Alim à découpage, ondulation et réponse transitoire: Cout faible et low ESR?

[jlcms]

Bonjour,

Je suis en train de définir une alimentation à découpage.
C'est un BOOST avec un Vin=12V et Vout=18,5V@500mA, ce circuit fonctionne à 800KHz. J'utilise un circuit LTC3957 pour cette opération.
A la suite de mon régulateur à découpage j'ai un régulateur linéaire (LT1761-SD) qui régule à 18V.
Mon but est double:
- je cherche à avoir une ondulation résiduelle minimum (inférieure à 5 ou 10mV).
- je cherche à obtenir une réponse au transitoire de consommation la moins marquée possible (inférieure à 100mV).

Après de nombreux essais, et des calculs à la main j'en ai conclu:
- que l'inductance du BOOST ne doit pas être trop forte, même si l'on veut de faibles ondulations.
- que le condensateur de sortie (Cout) ne doit pas avoir une forte capacité mais un très faible ESR.

En effet la combinaison L/Cout doit avoir une fréquence la plus haute possible de manière à permettre à la boucle de contre-réaction de réagir le plus rapidement possible. En revanche les ondulations de tension étant à l'image du courant de la diode par l'esr du condo de sortie, impose un ESR très faible. Exit donc les aluminium et les tantales et bonjour les céramiques.

Mon système est à peu près stable, mais j'ai encore une chute de tension de 0.6V quand je passe de .05A à 0.5A de conso; ceci fait que ma tension passe en dessous des 18.3V pour rentrer dans mon régulateur linéaire.

Pour l'instant j'ai deux solutions:
- augmenter mon 18.5V à 18.9V, mais c'est naze en terme de rendement.
- placer un filtre L/C derrière le régulateur à découpage, mais là j'ai très peur de fabriquer un oscillateur BF (je dois vraiment avoir moins de 40µV RMS sur la bande 20hz-40KHz)

Mes questions:
- est-ce que quelqu'un a déjà été confronté à cette problématique et comment s'en sortir proprement?
- Une autre topologie (SEPIC) peut-elle améliorer la situation?

(j'ai mis en pièce jointe le TXT du .asc de LTSPICE)
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[DAUDET78]

une chute de tension de 0.6V quand je passe de .05A à 0.5A de conso;

Aucun problème, le LT1761 ne peux sortir que 100 mA ..... donc tu n'auras jamais un appel de courant de 500mA !

[Aurélien]

Seulement 10µF de capa en sortie ? T'as essayé avec davantage ?

Aurélien

[jlcms]

Pour DAUDET78:
Effectivement ma description était imprécise.
Avec mon alim à découpage j'alimente plusieurs circuits régulés par plusieurs LT1761 (en tout 14).
Ces LT1761 alimentent à leur tour des Amplis OP qui provoquent une variation de consommation, suivant les signaux qu'ils suivent.
Chacun des LT1761 consomme 35mA...

Mon problème reste, mais merci de s'y être intéressé.

Au delà de la résolution de ce cas particulier comment gérer au mieux ondulation et réponse transitoire?

[A voir en vidéo sur Futura]

[jlcms]

Seulement 10µF de capa en sortie ? T'as essayé avec davantage ?

Aurélien

Oui j'ai essayé.

En fait la capa de sortie présente un ESR de 4mOhm. Dans ce type de montage ce n'est pas la capacité qui compte mais l'ESR.

Le courant dans l'inductance est lié au rapport de la tension d'entrée vers la tension de sortie dans mon cas Imax = 0.77A et l'ondulation est Imax*ESR=3mV

Une valeur de capacité plus forte entraîne des instabilités (la réponse L C étant trop lente) et les ondulations augmentent...

[DAUDET78]

Quel genre d'ampliOP? Ca consomme à peu près un courant constant? sinon, la charge ne consomme pas plus de 5mA variable ..... alors, un appel de courant de 500mA?

[jlcms]

Quel genre d'ampliOP? Ca consomme à peu près un courant constant? sinon, la charge ne consomme pas plus de 5mA variable ..... alors, un appel de courant de 500mA?

Non, les ampli op ne consomment pas forcément un courant constant
C'est pas le Iq de l'ampli op mais les résistances qui chargent l'ampli OP.

[DAUDET78]

Seulement 10µF de capa en sortie ? T'as essayé avec davantage ?

dans la doc du LT3957, ils conseillent de mettre deux capas de 10µF en sortie (page 24) .....

[jlcms]

dans la doc du LT3957, ils conseillent de mettre deux capas de 10µF en sortie (page 24) .....

Oui bonne remarque,
Le fait de mettre deux capas sécurise le montage et divise par deux l'ESR
Dans les exemples de la datasheet le transitoire est important entre 0.5V et 1V.

[Aurélien]

Salut,
Il faudrait je pense que tu surveilles aussi ce qui se passes en entrée.
Quel est ta source d'alim ? As tu également une tres bonne capa en entrée ? C'est presque aussi important que celle de sortie.
Evites d'utiliser des cables trop long depuis ton alim source, vérifie que celle ci ne chute pas trop lors d'appels de courant, et augmente ta capa d'entrée tout en diminuant son ESR.

Aurélien

[jlcms]

Voici ce qui ce passe avec les 20µF et donc un ESR de 2mOhms (deux ceram)

La chute de tension existe et est plus lente donc un peu plus difficile à stabiliser.

[jlcms]

Dans le cas d'une grosse capa tantale.
C'est impossible à réguler.

[jlcms]

Salut,
Il faudrait je pense que tu surveilles aussi ce qui se passes en entrée.
Quel est ta source d'alim ? As tu également une tres bonne capa en entrée ? C'est presque aussi important que celle de sortie.
Evites d'utiliser des cables trop long depuis ton alim source, vérifie que celle ci ne chute pas trop lors d'appels de courant, et augmente ta capa d'entrée tout en diminuant son ESR.

Aurélien

Il y a une capa en entrée de 47µF et ESR 150mOhm et elle semble conforme aux explications de la datasheet.
Dans le cas d'un BOOST la capa d'entré n'est pas critique par rapport à celle de sortie car le circuit "tire" toujours sur l'entrée et seul le delta I de l'inductance compte.
En revanche ta remarque est très pertinente pour un BUCK car le courant d'entré varie à donf.

Je vais toutefois faire des tests avec d'autres capas d'entrée.

[DAUDET78]

J'ai un gros doute? Tu es avec un fer à souder ou en simulation virtuelle?

[Tropique]

Le fichier asc que tu as posté ne correspond pas à tes screenshots.

[jlcms]

J'ai un gros doute? Tu es avec un fer à souder ou en simulation virtuelle?

Dans ce cas je n'en suis qu'au schéma et donc à la simul.

[jlcms]

Le fichier asc que tu as posté ne correspond pas à tes screenshots.

Pardon je me suis trompé,
j'ai remis un screenshot avec le fichier que j'utilise

[DAUDET78]

Dans ce cas je n'en suis qu'au schéma et donc à la simul.

Donc pour moi ... c'est du vent. Quand tu auras fait une maquette (en t'inspirant du circuit imprimé de la datasheet), on pourra voir où sont les vrais problèmes.

[jlcms]

Donc pour moi ... c'est du vent. Quand tu auras fait une maquette (en t'inspirant du circuit imprimé de la datasheet), on pourra voir où sont les vrais problèmes.

Ils seront au mêmes endroits.
J'ai toujours recalé spice et fer à souder.

[DAUDET78]

Ils seront au mêmes endroits.
J'ai toujours recalé spice et fer à souder.

Chacun a le droit d'avoir la religion qu'il veut

[Aurélien]

Daudet, un circuit qui marche en simu ne marche pas forcément en pratique, mais l'inverse est peu probable : si ça marche pas en simu, je doute que ça s'améliore en pratique...

[Qristoff]

Salut,

Mon but est double:
- je cherche à avoir une ondulation résiduelle minimum (inférieure à 5 ou 10mV).
- je cherche à obtenir une réponse au transitoire de consommation la moins marquée possible (inférieure à 100mV).

ce genre de performances s'obtient au niveau architecture de ton système d'alimentation et non pas en grattant sur les milli-ohms de l'esr des capas... je veux bien admettre que tu ai besoin d'un système "quiet" et d'un système avec des appels de courant, donc générateur de bruits. à mon sens, c'est l'architecture système qu'il faut revoir...

[jlcms]

Salut,
ce genre de performances s'obtient au niveau architecture de ton système d'alimentation et non pas en grattant sur les milli-ohms de l'esr des capas... je veux bien admettre que tu ai besoin d'un système "quiet" et d'un système avec des appels de courant, donc générateur de bruits. à mon sens, c'est l'architecture système qu'il faut revoir...

Oui je suis d'accord avec toi, mes valeurs de composants sont déjà travaillées et la situation n’évoluera pas beaucoup.
Attention toutefois la boucle de contre réaction peut être améliorée et les résultats sont parfois spectaculaires.

Mais alors quelle architecture pour faire du BOOST?

[DAUDET78]

Daudet, un circuit qui marche en simu ne marche pas forcément en pratique, mais l'inverse est peu probable : si ça marche pas en simu, je doute que ça s'améliore en pratique...

De la simu d'un circuit analogique à 800Khz , je suis très sceptique quand on chatouille un niveau de bruit en sortie d'alimentation .... et, comme saint Thomas, rien ne vaut de toucher de la vraie réalité

[Tropique]

Voici quelques idées:
Pour une faible ondulation en sortie, il est nécéssaire d'empiler quelques condos; ici on est à environ 8mVpp.

Pour optimiser la boucle d'asservissement dans ces conditions, la solution la plus évidente est de mettre un correcteur à avance de phase.

Voir exemple; ça entre dans le cahier de charges, mais ce n'est pas optimum, je n'ai pas fait ça de manière structurée mais c'est une base de départ.
Il y a moyen d'obtenir sensiblement mieux, il faut faire quelques estimations et faire un Bode plot dans quelques situations de charges, puis revenir en dynamique voir s'il n'y a pas de mauvaise surprise.

[jlcms]

Voici quelques idées:
Pour une faible ondulation en sortie, il est nécéssaire d'empiler quelques condos; ici on est à environ 8mVpp.

Pour optimiser la boucle d'asservissement dans ces conditions, la solution la plus évidente est de mettre un correcteur à avance de phase.

Voir exemple; ça entre dans le cahier de charges, mais ce n'est pas optimum, je n'ai pas fait ça de manière structurée mais c'est une base de départ.
Il y a moyen d'obtenir sensiblement mieux, il faut faire quelques estimations et faire un Bode plot dans quelques situations de charges, puis revenir en dynamique voir s'il n'y a pas de mauvaise surprise.

Merci pour le temps passé.

Pour les condos en sortie OK.

Pour le calcul de la boucle à avance de phase tu ferais comment?

- calcul de la réponse de L1+D1+(C1+C8+C9) en fréquence?
- réseau R10 et C7 pour avoir une phase opposée?
- limitation en fréquence de l'avance de phase?

[Tropique]

Idéalement, il faut d'abord faire une analyse du gain total, sans le correcteur, pour avoir une idée du comportement, voir les asymptotes, etc.
A partir de là, on peut prendre les décisions de départ sans faire d'erreurs trop grossières, sauf s'il y a des points d'inflexions proches et pas vraiment quantifiables par une analyse purement théorique.

Ce type de régulateur est en mode courant, comme la plupart des circuits actuels, ce qui permet "d'effacer" en grande partie la self du tableau.
La vitesse de l'asservissement sera donc essentiellement dictée par les réseaux de compensation en statique, et par les non-linéarités et les discontinuités de fonctionnement typiquement rencontrées lorsqu'on passe le seuil critique pour le régime dynamique. C'est surtout là que sont les difficultés.

Je ne sais pas comment c'est géré dans ce régulateur, s'il skippe des cycles ou s'il adapte la fréquence (ou s'il ne fait rien..).
Quoiqu'il en soit, ce genre de choses est presque impossible à prévoir par calcul, sauf si on investit énormément d'efforts, et à ce stade, il faut des simus pour avoir une idée réaliste de ce qui se passe.

Visiblement ici, ce genre de phénomène est à l'oeuvre: au début du créneau de charge, on a un comportement nettement linéaire, prévisble par les équations de base des asservissements, par contre à la sortie, ça se passe beaucoup plus mal, on voit qu'il y a des changements de régime, la forme d'onde a des "angles", et ça, ce n'est pas calculable avec les méthodes normales d'asservissements linéaires.

Et ce n'est pas la peine de perdre du temps avec les techniques de calcul d'asservissements non-linéaires, qui sont horriblement complexes et de toutes manières approchées.
C'est beaucoup plus simple de faire des essais et erreurs de manière raisonnée, pour arriver à une réponse dynamique acceptable.
Il faut faire les tests pour de nombreuses conditions de charge, tensions d'entrée, etc, parce que le comportement de ces systèmes est sérieusement imprévisible et contre intuitif.
Je regarderai plus en détails ce problème dès que j'en aurai le temps, ce sera probablement utile à d'autres que toi.

[jlcms]

La méthode que je vais utiliser pour prévoir le comportement (disons sur la partie linéaire) est de déconnecter la boucle d’asservissement sur le modèle et d'injecter un signal au niveau du feedback. On peut ainsi voir la réponse sur le Vout.
C'est une méthode conseillée par Linear, je l'avais vue dans la Datasheet du LTC3703 que j'avais déjà utilisé. Ils préconisent même de faire cette opération sur le circuit monté au fer à souder pour être sûr d'avoir les bons paramètres sur les composants (daudet78 va être content d'entendre ça)

Apparemment ce circuit, le LT3957, fonctionne en mode linéaire tant que les "perturbations" sont bien amorties, mais dès que l'on sort des clous il fait des rampes de folie.

Par ailleurs j'ai commencé à bricoler un peu les valeurs du réseau à avance de phase et j'obtiens maintenant une chute de tension en charge de 80mV.
Je vais maintenant faire l'exercice de tracer le diagramme de bode de tout le système (mais sans le réseau à avance) pour compenser son déphasage.

Encore merci pour tes remarques Tropique, car je suis assez impardonnable de ne pas avoir mis en place l'avance de phase dès le début (d'autant plus que je l'avais déjà mise en oeuvre sur des régulateurs en mode tension). Je pensait bêtement que le mode courant me dispensait de ce réseau!!!

Enfin la lecture du datasheet du LT3579 est assez instructive sur la mise au point de la compensation. Le LT3579 étant identique dans le principe au LTC3957 sauf que le transistor de commutation est bipolaire au lieu d'un MOS, et suivant la fréquence de commutation, l'un est plus intéressant, en rendement, que l'autre.

[bobflux]

En fait la capa de sortie présente un ESR de 4mOhm. Dans ce type de montage ce n'est pas la capacité qui compte mais l'ESR.

Oui, enfin, bon.

Ton boost sort un courant de sortie discontinu qui charge la capa de sortie pendant "un certain temps". Quand le boost est occupé à accumuler de l'énergie dans l'inductance (noeud SW à la masse et donc courant de sortie nul), le condensateur de sortie est la seule chose qui alimente la charge.

Tu dis que tu as du 12V en entrée, plaçons nous dans le pire cas...

Vin = 10V
Vout = 18V
Iout = 0.5A

En supposant un rendement de 100% :

Rapport cyclique D = 0.44
f = 800 kHz

(au passage, pour le filtrage si y'a des AOP derrière, tu as mis une capa traversante pour les harmoniques ?)

T = 1.25 us

Pendant D*T = 0.55 µs la capa sort 0.5A
Pendant (1-D)*T = 0.7 µs la capa reçoit le courant de l'inductance et sort toujours 0.5A

Quel est le deltaV ?...

i.dT/C = 0.5 A * 0.55 µs / 10 µF = 27 mV

Donc à l'état stationnaire tu as 27 mV d'ondulation à la sortie de ton boost.

> Le courant dans l'inductance est lié au rapport de la tension
> d'entrée vers la tension de sortie dans mon cas Imax = 0.77A et
> l'ondulation est Imax*ESR=3mV

Hé donc, non. C'est 10x plus.

A cette fréquence ton LDO a encore un peu de réjection (dans les 20 dB d'après la datasheet si bypassé correctement), c'est assez exceptionnel pour un LDO d'ailleurs. Par contre le PSRR de tes ampli op est à vérifier. Pour ce qui est des harmoniques, c'est une autre question.

Pour ce qui est de la réponse à un appel de courant qui est ta question d'origine :

- Il te faudra une compensation aux petits oignons, comme dit par Tropique. La réponse de ton régulateur à découpage dépend de ça.

- À quelle fréquence travaillent tes AOP ? Un AOP ne peut pas générer d'appel de courant plus rapide que la fréquence à laquelle il travaille (sauf si éventuellement il sature, ou tu as des circuits genre redresseur sans seuil etc)

[Tropique]

Voici le schéma équivalent que j'utiliserais pour étudier l'asservissement en linéaire.
Pour G1, je ne suis pas sûr, j'ai essayé de déduire la valeur d'après les données de la datasheet, mais ce n'est pas très clair: la valeur du shunt interne n'est pas donnée explicitement, et le rapport du sense dans le modulateur n'est pas évident non plus.
Sans doute qu'en épluchant plus en détails la doc, ou même en faisant des mesures sur le circuit simulé, on pourrait avoir les valeurs exactes.
Enfin, ça donne une idée.
En vert, c'est le circuit sans compensation additionnelle, les autres montrent différentes valeurs, on voit qu'on gagne à l'aise une quinzaine de dB dans la plage de fréquences interéssantes.