如何驗證DC/DC轉(zhuǎn)換器的相位裕度和負(fù)載響應(yīng)之間的折衷取舍問題呢？

可能許多人在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計中會發(fā)現(xiàn)，我們很難調(diào)整相位補償，如果調(diào)整得當(dāng)，對于穩(wěn)壓器輸出負(fù)載的變動，可以抑制調(diào)節(jié)器振蕩或輸出電壓的大幅波動。但是如果相位補償電路調(diào)整失敗并且相位裕度耗盡，則穩(wěn)壓器輸出端會產(chǎn)生較大的振鈴，最壞的情況可能是發(fā)生振蕩。因此我們需要在穩(wěn)壓器輸出振蕩和抑制負(fù)載而引起的輸出變化之間進(jìn)行權(quán)衡取舍，這次我們將通過調(diào)整相位補償電路，以檢查當(dāng)相位裕度設(shè)置為任意條件 (70°、60°、50°) 時，相位裕度對負(fù)載響應(yīng)特性的影響。

評估環(huán)境

本次測量將采用 ADI 的 LT8643S 評估板 (DC2658A)，LT8643S 是一款 42V 耐壓同步整流用 MOSFET 內(nèi)置降壓型 DC/DC。與原始評估板相比，LT8643S 唯一的變化是在反饋電阻 R7 之上增加了一個 100Ω 的信號注入電阻。

評估板設(shè)置

將評估條件分別設(shè)置為：輸入電壓 8V/12V/16V (3種情況)，輸出電壓 5V，對應(yīng)負(fù)載電流 1A/3A/6A (3種條件)，同時設(shè)置開關(guān)頻率為 2MHz，如下圖 (圖1) 所示：

圖1 LT8643S 評估板電路圖

測量環(huán)境

使用穩(wěn)壓電源 KIKUSUI PAN35-20E，連接到評估板 VIN 和 GND。

使用 KIKUSUI PLZ164WS 電子負(fù)載，連接到評估板 VOUT-GND。

使用泰克 6 系列示波器，在輸出電容 C6 上觀察紋波。
-?電源軌探頭 TPR1000
-?配件 1.3m，SMA (Ma) – MMCX (Ma)，50Ω 電纜
-?配件 MMCX 連接器 (Wurth Elektoronik 66012002111503)

驗證相位裕度和負(fù)載響應(yīng)特性

確認(rèn)評估板特性

此時我們可以在評估板的初始狀態(tài)下確認(rèn)其特性，在確認(rèn)負(fù)載響應(yīng)特性時，相位裕度為 48.4~58.1°，電壓波動為 ±87mV (交越頻率 94.7KHz)，紋波電壓非常低，為 1.9mV p-p。作為電源電路，它具有非常好的特性，從這種狀態(tài)出發(fā)，我們可以以此驗證當(dāng)相位裕度改變時負(fù)載響應(yīng)特性是如何變化的，如下圖 (圖2) 所示：

圖2 評估板初始狀態(tài)的特性

調(diào)整到最佳相位裕度的條件

下圖 (圖3) 顯示了將相位補償電路更改為 R4=6.3KΩ 和 C5=1.36nF，并將常數(shù)更改為最佳相位裕度狀態(tài)的結(jié)果。從中我們可以確認(rèn)負(fù)載響應(yīng)特性時，相位裕度為 74.1~82°，電壓波動為 ±100mV (交越頻率 71.8KHz)。?

圖3 最佳相位裕度條件

降低相位裕度以改善負(fù)載響應(yīng)特性

接下來我們需要對相位裕度和負(fù)載響進(jìn)行比較后再權(quán)衡取舍。當(dāng) FPGA 或 CPU 要求改善負(fù)載響應(yīng)特性時，即便以犧牲相位裕度為代價，也應(yīng)提高交越頻率以改善負(fù)載響應(yīng)特性。在這里我們改變了相位補償電路的常數(shù)而減小相位裕度，以查看負(fù)載響應(yīng)特性最終是否得到改善。

從下圖 (圖4) 顯示的結(jié)果可以看出，當(dāng)相位裕度減小時，交越頻率增加，負(fù)載響應(yīng)特性也得到改善。通過提高交越頻率，我們能夠?qū)㈦妷鹤兓▌涌刂圃?5V 輸出 ±70mV (±1.4%)。但是如果要改善負(fù)載響應(yīng)特性，以犧牲相位裕度為代價來提高交越頻率，需要將相位裕度至少保持在45°。

圖4 相位裕度和負(fù)載響應(yīng)特性

審核編輯：劉清