Por qué oscila un regulador conmutado
El margen de fase explicado sin un curso de control.
- Lección 10 de 10
- Intermedio
Un regulador que oscila no está roto como lo está una pieza cortocircuitada. Todos los componentes están dentro de especificación y el esquema es correcto. Lo que ha salido mal es una propiedad del lazo entero, y no se ve mirando ninguna pieza por separado.
Esta lección explica la teoría de control justa para diagnosticar eso, y se para ahí.
Respuesta rápida. Un regulador conmutado mide su salida, la compara con una referencia y corrige. Esa corrección tarda, y el filtro de salida añade retardo por su cuenta. Si el retardo total llega a medio ciclo a la frecuencia en la que el lazo todavía tiene ganancia, la corrección llega en fase con el error y lo refuerza. El margen de fase es cuánto retardo te queda antes de que eso pase, y un objetivo habitual son 45 grados o más.
El lazo
Cuatro cosas en anillo:
- La etapa de potencia convierte una señal de control en una tensión de
salida.
- El filtro de salida, la bobina y el condensador, la suaviza e
introduce retardo de fase.
- El divisor de feedback escala la salida para compararla.
- El amplificador de error y la compensación la comparan con una
referencia y producen la señal de control.
La ganancia de lazo es lo que le pasa a una pequeña perturbación después de dar la vuelta entera. Si el lazo devuelve algo más pequeño de lo que entró, la perturbación se apaga. Si devuelve algo igual o mayor, y en fase, se mantiene o crece, y eso es oscilación.
Ganancia y fase, y por qué importan las dos
Dos magnitudes describen el lazo en cada frecuencia: cuánto multiplica una señal y cuánto la retrasa.
A baja frecuencia la ganancia es alta, que es lo que hace precisa la regulación. Al subir la frecuencia la ganancia cae, y en algún punto pasa por 1, o sea 0 dB. Ésa es la frecuencia de cruce, y ahí se decide la estabilidad, porque es la frecuencia más alta a la que el lazo todavía puede sostener algo.
Mientras tanto el lazo añade retardo de fase. Un lazo de realimentación invierte por diseño, que son 180 grados. El filtro de salida añade más. Si ese retardo extra llega a otros 180 grados en la frecuencia de cruce, el total son 360, la realimentación se ha vuelto positiva y el lazo sostiene la oscilación.
El margen de fase es cuánto te falta para eso en el cruce. Sesenta grados de margen significan que quedan 60 grados de retardo adicional disponibles antes del problema.
Qué significan los números en la práctica
| Margen de fase | Comportamiento |
|---|---|
| Por debajo de unos 30° | campanilleo marcado, establecimiento largo, al borde |
| 45° | el objetivo clásico, algo de sobreoscilación, sin campanilleo |
| 60° | bien amortiguado, respuesta limpia a transitorios |
| Muy alto | estable pero lento para corregir |
El material de lazo de control de Texas Instruments describe 45 grados como una buena respuesta con algo de sobreoscilación y sin campanilleo, y toma 45 grados o más como objetivo de diseño. Analog Devices lo plantea como una banda: considera inestables los márgenes por debajo de unos 40 grados y describe de 40 a 70 grados como el rango útil.
Los dos coinciden en la región. Discrepan en dónde poner exactamente la raya, lo cual recuerda que son objetivos de ingeniería y no constantes físicas.
El margen de ganancia es la cifra acompañante: cuánto podría subir la ganancia antes de llegar a 0 dB en la frecuencia donde la fase ya ha alcanzado el valor crítico. Importa porque la ganancia varía con el punto de trabajo, y un lazo con buen margen de fase y poco margen de ganancia puede portarse mal cuando cambian las condiciones.
Dónde poner el cruce
Un cruce más alto significa respuesta más rápida a escalones de carga, porque el lazo reacciona antes. También significa que el lazo sigue activo más cerca de la frecuencia de conmutación, donde el propio rizado puede confundirse con señal.
Las fuentes no coinciden en el límite. Texas Instruments da una regla de entre un quinto y un décimo de la frecuencia de conmutación. Analog Devices recomienda no pasar de un décimo. La cifra conservadora es el décimo, y la lectura honesta es que entre fsw/10 y fsw/5 estás cambiando velocidad de respuesta por inmunidad al ruido, y que la parte alta de ese rango exige más cuidado.
Para el ejemplo del curso a 500 kHz:
fsw / 10 = 50 kHz fsw / 5 = 100 kHz
Así que un cruce entre 50 kHz y 100 kHz, con 50 kHz como punto de partida más seguro.
Polos, ceros y el filtro de salida
Dos términos, dichos en llano.
Un polo hace que la ganancia empiece a caer y añade hasta 90 grados de retardo. Un cero hace que la ganancia empiece a subir y añade hasta 90 grados de adelanto, que recupera fase.
El filtro LC de salida aporta un polo doble, o sea hasta 180 grados de retardo, a una frecuencia que fijan la bobina y el condensador. Eso solo es todo el presupuesto de fase, y por eso existe la compensación: añade ceros que recuperan fase alrededor de la zona de cruce.
La ESR del condensador de salida también aporta un cero. En diseños montados con electrolíticos ese cero formaba parte del plan de estabilidad, y por eso cambiar a capacidad de salida toda cerámica puede desestabilizar un diseño antiguo: le quita un cero con el que contaba la compensación.
Éste es el mecanismo que hay detrás del aviso de la lección 7: añadir capacidad de salida no es automáticamente más seguro. Baja el polo del filtro, lo que cambia la fase en el cruce, y que eso ayude depende de dónde puso sus ceros la compensación.
Piezas compensadas por dentro y por fuera
La distinción decide cuánto de esto es problema tuyo.
Los dispositivos compensados internamente llevan la red de compensación en el dado. El fabricante la eligió para un rango definido de capacidad de salida e inductancia, y por eso la hoja da un rango y no un mínimo. Tu trabajo es quedarte dentro de los rangos especificados, y el trabajo de estabilidad ya está hecho dentro de esos límites. Salirse de ellos es donde los diseños se meten en problemas, y el síntoma no es un mensaje de error, es campanilleo.
Los controladores compensados externamente sacan la salida del amplificador de error a un pin y esperan que montes tú la red. Ganas control sobre el cruce y el margen, y la responsabilidad sobre ellos. La hoja del dispositivo da un procedimiento de diseño, y ese procedimiento es la autoridad para esa pieza.
En los dos casos, lo que diga el fabricante manda sobre cualquier regla general. Una regla de oro que contradiga la hoja de la pieza que tienes delante pierde.
Cómo saber si el tuyo es estable
Sin un analizador de respuesta en frecuencia, tres pruebas prácticas:
Respuesta a un escalón de carga. Aplica un escalón y mira la salida. Una sobreoscilación limpia que se asienta en uno o dos ciclos sugiere margen sano. Varios ciclos de campanilleo sugieren margen de fase justo. Una oscilación mantenida no deja dudas.
Varía el punto de trabajo. La estabilidad puede depender de la tensión de entrada y de la carga. Un lazo que va bien en nominal y campanillea con poca carga o con entrada alta es marginal, no estable.
Mira la forma de onda de conmutación. El jitter en la anchura de pulso o la alternancia de pulsos anchos y estrechos suele indicar problema de lazo y no un artefacto de medida.
Donde importe, medir la ganancia de lazo directamente con un transformador de inyección y un analizador de redes es la respuesta de verdad, y es práctica rutinaria en diseños donde las consecuencias justifican el montaje.
Dónde termina este curso
Diez lecciones, una costumbre: sigue la corriente y después pregunta qué hace el lazo que la rodea. La topología decide por dónde va la corriente, los componentes deciden cuánta, el layout decide con qué se acopla y el lazo de control decide si todo el conjunto se asienta.
Una hoja de características te dará valores para todo ello. Lo que no te puede dar es el motivo, y el motivo es lo que necesitas el día en que la disposición estándar no encaja.
Fuentes y lecturas recomendadas
- Texas Instruments: Control Loop Cookbook (SLUP113) — ponencia, objetivos de margen de fase y modelado del lazo.
- Texas Instruments: Power Supply Design Seminar, compensación (SLUP340) — ponencia, recomendación de frecuencia de cruce y diseño de la compensación.
- Analog Devices: Power Supply Design, How Bode Plots Can Help — artículo técnico, rangos de margen de fase y recomendación de cruce.
- Texas Instruments: hoja de características LM60430 / LM60440 — hoja de características, dispositivo compensado internamente con rango de capacidad de salida especificado.