你們都是如何做 DC/DC 的 system simulation?

mt7344

因為這些都是非線性的系統!
假如一開始就用 SPICE 實在太花時間!
而且也有 Try & Error 的感覺?
所以  有此經驗的大大們  可以分享一下嗎?

kmchen3089

哇 finster 真厲害
講解清楚 想必是大有研究
對了 請問PFM (NOT PWM) 之stability 要如何分析
我問過一高手(Professor)
He said PFM ckt itself must would be stable so does'nt need freq compensation
不知大大之看法如何
對了metal width 是要以transient PEAK current or AVERAGE  current 來估算

finster

就我個人的經驗來說
PFM算是很簡單的DC-DC電路,比較不會有太大問題,只要細心點,要實現它的功能並不難,而且它的效率也可以很直觀的加以作出最佳化
至於另外一種PWM DC-DC電路,我覺得它的難度就遠比PFM難上很多
PWM DC-DC的組成核心電路共分兩大塊,分別是ramp/pulse oscillator和error amplifier
ramp/pulse oscillator的困難處在於造出一個具有高線性度的ramp waveform,電路雖然不難,但,如何作到好就頗具難度,再者,通常為了維持高線性度,大都會額外再加個補償電路來解決
而至於error amplifier,目前有type II和typ III兩種補償架構,而要如何決定type II及typeIII補償電路中的R及C值就需考量整體DC-DC
而error amplifier看似簡單,但,R,C的值卻會決定整個DC-DC系統的穩定度與效能,所以,若然不是非常了解及熟悉整個理論基礎的,冒然的定出R,C值是非常不智的

在作DC-DC電路前,我個人是自己寫了一個MATLAB計算程式
將我所需要的input voltage, output voltage,操成頻率等參數值帶入,接著用MATLAB來計算出我要使用的電感,電容值,type II或者type III補償R,C值各為多少後
然後才用hspice來作各個子電路的模擬
不過,用hspice來作模擬所需花費的時間實在很長,建議若有spectre這套軟體,倒是可以拿來用
速度比起hspice快上很多,模擬出來的結果和hspice差不多,不過,個人在用spectre時,有時會出現一些怪現象,這時就需要自己去判斷這些怪現象是正常還是這套tool的bug

在我作的DC-DC電路中,最難的當屬PWM的error amplifier,一個R,C值沒決定好,連帶的整個系統的performance都會受到影響,在不斷的調整中才會漸漸理出個頭緒出來,要想定出R,C值,真的要熟稔整個PWM的理論架構
而除了errr amplifier外,最麻煩的當屬protection circuit,在DC-DC電路,用到很多protection circuit,如soft-start circuit, under voltage lock out, current liming circuit, thermal shut-down circuit, over current protection, zero current protection等等,各有不同的保護對象與條件,一個不小心處理就會把DC-DC system弄到當掉,而且各個protection機製又有優先權的區分,誰先誰後可不能弄不清楚,所以這些protection circuit是最麻煩處理的一塊

finster

基本上PFM幾乎沒有stability的問題
這點,你可以從PFM的整體架構和function來推的話,應該就會發現PFM沒有所謂stability問題
在PFM架構中,要注意的只有clock(delay time),因為這個block會影響PFM是否正常工作(它不會造成不穩定的問題,但有可能會造成PFM無法動作)
而在應用上,會用到PFM的都是輕負載的狀況下
因為PFM在輕負載的環境下,其效率會比在重負載好很多,不過,PFM有一個很嚴重的致命傷乃在output voltage的ripple值比起PWM來的大很多
一般在system中所要求的output voltage ripple通常不能太大,而若使用PFM的話,我想絕大部份大概都會法符合規格
就我所知道,目前的system中絕大部份會有PWM和PFM兩種switching regulator
在正常的情況下操作在PWM下,如果system進入省電模式,則會進入PFM
這是因為PWM和PFM兩者在輕/重負載下各有其優缺點,以往的system幾乎都只工作在PWM下
這幾年因為綠色能源意識抬頭,所以也才漸漸有PWM/PFM兩種混用的switching regulator

至於metal width,絕大部份都是以average current來估算
不過,仍要小心避免其transient peak current過大,且流過的時間過長的問題
因為一旦transient peak current的值過大,且維持的時間過久,仍然有機會會把meal給燒斷掉
一般要避免transient peak current過大,不外乎加大外部的電容,但這要配合調整外部電感
另外一個則是從電路上著手,尤其在PWM,本身就是工作在重負載的環境下,其transient response一定要看output current loading從沒有到有,再從有到沒有的情況,一旦其transient response不好,一定要設法讓其穩定
不然不只system會不穩定,連帶的也會讓transient peak current的流過時間變長,容易讓metal有燒毀的可能

kmchen3089

Thanks a lot for  finster's reply
(辛苦你了,感恩!)
你真是大有研究
真是厲害!
不過想問
(1) PFM 屬於負feed back loop
why 一定stable (有什麼公式及article可reference?)
(2)clock(delay time)是指誰造成之delay?and why 會造成PFM無法動作?
(3)PFM or PWM boost converter 有latch up issue嗎?
(4)PFM or PWM boost converter 之ouput pad 有ESD diode嗎
(5)以前我用FAN4855 PFM boost converter ,發生有時FAN4855上電源
後 ,電源供應器之output被拉low
而造成PFM output voltage不正常
(但 電源供應器之output current 已設定
大於PFM   boost converter power on initial 時
或  PFM boost converter steady state 時 所吃之current
且電源供應器之output voltage 已設定為大於PFM  IC's  Vin,minimum)

不知大大之看法如何?
thanks a lot

finster

1 & 2. 閉迴路有分正回授和負回授兩種,而要判斷此閉迴路是正回授還是負回授,乃是依據output端的回授路徑拉回到input端作混合的信號是正還是負,一般除了理論的推導來判斷之外,另外一種方式則是利用打斷回路作AC analysis來看phase margin
我之前曾找過PFM的paper,結果IEEE的paper研究方向幾乎都是在探討PWM,若有PFM的話,大概也只有簡單的function block,甚少有其架構探討,而有關PFM的資料,我是從MAXIM及NATIONAL等DC-DC大廠的datasheet中介紹PFM的產品中所知到的知識與推導其function,至於書本方面,也甚少討論到PFM,幾乎也都是以PWM為主,所以,能夠完整了解PFM的介紹的實在少之又少
不過,這或許也是因為PFM本身的架構算是很直觀,所以一般大概只要稍微推一下MXIM或者NATIONAL等大廠有關PFM的datasheet,大概就能夠明瞭PFM的動作原理

緊接著要說明一點的是,PFM的架構大同小異,所以,只要能夠理解其中一家PFM的datasheet的function block的動作,其他家的大概就能夠理解,而PFM之所以不用考慮stability issue,就以FAN4855的function block來說,那是因為PFM受到Variable On-Time One Shot和Minimum Off-Time Logic兩個數位邏輯控制它的反應時間(你也可以稱之為clock or delay time),因為這兩個數位邏輯電路,使得PFM會在幾近固定的時間作出反應,故而會使得PFM不會有stability issue,PFM在比出從output端拉回來的電壓和reference voltage相比之後,緊接著受到Variable On-Time One Shot和Minimum Off-Time Logic來控制,這時就己經變成數位邏輯的clock(delay time)控制
但PWM就不同了,PWM在比出從output端拉回來的電壓和reference voltage相比之後,因為它是利用type II or type III的error amplifirer所產生出來的analog output sine waveform,緊接著又作pulse-width modulation來送出控制信號到Power MOS,所以會有stability考量,這是PWM/PFM兩者最大的差別,同時也是決定出兩者工作在輕負載和重負載的因素

而我之所以會提到會造成PFM無法工作的原因,乃是在Variable On-Time One Shot和Minimum Off-Time Logic這兩個參數沒有設好,會導致PFM無法正常工作,因為這兩個參數需要考量PFM的工作頻率,太快或者太慢都會間接影響外部電感和電容值的選擇,一般而言,input voltage和output voltage及提供的負載電流會決定外部電感和電容值,然後再依據此值來計算出這兩個參數值應為何較合理

3 & 4. latch up issue和ESD diode的問題
假若,你是用bjt製程,通常較不用擔心latch up issue,若是用CMOS製程的話,在layout部份則要小心latch up,這是因為在CMOS製程裡,latch up是藉由寄生的pnp和npn來形成latch up,所以在Power MOS部份,只要是有同時用到Power PMOS & NMOS,在layout部份儘量讓兩者隔開一點,並且圍ring來避免latch up即可,若只有單一個Power PMOS或者單一個Power NMOS,那latch up issue發生的機會就會小很多,不過若是其他PAD同時有接到PMOS和NMOS的話,也要注意會否有latch up的問題
至於ESD diode,這是一定要的,任何I/O PAD均會有ESD protection diode(device),所以,只要有放I/O PAD,就會有ESD protection device

5. 因為我沒有用過FAN4855 PFM boost converter ,同時也不知道你在板子上是如何接法的,所以實在無法從這個樣子的敍述中作出判斷,不過,如果電源供給器會被拉到low的話,那表示板子上可能有某一處有被短路,所以才會造成這個樣子的問題,而這時,電源供給器會輸出極大的電流,極有可能會遠超出FAN4855 PFM boost converter所能容忍的電流

amj45

版主看起來對電源管理一定非常有研究....真是佩服...
做系統的RD通常對於AC-DC端是非常陌生的...
希望版主多多指教~讓我們了解更多些~

kmchen3089

Thanks a lot for  finster's #6  reply
我只能說很佩服你的專業
You are great !
&感恩你打字之辛苦
(辛苦你了,感恩!)

haibianxia2008

我是初学者，看到你的讲解后，明白了不少，但是我对FM的斜波补偿还是不了解，能提供一些资料吗，我的邮箱是：wangshuqi2006@163.com谢谢！

yami945o

看完了以上所有的回覆...
finster 想必是在 Power IC 設計領域的人才吧~~
不知 mt7344 是否也是呢??

在下我目前也正在 Power IC 從事 Design 的工作 (PWM Boost, PFM Boost, LDO摸過一點點)
但是很不才的也有一樣的疑惑，如果可以，也超想懸賞可以拿到用 Matlab 模擬的方法...
因為目前很汗顏的都還是用 SPICE 在模擬... 常會在PWM補償耗費許多時間...
和 mt7344 感受相同，似乎有 Try error 的感覺~~
是我經驗還不足吧~~

有這樣分享的地方很讚~~
如果能有更深入的討論，相信會更有幫助~

monkeybad

用try & error的方法真的能試出來嗎? 應該很難吧! 而且也會浪費很多時間!
誤差放大器的補償 我覺得需先用Matlab模擬整個系統的波德圖 不然R C值這麼多種組合要如何try勒?
finster大大講的很對 要訂出R C值 真的要對整個PWM系統有充分的了解!
所以首先要推導PWM的小訊號模型 也就是開迴路的轉移函數
第一步必須先把PWM開關模型用平均的model表示
可參考paper
V. Vorpérian, "Simplified Analysis of PWM Converters Using the Model of the PWM Switch: Parts I and II"
再來就是整個loop推導
電壓模式控制比較簡單 幾分鐘就可以推出來了 比較難的是電流模式 因為包含兩個迴路
而且是一個非線性時變系統!而且還要加slope compensation
我看NS LM3430 LM3477裡面都有附公式 然後根據系統的頻寬 開關頻率 相位等等去計算所需的R C補償電路
NS網站上就抓得到了! Datasheet裡面真的寫的很詳細喔!
至於電流模式公式推導不是三言兩語就能解決 我找到一些paper 放在我之前討論主題裡面
有興趣可以看看 看不懂就算了 至少了解整個運作方式 再根據公式下去計算就好了!

happybull

PFM works at light load and converter is in DISCONTINIUE. That means the feedback loop is BROKEN. So it is unconditional stable.

happybull

Some IC softstart consume a spike current. If you set your powersupply current limit low, power supply output will be pull down by the IC  startup transient current


(5)以前我用FAN4855 PFM boost converter ,發生有時FAN4855上電源後 ,電源供應器之output被拉low; Q. Z7 W+ z6 h$ c- o
而造成PFM output voltage不正常
但 電源供應器之output current 已設定
大於PFM   boost converter power on initial 時
或  PFM boost converter steady state 時 所吃之current
且電源供應器之output voltage 已設定為大於PFM  IC's  Vin,minimum)

[ 本帖最後由 sjhor 於 2007-11-12 09:02 AM 編輯 ]

happybull

The answer is NO.
I think the output PAD you mentioned is LX pad. The LX PAD is always protected by power N or PMos it self. (99% ICs )

planet1114

PFM(ex. constant on time)一般來說是HYSTERESIS TYPE,不需要補嘗,應該不需要考慮stability issue.
可是如果用MLCC電容的話,因為沒有ESR,可能會造成subharmonic unstable.

blueskyren2001

学习了，希望有PFM方面的资料分享，谢谢！！！！

ppliu

推您的詳細經驗分享,對我才綱要踏入這個領域的小鬼來說受益匪淺,感恩

c3a1t039

請問soft_start電路是因為什麼需要?我知道在做ERR AMP補償迴路時，
都一定需要有這電路，但是確切原因我不是很了解。

Zuman

請問soft_start電路是因為什麼需要?我知道在做ERR AMP補償迴路時，
都一定需要有這電路，但是確切原因我不 ...
c3a1t039 發表於 2010-3-29 04:34 PM

    以buck为例，由于在芯片启动时，输出电压为low，使得占空比很大，导致功率管有很大是瞬态电流，容易损坏器件~~

innochipper

soft_start電路可以避免大的 inrush current.