開關(guān)電源中的不穩(wěn)定的解決方案解析

不穩(wěn)定的電源會導(dǎo)致嚴(yán)重的系統(tǒng)問題，例如無源組件的可聽噪聲，開關(guān)頻率的意外抖動，負(fù)載瞬態(tài)事件期間輸出電壓的極端振蕩以及半導(dǎo)體開關(guān)的故障。盡管出于各種原因會導(dǎo)致不穩(wěn)定，但未調(diào)整的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)會解決開關(guān)電源中的大部分不穩(wěn)定問題。本文為如何確定不穩(wěn)定源是否為未調(diào)整的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)提供了指導(dǎo)，并提供了一些快速技巧來提高不穩(wěn)定電源的穩(wěn)定性。

瞬態(tài)響應(yīng)：電源穩(wěn)定性的一種量度

開關(guān)電源的瞬態(tài)性能具有兩個主要標(biāo)準(zhǔn)：帶寬（BW）和相位裕量（PM）。較高的帶寬導(dǎo)致更快的瞬態(tài)響應(yīng)。另一方面，較高的PM意味著更好的穩(wěn)定性。為了獲得可接受的瞬態(tài)性能，需要高BW和高PM。但是，BW和PM之間需要權(quán)衡取舍。增加帶寬的技術(shù)通常會降低PM，反之亦然。

圖1顯示了具有高BW和低PM的電源的典型瞬態(tài)響應(yīng)。當(dāng)發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)換時，輸出電壓會經(jīng)歷幾次振蕩，然后再穩(wěn)定在穩(wěn)定電壓上。負(fù)載過渡期間輸出電壓的振蕩次數(shù)是衡量電源穩(wěn)定性的好方法。振蕩次數(shù)與PM直接相關(guān)，因此與電源的穩(wěn)定性直接相關(guān)。

圖1：電源的典型瞬態(tài)響應(yīng)

開關(guān)穩(wěn)壓器中的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

通常，有兩種類型的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)廣泛用于開關(guān)穩(wěn)壓器：II型和III型。II型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用零極點集來實現(xiàn)所需的帶寬和PM。為了進(jìn)一步改善調(diào)節(jié)器的瞬態(tài)響應(yīng)，采用了III型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。III型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)增加了一個額外的零極點集，這有助于實現(xiàn)更高的帶寬和/或更高的PM。圖2顯示了III型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)原理圖。

圖2：III型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

本文的目的是說明如何使用簡單的技術(shù)來穩(wěn)定不穩(wěn)定的電源。注意，所提出的技術(shù)僅在不穩(wěn)定源是未調(diào)整的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時才有效。

從補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的角度來看，以下描述的兩種類型的開關(guān)調(diào)節(jié)器。這兩種類型是：具有外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)穩(wěn)壓器和具有內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)穩(wěn)壓器。圖3顯示了這兩種電源類型的典型應(yīng)用電路。

圖3：電源中的兩種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

可用旋鈕穩(wěn)定電源不穩(wěn)定

如前所述，可以通過查看開關(guān)穩(wěn)壓器對負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)來驗證其不穩(wěn)定性。

圖1顯示了一個不穩(wěn)定電源的示例，當(dāng)發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)換時，該電源在輸出電壓上會出現(xiàn)幾次振蕩。圖4顯示了圖1中電源的波德圖。在此示例中，BW為65kHz，而PM僅為16°。為了使電源具有可接受的瞬態(tài)性能，建議其帶寬不超過開關(guān)頻率的10％，且PM應(yīng)當(dāng)大于60°。圖1電源中的開關(guān)頻率為400kHz。這將允許的帶寬限制為<40kHz。在圖4中，高65kHz的BW導(dǎo)致較小的PM（僅16°）。

請注意，在對噪聲敏感的應(yīng)用中，帶寬必須進(jìn)一步限制為小于開關(guān)頻率的5％。

圖4：圖1中電源的波特圖

圖4顯示，當(dāng)相位曲線（紅色）已經(jīng)下降時，幅度曲線（藍(lán)色）達(dá)到0dB。為了獲得適當(dāng)?shù)腜M和良好的穩(wěn)定性，必須在幅度曲線開始下降之前在幅度曲線上出現(xiàn)0dB點。

下面介紹的技術(shù)將使讀者能夠快速修復(fù)不穩(wěn)定的開關(guān)電源，同時提供一些方法來查看降低BW是否可以提高穩(wěn)定性。如果隨著BW的顯著降低而提高了穩(wěn)定性，則可以確認(rèn)不穩(wěn)定的根源是未調(diào)整的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

請注意，減少BW可以提高穩(wěn)定性。首先，它會使控制循環(huán)變慢。較慢的控制回路可防止或限制輸出上的尖峰和/或振蕩。其次，降低BW可以增加PM，從而提高穩(wěn)定性。

帶有外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)壓器

在具有外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電源中，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)位于COMP引腳處。在這種情況下，查看輸出振蕩是否由未調(diào)整的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)引起的快速方法是在COMP引腳上放置一個大電容。COMP引腳上的大電容器將一個低頻極點引入控制環(huán)路，這極大地限制了帶寬。該電容器越大，BW越低。圖5顯示了在COMP引腳上增加一個大電容的效果。COMP引腳上電容器的典型范圍為100nF至1μF。

圖5：在COMP引腳上添加大電容的效果

具有內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的監(jiān)管機(jī)構(gòu)

對于具有內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)壓器，COMP引腳不可用。因此，必須使用外部旋鈕來減小BW并提高穩(wěn)定性。用內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)限制開關(guān)穩(wěn)壓器帶寬的最有效方法是使用與反饋引腳串聯(lián)的電阻（稱為FB串聯(lián)電阻）。

圖6顯示了添加FB系列電阻器的影響。該電阻器將幅度曲線向下移動，對相位曲線的影響很小。因此，它有效地限制了帶寬，并提高了電源的穩(wěn)定性。FB系列電阻越大，BW降低越大。典型的FB系列電阻器的范圍應(yīng)在5kΩ至100kΩ之間。

圖6：與FB引腳串聯(lián)添加電阻的效果

驗證對不穩(wěn)定電源進(jìn)行故障排除的建議技術(shù)

本文在此示例中將使用兩部分。所述MPM3530是55V / 3A降壓功率模塊從外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)單片電力系統(tǒng)（MPS）。圖7（a）顯示了MPM3530的典型應(yīng)用原理圖。圖7（b）顯示了MPQ4420，它是來自MPS的具有內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的36V / 2A同步降壓穩(wěn)壓器。

圖7：示例典型應(yīng)用原理圖

為了顯示在COMP引腳上添加一個大電容的有效性，請考慮使用MPM3530。在此示例中，選擇補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)組件以使調(diào)節(jié)器變得不穩(wěn)定。這是通過將圖7（a）中的R3從2.53kΩ增加到16kΩ來完成的。圖8顯示了MPM3530的瞬態(tài)響應(yīng)及其波德圖。輸出上的大量振蕩表示穩(wěn)定性較低。波特圖上只有2°的小PM證實了其低穩(wěn)定性。

圖8：具有未調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的MPM3530瞬態(tài)響應(yīng)和波特圖

圖9顯示了在COMP引腳上添加一個1μF電容器后瞬態(tài)響應(yīng)的變化。輸出上的高振蕩得到抑制，這意味著穩(wěn)定性得到了改善。波特圖表明，BW顯著降低，正如預(yù)期的那樣。降低BW會導(dǎo)致PM大幅增加，從而提高穩(wěn)定性。

然而，穩(wěn)定性的提高是以較慢的響應(yīng)為代價的。輸出電壓建立時間從300μs大幅增加到2ms。還應(yīng)注意，由于對負(fù)載變化的響應(yīng)較慢，因此最大電壓下沖增加至700mV，而圖8中為15mV。

圖9：MPM3530的COMP引腳上的大電容改善穩(wěn)定性的效果

如圖7（b）所示，COMP引腳在具有內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)器（例如MPQ4420）中不可用。圖10顯示了沒有任何FB系列電阻器的MPQ4420的瞬態(tài)響應(yīng)（例如，圖7（a）中的R3設(shè)置為0Ω）。負(fù)載過渡期間輸出電壓的高振蕩表明穩(wěn)定性很低。從波特圖可以看出，BW為72kHz，而PM僅為11°。由于MPQ4420的默認(rèn)開關(guān)頻率為410kHz，因此必須將BW限制在41kHz以下。

圖10：沒有FB系列電阻的MPQ4420瞬態(tài)響應(yīng)和波特圖

圖11顯示了如何將R3從0Ω更改為51kΩ，如何顯著降低瞬態(tài)響應(yīng)期間的振蕩。不出所料，引入FB系列電阻器會降低幅度曲線，這意味著較低的BW和較高的PM。在這種情況下，新的帶寬為21kHz，并且PM從11°改善到43.5°。

圖11：具有FB系列電阻的MPQ4420瞬態(tài)響應(yīng)和波特圖

電源瞬態(tài)響應(yīng)的進(jìn)一步改進(jìn)

盡管圖12所示的輸出具有更高的穩(wěn)定性和更少的振蕩，但PM仍低于60°目標(biāo)。進(jìn)一步降低帶寬將不會為PM提供任何額外的提升，并且會進(jìn)一步降低響應(yīng)時間。如前所述，較低的BW也會增加電壓下沖的幅度。

可以使用一個附加旋鈕來提高PM，而不會通過犧牲BW來使調(diào)節(jié)器變慢。該解決方案是前饋電容器（CFF）。

因為這是II型內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，所以它不提供任何相位提升。如果需要相位提升，則在反饋網(wǎng)絡(luò)上添加CFF（見圖12）。CFF向補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)添加另一個零，這可以在不降低帶寬的情況下提高PM。實際上，如果正確選擇電容器，則可以提高PM并提高BW，以實現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖12：具有前饋電容器的MPQ4420原理圖

圖13顯示了具有19kΩFB系列電阻和220pF CFF的MPQ4420的瞬態(tài)響應(yīng)和波德圖。如圖所示，帶寬增加到40kHz，恰好是開關(guān)頻率的10％，并且PM達(dá)到78°，這與目標(biāo)PM> 60°一致。

圖13：具有FB系列電阻器和CFF的MPQ4420瞬態(tài)性能

圖13顯示，輸出電壓只有一個下沖，這表明該器件具有良好的穩(wěn)定性。響應(yīng)時間也已縮短至約60μs，下沖電壓已降至僅8mV。

結(jié)論

本文探討了一些快速的技巧來診斷和解決開關(guān)電源中的不穩(wěn)定問題。提出了單獨的技術(shù)來穩(wěn)定具有內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)壓器與具有外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)壓器。通過將所提出的技術(shù)應(yīng)用于MPS的MPM3530和MPQ4420，驗證了所提出技術(shù)的有效性，并且本文演示了前饋電容器如何進(jìn)一步改善開關(guān)穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)。

編輯：hfy