瞬態(tài)響應(yīng)：電源穩(wěn)定性的度量

 

開關(guān)電源的瞬態(tài)性能有兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)：帶寬（BW）和相位裕量（PM）。BW越高瞬態(tài)響應(yīng)越快；另一方面，PM越高穩(wěn)定性也越好。要獲得良好的瞬態(tài)性能，就需要高BW和高PM。但是，BW和PM之間需要權(quán)衡，因?yàn)樵黾訋挼募夹g(shù)通常會(huì)降低相位裕量，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)。在發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)換時(shí)，輸出電壓會(huì)經(jīng)歷幾次振蕩，然后穩(wěn)定。測(cè)量負(fù)載轉(zhuǎn)換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)，因此與電源穩(wěn)定性也直接相關(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)

 

開關(guān)穩(wěn)壓器常用的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有兩種：II型和III型。II型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用零極點(diǎn)集來實(shí)現(xiàn)所需的BW和PM。為進(jìn)一步改善穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)，我們采用III型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。III型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)增加了一個(gè)額外的零極點(diǎn)集，這將有助于實(shí)現(xiàn)更高的BW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)原理圖

 

本文將說明如何使用簡(jiǎn)單的技術(shù)來穩(wěn)定不穩(wěn)定的電源。注意，僅當(dāng)不穩(wěn)定源是未調(diào)整的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)，這里提到的技術(shù)才有效。

 

我們從補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的角度出發(fā)，介紹兩種類型的開關(guān)穩(wěn)壓器：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。

 

a) 內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

 

b) 外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

圖3：電源中的兩種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)類型

 

采用調(diào)節(jié)器來穩(wěn)定不穩(wěn)定的電源

 

如上所述，通過查看開關(guān)穩(wěn)壓器對(duì)負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)，可以驗(yàn)證其不穩(wěn)定性。

 

圖1是一個(gè)不穩(wěn)定電源的示例，當(dāng)發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)換時(shí)，電源的輸出電壓上出現(xiàn)了多次振蕩。圖4顯示了圖1電源的波特圖。在此示例中，BW為65kHz，而PM僅為16°。為獲得具有良好瞬態(tài)性能的電源，建議BW不超過開關(guān)頻率的10％，且PM大于60°。圖1電源的開關(guān)頻率為400kHz，帶寬限制為40kHz。

 

注意，在一些對(duì)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電源的波特圖

 

從圖4中可以看到，相位曲線（紅色）已經(jīng)下降后，幅度曲線（藍(lán)色）才達(dá)到0dB。要獲得適當(dāng)?shù)腜M和良好的穩(wěn)定性，必須在相位曲線開始下降之前出現(xiàn)幅度曲線的0dB點(diǎn)。

 

下面介紹的技術(shù)將能夠快速修復(fù)不穩(wěn)定的開關(guān)電源，同時(shí)我們還提供一些方法檢查降低BW是否可以提高穩(wěn)定性。如果穩(wěn)定性隨BW的顯著降低而提高了，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(qǐng)注意，降低BW可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的來提高穩(wěn)定性。首先，它會(huì)使控制回路變慢。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。

 

帶外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)壓器

 

具有外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電源，其補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)位于COMP引腳處。在這種情況下，要快速查看輸出振蕩是否由未調(diào)整的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)引起，可以在COMP引腳上接入一個(gè)大電容。該電容可以將一個(gè)低頻極點(diǎn)引入控制環(huán)路，從而極大地限制帶寬。電容越大，BW越低。圖5顯示了在COMP引腳上增加一個(gè)大電容的效果。該電容的典型范圍為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)的穩(wěn)壓器

 

對(duì)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，必須使用外部調(diào)節(jié)器來減小BW并提高穩(wěn)定性。而限制帶寬的最有效方法是在反饋引腳上串聯(lián)一個(gè)電阻（稱為FB串聯(lián)電阻）。

 

圖6顯示了添加FB串聯(lián)電阻之后的效果。該電阻將幅度曲線下移，而對(duì)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串聯(lián)電阻越大，BW降低得越多。典型的FB串聯(lián)電阻范圍應(yīng)在5kΩ至100kΩ之間。

 

 

不穩(wěn)定電源排障建議技術(shù)的驗(yàn)證 此示例中我們使用了兩款MPS產(chǎn)品。其中，MPM3530是一款具有外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的55V / 3A降壓電源模塊，圖8（a）為其典型應(yīng)用示意圖；MPQ4420是一款具內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的36V / 2A同步降壓穩(wěn)壓器，圖8（b）為其典型應(yīng)用示意圖。

 

a) MPM3530典型應(yīng)用示意圖

 

b) MPQ4420典型應(yīng)用示意圖

圖8: 典型應(yīng)用示意圖示例

 

我們通過MPM3530來展示在COMP引腳上添加大電容的有效性。在此示例中，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)組件的選擇使穩(wěn)壓器變得不穩(wěn)定，具體為將圖8（a）中的R3從2.53kΩ增加到16kΩ，穩(wěn)壓器變得不穩(wěn)定。圖9顯示了MPM3530的瞬態(tài)響應(yīng)及其波特圖。輸出上的大量振蕩顯示出較低的穩(wěn)定性，波特圖上僅2°的小PM也證實(shí)了其低穩(wěn)定性。 

 

圖9：未調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí)，MPM3530的瞬態(tài)響應(yīng)和波特圖

 

圖10顯示了在COMP引腳上添加1µF電容后瞬態(tài)響應(yīng)的變化。輸出端的高振蕩得到抑制，意味著穩(wěn)定性得到了改善。波特圖顯示出BW如愿顯著降低，而BW降低導(dǎo)致PM大幅增加，從而提高了穩(wěn)定性。

 

然而，其穩(wěn)定性的提高是以響應(yīng)變慢為代價(jià)的，輸出電壓的穩(wěn)定時(shí)長(zhǎng)從300µs大幅增加到了2ms。而且還要注意，由于對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)變慢，最大電壓下沖增加至700mV，而圖9中僅為15mV。 

 

圖10：在MPM3530的COMP引腳上添加大電容對(duì)穩(wěn)定性的改善

 

如圖8（b）所示，COMP引腳在具有內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)壓器（例如MPQ4420）中不可用。圖11顯示了在沒有任何FB串聯(lián)電阻的條件下， MPQ4420’s的瞬態(tài)響應(yīng)（例如，圖8（a）中的R3設(shè)置為0Ω）。負(fù)載轉(zhuǎn)換期間輸出電壓的高振蕩表明了較低的穩(wěn)定性。從波特圖中可以看到，BW為72kHz，而PM僅為11°。由于 MPQ4420’s默認(rèn)開關(guān)頻率為410kHz，因此BW必須限制在41kHz以下。 

 

圖11：沒有FB串聯(lián)電阻時(shí)，MPQ4420的瞬態(tài)響應(yīng)和波特圖

 

圖12顯示出，將R3從0Ω改為51kΩ，如何顯著降低了瞬態(tài)響應(yīng)期間的振蕩。不出所料，引入FB串聯(lián)電阻會(huì)下移幅度曲線，這意味著較低的BW和較高的PM。在這種情況下，帶寬變?yōu)?1kHz，而PM從11°改善為43.5°。 

 

圖12：連接FB串聯(lián)電阻時(shí)，MPQ4420的瞬態(tài)響應(yīng)和波特圖

 

電源瞬態(tài)響應(yīng)的進(jìn)一步改善

 

盡管圖12所示的輸出具有較高的穩(wěn)定性和更少的振蕩，但PM仍低于60°的目標(biāo)。進(jìn)一步降低帶寬不會(huì)對(duì)PM有任何額外的提升，并且會(huì)進(jìn)一步降低響應(yīng)時(shí)間。如前所述，較低的BW也會(huì)增加電壓下沖的幅度。

 

我們可以使用一個(gè)附加調(diào)節(jié)器來改善PM，而不用犧牲BW造成穩(wěn)壓器響應(yīng)速度降低。這種解決方案即采用前饋電容器（CFF）。

 

II型內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)不提供任何相位提升。如果需要提升相位，則在反饋網(wǎng)絡(luò)上添加CFF（見圖13）。CFF可以向補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)添加另一個(gè)零點(diǎn)，可以在不降低帶寬的情況下提高PM。實(shí)際上，如果正確選擇電容，則可以提高PM，同時(shí)也提高BW以實(shí)現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng)。 

 

圖13：帶前饋電容的MPQ4420原理圖

 

圖14顯示了具有19kΩFB串聯(lián)電阻和220pF CFF的MPQ4420瞬態(tài)響應(yīng)和波特圖。如圖所示，帶寬增加至40kHz，恰好是開關(guān)頻率的10％；而PM達(dá)到78°，也符合PM> 60°的目標(biāo)。 

 

圖14：具有FB串聯(lián)電阻和CFF的MPQ4420瞬態(tài)性能

 

如圖14所示，輸出電壓只有一個(gè)下沖，這證明該器件具有良好的穩(wěn)定性。而且，響應(yīng)時(shí)間縮短至約60µs，下沖電壓也降至僅8mV。

 

結(jié)論

 

本文探討的快速技巧可以診斷和解決開關(guān)電源中的不穩(wěn)定問題。針對(duì)具有內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)壓器和具有外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)壓器，提出了不同的穩(wěn)定技術(shù)。通過將所建議的技術(shù)應(yīng)用于MPS的MPM3530和MPQ4420。

 

 

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