Closed-loop control
Load regulation
컨버터는 초기에 출력 전압을 제어하지 않는 개방 루프(Open Loop) 조건에서 테스트됩니다. 다음 단계는 출력 전압을 조절하기 위해 제어 루프를 닫는 것입니다.
폐쇄 루프(Closed Loop) 제어에서 Buck Convertor를 실행하려면 #define RUN_OPEN_LOOP 코드 행을 찾아서 // #define RUN_OPEN_LOOP로 변경하여 주석 처리합니다. 프로젝트를 다시 빌드한 다음 코드를 다운로드하고 디버그합니다.
컨버터가 실행되면 디지털 FMAC 보정기가 DAC 레지스터 값을 업데이트하여 컨버터의 부하 변화를 조절합니다. 부하 조정은 조이스틱을 사용하여 온보드 부하를 변경하고 출력 전압의 변화를 측정하여 테스트할 수 있습니다.
Transient response
온보드 로드를 통해 사용자는 폐쇄 루프 디지털 전원 공급 장치에서 transient response(과도응답) 테스트를 수행하여 컨트롤러의 성능을 평가할 수 있습니다. transient response 테스트는 구현된 컨트롤러가 안정적인지 여부, 응답 속도 및 시스템에 충분한 위상 여유가 있는지 여부를 결정하는 유용한 방법입니다.
변환기의 transient response은 오실로스코프를 사용하여 측정할 수 있습니다. transient response을 측정하려면 다음과 같이 오실로스코프를 설정하십시오.
• Channel 1 -> Connect to header marked Vout
• Channel 2 -> Put probe tip in the hole marked TP1
• Set coupling on Channel 1 to AC and set the volts per division to 20 mV
• Set the horizontal scale, in seconds per division time base, to 100 µs
• From the Trigger Menu: Set the trigger to the falling edge of Channel 2 and set the Mode to Normal.
파란색 조이스틱의 위쪽 화살표를 눌러 부하를 transient-mode로 설정합니다. 주황색 로드 LED는 이제 0.5초 간격으로 깜박여야 합니다. 녹색 LED가 켜지면 부하가 50%로 설정됩니다. 두 LED가 모두 켜져 있으면 부하가 100%로 설정됩니다. 그러면 50% ~ 100% 부하 과도 상태에서 오실로스코프에서 언더슈트 및 안정화 시간을 관찰할 수 있습니다.
이 디스커버리 키트와 함께 제공된 예제 프로젝트를 사용하여 컨버터는 그림 83과 같이 잘 조정된 제어 루프를 가질 수 있습니다.
그림 83
그림 83은 50% ~ 100% 단계 부하 transient 상태에 대한 폐쇄 루프 디지털 Buck Convertor의 transient response을 보여줍니다. 이때 안정 시간은 300µs 미만이고 언더슛은 50mV 미만이며 링잉이 없습니다.
Impact of crossover frequency on the transient response
그림 83에서 컨버터의 transient response은 안정적이고 잘 설계된 컨트롤러를 나타냅니다. 이것은 이 애플리케이션 노트의 섹션 6에 자세히 설명된 컨트롤러를 사용하는 것입니다. 컨트롤러는 4kHz의 크로스오버 주파수와 50°의 위상 여유를 갖도록 설계되었습니다. 주파수 영역에서 크로스오버 주파수와 위상 여유를 선택하면 시간 영역에서 볼 수 있는 transient response에 영향을 줍니다.
예를 들어, ST-WDS를 사용하여 더 낮은 크로스오버 주파수를 사용하여 컨트롤러를 재설계하면 transient response 느려질 수 있는데 그림 84에 나와 있습니다. 이 플롯에서 컨트롤러는 2kHz의 크로스오버 주파수로 재설계되고, 이는 이전 컨트롤러의 절반입니다.
그림 84
따라서 크로스오버 주파수가 증가하면 transient response도 빨라지고 언더슈트가 감소합니다. 그러나 주파수가 높을수록 위상 침식이 더 심각해지고 루프 위상 마진이 감소하므로 크로스오버 주파수에는 상한선이 있습니다. 이산 시간 시스템의 위상 침식 문제는 섹션 5에서 자세히 설명되어 있습니다.
Impact of phase margin on the transient response
위상 마진은 제어 루프의 상대적 안정성을 측정한 것입니다. 위상 마진이 낮을수록 시간 영역에서 transient response이 더 진동합니다. ST-WDS는 낮은 위상 마진을 사용하여 컨트롤러를 재설계하는 데 다시 사용됩니다.
새로운 컨트롤러는 초기와 동일한 크로스오버인 4kHz로 설계되었지만 위상 마진은 30°입니다. 결과 컨트롤러 계수를 코드에 붙여넣은 다음 다시 컴파일하여 MCU에 다운로드할 수 있습니다. 위상 여유가 30°인 시스템에 대한 transient response이 그림 85에 나와 있습니다.
그림 85
그림 85에는 과도 상태 이전에 출력 전압 파형에 여러 진동이 있고 transient 상태에서 정상 상태로 다시 복구하는 동안 작은 오버슈트가 있습니다. 초기 복구 시간은 위상 마진이 50°일 때보다 짧지만 출력 전압이 원하는 설정점에서 오버슈트하므로 전체 복구 시간이 더 길어집니다. 위상 마진이 더 줄어들면 진동이 감쇠하는 데 더 오래 걸립니다. 위상 마진이 0°이면 시스템이 무한정 진동할 수 있습니다.
Bode plot measurement under closed-loop control
Buck Convertor의 실제 루프 응답은 주파수 응답 분석기를 사용한 측정을 통해 확인할 수 있습니다. 이 애플리케이션 노트에서는 Omicron Lab의 Bode 100 벡터 네트워크 분석기를 사용하여 측정을 수행합니다. Bode 100은 사인파 신호를 전원 공급 장치의 피드백 루프에 주입하고 해당 신호가 컨트롤러와 플랜트 전력 단계를 통과할 때 어떻게 변하는지 측정합니다.
루프를 측정하려면 디스커버리 키트를 약간 수정해야 합니다. 출력 전압의 피드백 경로를 차단하고 주입 저항을 삽입해야 합니다. 그런 다음 주입 변압기가 이 저항기에 연결됩니다. 주입 변압기는 루프를 닫는 데 사용되는 피드백 전압에 Bode 100의 사인파 신호를 중첩합니다.
이 수정에 대한 개략도는 그림 86에 나와 있습니다. 그런 다음 측정 프로브를 다음과 같이 연결합니다. CH1(또는 제어 측정 지점)은 출력 전압에 연결되지 않은 주입 저항의 끝에 연결됩니다. 그런 다음 CH2(또는 출력 측정 지점)는 출력 전압에 직접 연결된 주입 저항의 끝에 연결됩니다. 프로브의 접지는 이것에 가장 가까운 GND로 표시된 헤더에 연결될 수 있습니다. 이 보드에는 기본적으로 JP2 및 JP3이 장착되어 있지 않습니다.
그림 86
루프의 정상 상태 응답에 영향을 주지 않고 연속적으로 부드러운 측정 결과를 제공하도록 조정된 신호 주입 레벨과 함께 100Hz ~ 100kHz의 주파수 스윕을 권장합니다(스위칭 주파수의 최대 절반). 깨끗한 연속 측정이 이루어지면 그림 87과 같이 Omicron Lab의 Bode Analyzer Suite에서 .bode3 파일을 저장한 다음 ST-WDS로 가져올 수 있습니다.
그림 87
그림 87에서 루프(제어에서 출력으로) 전달 함수의 실제 측정은 검은색 트레이스로 표시됩니다.
이것은 녹색으로 표시된 시뮬레이션된 루프와 비교됩니다. 크기 플롯은 시뮬레이션된 루프 응답과 측정된 루프 응답 사이의 좋은 상관 관계를 보여줍니다. 이 응답은 시뮬레이션에서 4kHz, 측정 시 3.56kHz입니다.
위상 응답은 주입된 주파수가 샘플링 주파수의 절반에 도달할 때까지 모든 주파수에서 잘 일치합니다. 이 Nyquist 주파수에 접근하면 위상이 롤오프되고 주변을 둘러싸는 존재가 됩니다. 다른 부하에서 크로스오버와 위상 마진을 확인하는 것도 현명합니다.