¿Por qué el margen de fase se considera más importante que el margen de ganancia en los convertidores dc-dc?

Para muchos convertidores DC-DC hay un filtro de paso bajo "bastante" resonante involucrado en la salida y cambia su ángulo de fase "bastante" rápidamente de 0 grados a 180 grados en una parte corta del espectro. Aquí está la idea general usando L = 100 uH y C = 100 uF con una resistencia en serie de inductor efectivo de 0.3 ohmios: -

Fuente de la calculadora .

Entonces, en esta área es posible experimentar inestabilidad (debido al sistema de retroalimentación que intenta mantener Vout en un nivel constante). El ángulo de fase cambia 180 grados para que pueda convertir la retroalimentación negativa en una retroalimentación positiva límite. La solución es aplicar un circuito de adelanto de fase "dentro del bucle" que evita que el ángulo de fase alcance cerca de 180 grados mientras la amplitud sigue siendo mayor que la unidad.

Esto eleva el ángulo de fase de línea de base (aproximado a frecuencias más altas) a algo mucho menor (y más estable) que 180 grados. Tenga en cuenta que el amplificador de silicio utilizado en el bucle de retroalimentación caerá a la ganancia unitaria, por lo general muchas veces más alto que el punto de cruce del filtro. Ese punto de ganancia unitaria es donde se define el margen de ganancia y, por lo tanto, no debería estar relacionado en gran medida con el punto de cruce de la red LC.

Entonces, de inmediato, la "charla" preferida es sobre el margen de fase y contrarrestar lo que el circuito LC le hace al ángulo de fase. La carga en la salida puede ser bastante ligera y esto elevará la altura del pico resonante y, por lo tanto, el punto en el que la ganancia pasa por la unidad cambiará a una frecuencia más alta pero, para el cambio en el ángulo de fase, esto ocurrirá cerca de Fn y será esta parte del espectro la que le dé el mayor dolor de cabeza a un diseñador.

En otras palabras, sabemos cuál es el peor de los casos: la fase cambia rápidamente, por lo tanto, hablamos de usar un compensador de fase para evitar que el ángulo de fase se convierta en 180 grados.

Este tipo de aplicación se presta para discutir el margen de fase en lugar del margen de ganancia.

En general, aunque hay excepciones, advertencias y sutilezas, el margen de fase le brinda más información sobre cómo se verá la respuesta del sistema. Por ejemplo, cuánto sobreimpulso y timbre puede esperar debido a los transitorios de carga. También puede decirle si se puede obtener más rendimiento al aumentar el ancho de banda de su bucle (porque el margen de fase es alto).

Por lo general, muchos diseñadores usan 45 grados como el margen de fase aceptable mínimo absoluto sobre las tolerancias de los componentes, etc. y 60 como un objetivo típico.

El margen de ganancia también es importante, pero no brinda tanta información sobre la respuesta del sistema. Le dice cuánta variación en la ganancia del sistema puede soportar antes de que el sistema se vuelva inestable. Un objetivo típico podría ser 12dB.

Un enfoque de diseño típico es usar un modelo para diseñar la compensación que apunta a un cierto margen de fase. Luego simule tal vez usando técnicas de Monte-Carlo, verificando para asegurarse de que cumple con su margen de fase mínimo y un margen de ganancia razonable. Si cualquiera de los dos está apagado, itere el diseño. Finalmente, mida la respuesta en el laboratorio para asegurarse de que se correlaciona.

En general, para todos los sistemas con retroalimentación, el margen de fase es más importante (más crítico) que el margen de ganancia. La explicación es relativamente simple: el margen de fase (resp. el margen de ganancia) le proporciona el cambio de fase adicional (no deseado) (resp. la ganancia adicional) que llevará el circuito cerrado a la región de inestabilidad.

Y la probabilidad de que en cualquier lugar dentro del circuito de retroalimentación ocurra un cambio de fase adicional (oculto) (por ejemplo, debido a efectos capacitivos desconocidos) es mucho mayor que la posibilidad de cualquier mejora de ganancia no deseada. Por lo tanto, el margen de fase es un indicador de estabilidad mucho más crítico que el margen de ganancia.