資料紹介
PWM制御電圧モードの降圧型スイッチング電源の位相補償手順
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資料の原本内容
電圧モードDCDCコンバータにおける
位相補償の調整手順
H.Yoshitake
2010/07/21
2010/7/28
1
始めに
昨今の環境問題に呼応して、電子機器に使用される電源の電力変換効率にも関
心が高まっています。
これまでシリーズ電源を使用していた機器においても、変換効率の良いスイッチ
ング電源を採用する事例が増えてきています。
しかしスイッチング電源は典型的なフィードバック制御回路です。異常発振を防止
するための位相補償が必須ですが、その調整は思いの外やっかいです。
しかも、位相補償そのものに関しては色々な文献や資料がありますが、開発現場
での実際の調整手順に関するアドバイスは殆ど無いのが現状です。
そこでアナログ回路シミュレータであるSpiceを用いて、位相調整用CRの定数の
ひな形をシミュレーションによって導出する手順を説明致します。
その後に実機にて微調を行えば、非常にスムーズに位相調整が出来ます。
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シミュレーションの準備
位相調整はSpiceシミュレータのACシミュレーションによって行います。
PWM制御方式による、電圧モードの降圧コンバータでのシミュレーション回路です。
電圧モードでも、昇圧型、反転型では実測と乖離が大きく、使えません。
電流モードでは全く異なりますので、使えません。
シミュレーションを行うに当たり、事前に次の項目を確認して下さい。
PWM用の三角波の振幅
→重要です。制御部のゲインに関係します。
回路中のVCVIがPWM制御部のゲインで、 「入力電圧 ÷ 三角波の振幅」 となります。
出力コンデンサのESR（寄生抵抗） →重要です。位相を決める最大要因です。
小さいほど位相調整が難しくなります。セラミックコンデンサでは数mΩ～数十mΩです。
コイルの鉄損を決める寄生抵抗
通常はデータシートに記載されていません。入手出来なければ、推測値を使います。
電圧設定用の抵抗値
ノイズ防止の観点や、調整の難易度の点から、上側の抵抗値が20~80KΩが望ましい。
補足
三角波の振幅はICのデータシートで、三角波のピーク電圧及びボトム電圧と
書かれていることが多いと思われます。
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AC特性 Spiceシミュレーション回路例
電圧モードDCDCコンバータの位相特性の計算のSpiceシミュレーション回路
シミュレーション用ダミーコイル
L2 100k
VF1
青 ・・・ 回路定数
赤 ・・・ 位相補償定数
ピンク ・・・ 電源系のゲイン＆コイルのインダクタンス値＆コイルの抵抗
＊昇圧や反転の場合はコイルのインダクタンス＆抵抗値は、下記計算式で
換算してシミュレーションをかけることが必要
降圧の場合はゲインのみ計算計算式で計算して使用する
Cdmy 100
シミュレーション用
ダミーキャパシタ
Gain =
Vout
Vct * D
Vin
Vct
=
Le = L
電圧設定抵抗
Rc 1.5k
Gain =
Cc 330p
RH1 25k
進み補償抵抗
遅れ補償容量
遅れ補償抵抗
Rf 8.2k
Gain =
Cf 2.7n
進み補償容量
Vout
Vct * D
=
( Vout)2
Vct*(Vout-Vin)
Vin + Vout (Vin+Vout)2
=
Vct * D
Vct*Vout
Le =
L
(1-D)2
Le =
L
(1-D)2
微小信号
+
コイルのインダクタンス値
11
2-
VG1 2
パワーMOSのON抵抗
コイルのAC&DC抵抗
Rpwmos 20m
Rcoil 100m
1
- 電源系のゲイン
Lcoil 10u
コンデンサのESR
VCV1 17
電圧設定抵抗
+
+
+
+
VP 10
VM 10
V1 1
V2 0
コンデンサの容量
負荷抵抗
Rload 1M
-
Resr 10m
+OP1 LM324
+
Cout 10u
RL 50k
+
4
3
+
＊入力12V、三角波の振幅が約0.7Vの場合、ゲインは約17となります。
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回路の説明
VCVIはPWM制御部のゲインです。IC依存性があります。
ゲイン（VCVIの値）は 「入力電圧 ÷ 三角波の振幅」 となります。
入力12V、三角波の振幅が約0.7Vの場合、ゲインは約17となります。
ゲインは入力電圧に比例します。全入力電圧範囲内で調整が必要です。
入力電圧が高くなるとゲインが上がり、位相余裕が少なくなります。
位相調整用の素子
回路図中に赤で記載した4つの抵抗及びコンデンサです。
この4つの素子の定数を最適化することで位相調整を行います。
電圧設定用抵抗と、これら素子で出来る時定数を調整することが位相調整です。
電圧設定用の抵抗
電圧設定用の抵抗は、上側、下側の比が同じならば出力電圧は同じとなります。
しかし位相調整素子と作る時定数がかわりますので、位相定数が変わります。
エラーアンプ
エラーアンプは汎用のOp-Ampでも、理想Op-Ampでも可です。
動（過渡）特性は全く異なりますが、位相調整のACシミュレーションには関係有りません。
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調整手順
次の順番で定数を決めていくと、調整が簡単になることが多いと思われます。
１） Cfの調整
ベースとなる電源系のゲインを設定する
２） Rfの調整
ft（ユニティーゲイン周波数）前後の位相を持ち上げる
３） Ccの調整
２）で位相の持ち上げが足りない分を補償する
４） Rcの調整
ft周波数前後及びそれ以上の高周波数領域のゲインを落とし、広域を安定させる
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位相補償 ステップ－0
位相補償無い場合
位相補償無い場合は平滑用のコイルと出力コンデンサで出来る共振周波数で完全
に位相が回っている
100.00
50.00
Gain (dB)
ゲイン 0db
0.00
-50.00
-100.00
200.00
完全に位相が廻っている
Phase [deg]
100.00
0.00
位相 0度（位相廻り180度）
-100.00
-200.00
1
10
100
1k
10k
Frequency (Hz)
Cf=1pF、 Rf=1Ω、 Cc=1pF、 Rc=1Ω
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100k
1M
10M
100M
＊この値ならば位相補償無しと等価
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位相補償 ステップ－1
Cfの定数設定
Cfを1pF～0.1uFの範囲で小さい値からだんだん大きくし、下図の様に共振周波数の
左側にあるボトムでのゲインが、約17dB位になる値を探す
100.00
50.00
Gain (dB)
約17dB
0.00
-50.00
-100.00
200.00
Phase [deg]
100.00
0.00
-100.00
-200.00
1
10
100
1k
10k
Frequency (Hz)
100k
1M
10M
100M
Cf=2700pF、 Rf=1Ω、 Cc=1pF、 Rc=1Ω
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位相補償 ステップ－２
Rfの定数設定
Rfを1kΩ～50kΩの範囲で小さい値からだんだん大きくし、下図の様に共振周波数の
左側にあるボトムでのゲインが、約20dB位になる値を探す
100.00
50.00
Gain (dB)
約20dB
0.00
-50.00
-100.00
200.00
Phase [deg]
100.00
0.00
-100.00
1
10
100
1k
10k
Frequency (Hz)
100k
1M
10M
100M
Cf=2700pF、 Rf=8.2KΩ、 Cc=1pF、 Rc=1Ω
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位相補償 ステップ－３
Ccの定数設定
Ccを10pF～2000pFの範囲で小さい値からだんだん大きくし、下図の様に共振周波
数での位相余裕が約30度位になる値を探す
100.00
Gain (dB)
50.00
← ゲインの盛り上がり発生
0.00
-50.00
-100.00
200.00
100.00
Phase [deg]
位相余裕 約40度
0.00
-100.00
-200.00
1
10
100
1k
10k
Frequency (Hz)
100k
1M
10M
100M
Cf=2700pF、 Rf=8.2KΩ、 Cc=330pF、 Rc=1Ω
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位相補償 ステップ－４
Rcの定数設定
Rcを100～10kΩの範囲で小さい値からだんだん大きくし、下図の様に共振周波数の
右側でのピークを無くし、ゲインカーブが単調減少するように調整する
100.00
50.00
Gain (dB)
ゲイン 約20dB
0.00
帯域
約90KHz 弱
-50.00
-100.00
200.00
100.00
Phase [deg]
位相余裕 最悪ャCントで約40度
0.00
-100.00
-200.00
1
10
100
1k
10k
Frequency (Hz)
100k
1M
10M
10...
