比較的容易に出来たのですが、出来上がった回路が高負荷でブロッキング発振を起こし、困っています。
恐らく各個々に閉じたループでは十分位相マージンが取れていても、全体ループで取れていないものと思われるので、全体ループでの位相マージンを見ようと思うのですが、スイッチングトランジスタの所をどう扱えばいいのか分からず、困っています。
どなたか識者の方、アドバイスをお願いいたします。

回答No.4

ir-led

オープンループですが，40dB弱は，負荷変動率1%あたりを狙っての設定でしょうか？
特に問題無いと思いますが，仕様的に許されるのなら，欲張らず30dB程度まで落としても良いかも知れません。

誤差アンプの帯域幅は20kHz程度と言うことですが，この数字だけでは何とも言えません。
　１．終段のスイッチング部分でどの程度ゲインを稼いでいるか？
　２．誤差アンプ出力→スイッチングトランジスタ→LCフィルターの経路でどれだけ位相が回るか（どれだけ遅延するか）？
により左右されるからです。が，ちょっと広げすぎの感じはします。

閉ループゲインが"1"以上ある帯域(20kHzより高くなる)で"２．"の遅れが180°あると
負帰還をかけているつもりが，正帰還をかけることになるので，発振してしまいます。
しかし遅れるものどうしようもないので，発振を止めるには，正帰還となる帯域での閉ループゲインを"1"より小さくする
つまり誤差アンプの高域ゲインを落とす必要があります。

例えば，100kHzの信号の位相を180°遅らせるには，わずか5マイクロ秒の遅延時間があれば充分なのです。
閉ループゲインと推定される遅延時間からすると，誤差アンプの帯域幅が20kHzというのは少し広いと思いませんか？

＞確認しました。
その線じゃ無かったですか。・・了解しました。
では，もう一つ確認してみて下さい。高負荷時に誤差アンプの出力はどの程度，振れていますか？
出力段のスイッチングトランジスタのON抵抗が大きいと，高負荷ではVceも大きくなりますよね。
この時，誤差アンプはドロップ分を補おうとして＋側に振れますが，電源電圧付近まで振れていませんか？
オペアンプなどは，電源電圧少し手前までの非飽和領域なら（位相補償が無いとして）スルーレートの速度で出力が変化しますが
なにかの弾みで，一度，電源電圧付近の飽和領域に入ってしまうと，そこからなかなか(数十ミリ秒オーダー)返ってこられないんです。
返ってこられないので，発振・・と言う理屈も考えられます。

これでも無いとすると・・考えつく手は，急速冷却スプレーで局所的に冷やしたり，指で個々の部品をピタピタと触っていくとか（←これ最強。）

お礼

本当に度重なる回答、ありがとうございます。

>１．終段のスイッチング部分でどの程度ゲインを稼いでいるか？

実はこいつが結構トリッキーでして、条件に応じて変動するように設定してあります。
具体的にはエラーアンプの帰還入力が0.5Vになるよう、出力を調整すると言う形になっています。
通常は倍率５倍強程度、14dBチョットでしょうか。

>２．誤差アンプ出力→スイッチングトランジスタ→LCフィルターの経路でどれだけ位相が回るか（どれだけ遅延するか）？

実はこれが分からないのです。
測定方法が全く思いつかず、悩んでいる諸悪の根源です。
搬送波（発振機）周波数以下であれば、なんとなく位相の遅れが見れる気がするのですが、それ以上（というか、どこからか良く分からないのですが）の周波数を見た場合、遅れと言うものが出力にどう出るのか、見当がつきません。
単純に搬送波の遅れでしたら、50nsec以下ですので、無視していいような値だと思います。

>高負荷時に誤差アンプの出力はどの程度，振れていますか？

ご指摘の通り、サットさせたくなかったので、上側にはクランパーが入っています。
電源4V弱に対して1.1V程度です。
下側にもクランパーをいれており、こいつは0.3Vです。
ですから、上下ともにサットすることはないはずです。

また何か思い当たる節がありましたら、何でも結構ですので、教えて下さい。
宜しくお願いします。

回答No.3

ir-led

＞帰還ループのLPFと言うのはLCのことでしょうか。
＞それとも誤差アンプの出力（PWMコンパレータの入力）に付けるフィルタのことでしょうか。

大きなゲインを持っている誤差アンプの高域ゲインを落とす，位相補償用コンデンサの定数です。
高域ゲインを落とす＝積分回路の時定数を長くする＝LPFの時定数を長くする・・と言う意味です。
出力のLCを大きくしたり（と言っても負荷の容量成分の方が影響大？），誤差アンプの出力のフィルタの
時定数を大きくするのは，帰還ループの遅れ成分を増やすことになるので，症状は更に悪化すると思います。

誤差アンプは大きなゲインを持っていますが，これは，わずかの誤差にも猛烈に反応してしまうということです。
（だから定電圧出力機能が成り立つんですが。）
仮に，誤差アンプがdutyを上げる方向に動いているとして，帰還ループに遅れがあると，目標値を少し越えるところまで
電源出力を増加させてしまいます。逆にdutyを下げる方向では，同じ理由で低下させ過ぎてしまうことになります。
この繰り返しがひどくなると，発振に至ると言う訳です。

そこで，位相補償（積分）コンデンサを増すことで，閉ループの遅さと比べて神経過敏（高速）過ぎる誤差アンプの速度を
落として，発振を止めようと言うわけです。
併せて帰還抵抗を小さくすれば，低域からのゲインも小さくすることが出来るので，これも有効かも知れません。
積分回路だからと言っても，不必要なPWM周波数成分の除去を目的としたものではないので，PWM周波数が高いからといって
むやみに小さくは出来ないので，注意が必要です。
でも，ガンガンに位相補償を効かせると，電源出力の追従性も悪化しますから，限界はあります。

位相に着目して一通り対策しても，ダメな場合，
「・共通インピーダンスで，負荷電流が誤差アンプ自体，またはリファレンスを揺すっていないかの確認。」
の線でしょうか。
微少信号を増幅するハイゲインアンプと，パワーアンプが一枚の基板に同居しているオーディオ回路の場合
（誤差アンプを持った低電圧電源もこれと同じ）ハイゲインアンプのリファレンスや電源・GNDが揺すられると
簡単にモーターボーティング（ボボボボッ・・と言う超低周波発振）を起こします。
これを定電圧電源に置き換えると，仰っているブロッキング発振と言うことになる・・？
繰り返し周期の短いブロッキング発振だと，この線は違うかも。

以上，ご参考になれば。

お礼

たびたびのご回答、ありがとうございます。

現在使用している誤差アンプは帯域幅上限20kHz程度、オープンループに関しては40dB弱のヘナチョコです。
ですから、恐らく出力に対して過敏過ぎるということはないと思うのですが、もっとフィルターで落とすべきでしょうか。
ちなみにこいつには帰還を掛けていません。素で使っています。
以前帰還でゲインを12dB程度に落としたことはあったのですが、ブロッキング周波数が落ちただけで効果は大してありませんでした。

それとも、やっぱり前の方へのお礼で書いたのですが、位相をまわすか戻すかするために、フィルターは追加すべきなのでしょうか。

>共通インピーダンスで，負荷電流が誤差アンプ自体，またはリファレンスを揺すっていないかの確認

確認しました。
特にリファレンスに関してはPWMの入力からオシレーターの信号が載ってしまっていたので、インピーダンスを下げて抑えました。

回答No.2

tnt

負帰還回路なら、位相マージンが大事ですが、
電源の場合は位相ってあまり考えないですね.
これは、個々の部分の動作速度に比べてループの速度が非常に低い為です。

ループゲインを最小にして、誤差アンプの出力のＬＰＦの時定数を
長めにするのが普通の方法だと思うのですが、如何でしょう。

スイッチングトランジスタの位相遅れは
ＰＷＭ→平滑の遅れを考えると、無視できます。
ＦＥＴなら等価回路から簡単に容量などは計算できますが。

お礼

回答、ありがとうございます。

>誤差アンプの出力のＬＰＦの時定数を長めにするのが普通の方法...

現在帯域幅を思いっきり落としたアンプを使っている（大体上は２０kHz程度）ので、フィルターは必要ないかと思っていたのですが、やっぱり、誤差アンプの出力にLPFを足すべきなんでしょうか、位相の問題上。
いまいちこのフィルターの存在意味が良くわからないので、付けることをはばかっていたのですが。
あつかましいようですけど、付けるとしたら、どの点でどの程度位相をいじればよろしいのか、アドバイスを頂けると嬉しいのですが。

>スイッチングトランジスタの位相遅れは...

私もそう考えていたのですが、どうしても位相の遅れが出力からPWMアンプの手前までだけではあわないようなのです。
何か位相遅れで勘案すべきことが抜けている気がするのですが、PWMアンプ以降、スイッチングトランジスタまでの間で何かありませんでしょうか。

あつかましい質問を何度も申し訳ありませんが、出来れば宜しくお願いいたします。

回答No.1

ir-led

こんにちは。

余程，高いPWM周波数で無い限り，トランジスタのスイッチング速度の大小による遅延は
帰還ループのLPFの位相遅れに飲み込まれてしまうので，余り意味は無いのでは，と思います。

で，位相マージンを見る方法ですが，ステップ的な負荷変動（例えば，負荷率=90%->10%->90%->10%
duty=0.5，f=実負荷で予想される範囲で適当）を与え，出力電圧の過渡応答を見ると言う手があります。
閉ループ内に遅れがあれば，負荷変動のステップのエッジでリンギングが発生します。
一度，見てみて下さい。現状では少しの負荷変動でも，激しくリンギッているはずです。

ちなみに，オーディオ用パワーアンプのケーブル等の容量性負荷に対する安定性（発振のしにくさ）は
この方法で直ぐ分かります。

ついでに，発振の対策方法ですが・・・電源屋さんじゃ無いので，ホントに一般論です。
　・帰還ループのLPFの時定数の見直し。
　・極端なリモートセンシングをやっているのなら，ローカルセンシングに変えてみる。
　・閉ループ内の高ゲインになっている部分のゲインを下げてみる。
　・共通インピーダンスで，負荷電流が誤差アンプ自体，またはリファレンスを揺すっていないかの確認。
と言うところでしょうか。

以上，ご存じ・検討済の事でしたら，ゴメンナサイです。
電源屋さんじゃ無いので，高度なツッコミは勘弁して下さいね。

それと，質問のカテゴリーですが，「その他・理系の学問」のほうがいいんじゃ無いですか？
電気屋さんが大勢いますよ。でも，このカテゴリーの回答者にも電気屋さんがいるので
暫くは，ここで待つっても良いかも知れません。

お礼

早速の回答、ありがとうございます。

>余程，高いPWM周波数で無い限り...

今設計しているのは発振周波数1.2MHzです。

>トランジスタのスイッチング速度の大小による遅延は 帰還ループのLPFの位相遅れに飲み込まれてしまうので...

帰還ループのLPFと言うのはLCのことでしょうか。
それとも誤差アンプの出力（PWMコンパレータの入力）に付けるフィルタのことでしょうか。

>質問のカテゴリーですが，「その他・理系の学問」のほうがいいんじゃ無いですか？

そうですね、カテゴリーはそっちのほうが良かったかもしれません。
今後はそちらのほうですることにします。
ご指摘、ありがとうございます。