巧用RT電阻和前饋電容改善電源動(dòng)態(tài)問題

在電源領(lǐng)域里面，動(dòng)態(tài)響應(yīng)是電源的輸出電壓隨著負(fù)載電流突變而變化，如果輸出電壓能夠盡量保持穩(wěn)定，變化幅值小，收斂快，我們認(rèn)為它動(dòng)態(tài)性能好，反之我們認(rèn)為有動(dòng)態(tài)問題。

圖1：動(dòng)態(tài)性能差的表現(xiàn)

有動(dòng)態(tài)問題意味著負(fù)載電流變化時(shí)，系統(tǒng)調(diào)節(jié)速度不夠快。

以輸出電流突然上升為例，電感電流不能及時(shí)抬升，負(fù)載會(huì)從輸出電容中抽取電荷，導(dǎo)致輸出電壓下跌。EA感知到下跌，在一段時(shí)間內(nèi)Vcomp信號(hào)會(huì)上升，增大占空比，使得電壓抬升。整個(gè)過程時(shí)間越短，正過沖和負(fù)過沖的幅值就越小。

圖2：系統(tǒng)調(diào)節(jié)的流程

圖3：各信號(hào)的變化

改善的方法是：增大輸出電容、增大開關(guān)頻率、改變comp引腳的配置等等。

但是通常開關(guān)頻率是不可調(diào)整的，而comp腳也被越來越多的廠家集成進(jìn)芯片內(nèi)部，所以如何使得電源的調(diào)控速度更快便成了問題。

圖4：越來越多的廠家把comp腳集成進(jìn)芯片內(nèi)部

于是，我們提出兩種簡(jiǎn)單而有效的方法：調(diào)節(jié)RT電阻和調(diào)整前饋電容。

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調(diào)節(jié)RT電阻

調(diào)節(jié)FB引腳和Vout分壓橋臂之間的電阻。改變它之所以可以調(diào)節(jié)動(dòng)態(tài)性能可以從兩個(gè)方面分析：

圖5：調(diào)節(jié)RT電阻

從頻域分析：

對(duì)分壓橋臂和誤差放大器進(jìn)行小信號(hào)建模，我們可以得到這樣的算式。由算式可知，減小RT電阻相當(dāng)于增大了增益，系統(tǒng)的開環(huán)幅頻曲線上移，截止頻率右移，帶寬增加，系統(tǒng)中更多的高頻信號(hào)不被衰減，從而提升動(dòng)態(tài)性能。

圖6：系統(tǒng)Bode圖

從時(shí)域分析：

減小RT電阻導(dǎo)致Vcomp信號(hào)對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)更為迅速，因此能量從電源到負(fù)載傳遞的速度加快，從而提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能。

然而過寬的帶寬會(huì)增加對(duì)高頻噪聲的敏感度。使得系統(tǒng)具有較低的相位裕量，會(huì)引發(fā)穩(wěn)定性問題，反映在動(dòng)態(tài)響應(yīng)的波形上便是振蕩。一般來說我們希望系統(tǒng)的相位裕度能夠達(dá)到45°，帶寬設(shè)置為開關(guān)頻率的1/10~1/5。

圖7：系統(tǒng)Bode圖

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調(diào)整前饋電容

調(diào)節(jié)前饋電容是調(diào)整與上分壓電阻并聯(lián)的電容。

圖8：調(diào)節(jié)前饋電容

對(duì)加上前饋電容后的電路進(jìn)行小信號(hào)分析，得到Vc和Vo之間的關(guān)系。相比于未加前饋電容時(shí)，增益不變，但是會(huì)引入了一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)，造成系統(tǒng)的幅頻曲線和相頻曲線在新增的零極點(diǎn)附近有所抬升。

圖9：引入了一個(gè)零點(diǎn)和一個(gè)極點(diǎn)

這樣可以增加帶寬，提升系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)特性。在一定區(qū)域內(nèi)下也可以提升相位裕度，提升系統(tǒng)穩(wěn)定性，這個(gè)方法往往對(duì)抑制輸出電壓振鈴有奇效。

以MPS公司的MP1657為例，MP1657是一顆12V 2A的降壓芯片，在光貓、路由器等消費(fèi)類領(lǐng)域使用較多。我們使用MPS公司的仿真軟件MPSmart對(duì)MP1657進(jìn)行仿真建模驗(yàn)證，這款軟件也可以免費(fèi)在MPS官網(wǎng)上下載。改變R1電阻值，觀察系統(tǒng)的輸出電壓以及Bode圖。

圖10：MP1657仿真電路

仿真實(shí)驗(yàn)證明：

• RT電阻越小，帶寬越大，系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能越好，正過沖和負(fù)過沖越小。然而相位裕度減小，對(duì)于系統(tǒng)穩(wěn)定性有一定犧牲。

圖11：調(diào)整RT輸出電壓動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果

• 前饋電容越大，截止頻率右移，帶寬增加，但是增大到一定程度就效果不明顯了。同時(shí)前饋電容在某些合適的取值下，相位裕度可以增大，不過取值過大相位裕度反而會(huì)減小。

圖12：調(diào)整前饋電容輸出電壓動(dòng)態(tài)仿真結(jié)果

在MPS公司的MP1657的評(píng)估板上進(jìn)行實(shí)測(cè)，減小RT電阻，看到正過沖和負(fù)過沖在不斷減小，與仿真結(jié)果吻合，驗(yàn)證了RT電阻減小對(duì)于動(dòng)態(tài)問題的改善是有好處的。

圖13：評(píng)估板原理圖

圖14：調(diào)整RT電阻評(píng)估板實(shí)測(cè)結(jié)果

在評(píng)估板上增大前饋電容，由于帶寬增加，正過沖和負(fù)過沖都略微減小。并聯(lián)68pF時(shí)有明顯有改善，但是繼續(xù)增大前饋電容，改善不明顯。并且加到220pF，由于相位裕度持續(xù)下降，反而性能惡化，與仿真結(jié)果吻合。

圖15：調(diào)整前饋電容評(píng)估板實(shí)測(cè)結(jié)果