淺析DC/DC的環(huán)路穩(wěn)定性問題

在電路系統(tǒng)的單板設(shè)計(jì)中我們經(jīng)常用到各種電源，DC/DC是最廣泛的一種，比如BUCK降壓電路，一般我們都采用的是相關(guān)廠家的集成芯片如TI、ADI、Linear等，總的來說應(yīng)用還是比較簡單的，按照參考電路配置外圍器件即可，然后按照布局布線原則完成單板設(shè)計(jì)。但是如果僅僅是知道基本原理卻不知所以然，導(dǎo)致的結(jié)果就是在出現(xiàn)問題時(shí)完全摸不著頭腦，比如最近遇到一個(gè)問題就是DC/DC在空載時(shí)電壓異常的現(xiàn)象。

這個(gè)問題是偶然出現(xiàn)的：該芯片已在其他單板上使用正常，但是最新的一塊板子卻出現(xiàn)電壓異常波動(dòng)。對比二者原理圖發(fā)現(xiàn)都一樣，但是檢查完PCB后檢查原理圖發(fā)現(xiàn)輸出電容配置有問題，改過電容后電壓正常。那么為何同樣的設(shè)計(jì)之前的沒有問題，現(xiàn)在的有問題呢？進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)，新的問題板子在未使用時(shí)是空載的，而之前的板子都是一直帶載，于是不改變電容插上負(fù)載，輸出電壓也正常了。這是一個(gè)典型的開關(guān)電源的環(huán)路響應(yīng)問題。我們在學(xué)習(xí)運(yùn)放的時(shí)候就研究過運(yùn)放的閉環(huán)反饋特性，也就是幅頻特性和相頻特性。

那么對于DC/DC而言，環(huán)路同樣具有類似特性，下圖是一個(gè)同步BUCK電路。

基本的傳輸拓?fù)錇椋?/p>

傳輸函數(shù)可簡化為下圖，S為頻率參數(shù)。

對于BUCK電路而言，我們可以得到輸出的零極點(diǎn)分析

LC為環(huán)路的主極點(diǎn)，而輸出電容和ESR則為環(huán)路的一個(gè)零點(diǎn)。

我們知道如圖的相位裕度是反映環(huán)路穩(wěn)定性的重要指標(biāo)，因此環(huán)路設(shè)計(jì)中重要的就是如何保證合適的參數(shù)。下面就介紹幾種補(bǔ)償方式，目的是前推零點(diǎn)，提高相位裕度。

我們由極點(diǎn)公式看到L和Cout決定了環(huán)路的帶寬，這個(gè)參數(shù)其實(shí)也代表著環(huán)路的響應(yīng)速度。

Fs是開關(guān)電源的頻率，那么電源設(shè)計(jì)中就需要進(jìn)行補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

兩種補(bǔ)償方式，具體的計(jì)算公式就不貼了。

PI方式：

PID方式：

我們非電源單板硬件設(shè)計(jì)中考慮環(huán)路補(bǔ)償?shù)那闆r比較少，實(shí)際應(yīng)用中我們按照推薦的參數(shù)設(shè)計(jì)一般沒有問題，但是像這次遇到的這種設(shè)計(jì)錯(cuò)誤時(shí)，能夠從輸出電壓的特性上判斷出可能的原因，輸出電容設(shè)計(jì)錯(cuò)誤導(dǎo)致環(huán)路異常出現(xiàn)電壓波動(dòng)，而帶載同樣影響了環(huán)路，因此在設(shè)計(jì)錯(cuò)誤的情況下同樣正常工作。總之環(huán)路的頻率特性與環(huán)路的響應(yīng)、噪聲等相關(guān)，我們在遇到問題時(shí)最好能夠從一定基礎(chǔ)角度出發(fā)才能盡快解決問題，是以為記。