診斷和穩(wěn)定不穩(wěn)定開關(guān)電源的快速提示

不穩(wěn)定的電源會(huì)導(dǎo)致嚴(yán)重的系統(tǒng)問題，例如來自無源元件的可聽噪聲、開關(guān)頻率的意外抖動(dòng)、負(fù)載瞬變事件期間輸出電壓的極端振蕩以及半導(dǎo)體開關(guān)故障。雖然不穩(wěn)定的原因有很多，但未調(diào)諧的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)是開關(guān)電源不穩(wěn)定問題的主要原因。本文提供了有關(guān)如何找出不穩(wěn)定源是否是未調(diào)諧補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的指導(dǎo)，并提供了提高不穩(wěn)定電源穩(wěn)定性的快速提示。

瞬態(tài)響應(yīng)：電源穩(wěn)定性的衡量標(biāo)準(zhǔn)

開關(guān)電源的瞬態(tài)性能由兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn)表征：帶寬 （BW） 和相位裕度 （PM）。更高的 BW 會(huì)導(dǎo)致更快的瞬態(tài)響應(yīng)。另一方面，更高的 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。然而，在 BW 和 PM 之間存在權(quán)衡。增加 BW 的技術(shù)通常會(huì)減少 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(shí)，輸出電壓在穩(wěn)定在穩(wěn)壓電壓之前會(huì)經(jīng)歷幾次振蕩。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)定性的一個(gè)很好的衡量標(biāo)準(zhǔn)。振蕩次數(shù)與 PM 直接相關(guān)，因此與電源的穩(wěn)定性有關(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 類補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用零極點(diǎn)設(shè)置來實(shí)現(xiàn)所需的 BW 和 PM。為了進(jìn)一步改善穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng)，采用了 III 類補(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)組，這有助于實(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 類補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)

本文的目的是展示如何使用簡(jiǎn)單的技術(shù)來穩(wěn)定不穩(wěn)定的電源。請(qǐng)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(shí)才有效。

下面描述的兩種類型的開關(guān)穩(wěn)壓器是從補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)的角度來看的。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)

用于穩(wěn)定不穩(wěn)定電源的可用旋鈕

如前所述，可以通過查看其對(duì)負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng)來驗(yàn)證開關(guān)穩(wěn)壓器的不穩(wěn)定性。

圖 1 顯示了一個(gè)不穩(wěn)定電源的示例，當(dāng)發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)換時(shí)，該電源的輸出電壓會(huì)出現(xiàn)多次振蕩。圖 4 顯示了圖 1 中電源的波特圖。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，建議使用不超過開關(guān)頻率 10% 的 BW 和 》60° 的 PM。圖 1 電源的開關(guān)頻率為 400kHz。這將允許的帶寬限制為 《40kHz。在圖 4 中，65kHz 的高帶寬導(dǎo)致小 PM（僅 16°）。

請(qǐng)注意，在噪聲敏感應(yīng)用中，BW 必須進(jìn)一步限制在開關(guān)頻率的 5% 以下。

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(shí)，幅度曲線（藍(lán)色）達(dá)到 0dB。為了獲得適當(dāng)?shù)?PM 和良好的穩(wěn)定性，幅度曲線上的 0dB 點(diǎn)必須出現(xiàn)在相位曲線開始下降之前。

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(shí)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)定的來源是未調(diào)整的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

請(qǐng)注意，降低 BW 有兩件事可以提高穩(wěn)定性。首先，它使控制回路變慢。較慢的控制回路可防止或限制輸出的尖峰和/或振蕩。其次，降低 BW 可以增加 PM，從而提高穩(wěn)定性。

具有外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)器

在帶有外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電源中，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)放置在 COMP 引腳上。在這種情況下，一種快速查看輸出振蕩是否由未調(diào)諧補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)引起的方法是在 COMP 引腳處放置一個(gè)大電容器。COMP 引腳上的大電容器為控制環(huán)路引入了一個(gè)低頻極點(diǎn)，從而顯著限制了 BW。該電容越大，BW 越低。圖 5 顯示了在 COMP 引腳添加大電容的效果。COMP 引腳上電容器的典型范圍介于 100nF 和 1μF 之間。

圖 5：向 COMP 引腳添加大電容的效果

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

對(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，必須使用外部旋鈕來降低 BW 并提高穩(wěn)定性。限制具有內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)穩(wěn)壓器 BW 的最有效方法是使用與反饋引腳串聯(lián)的電阻器（稱為 FB 串聯(lián)電阻器）。

圖 6 顯示了添加 FB 串聯(lián)電阻的影響。該電阻器將幅度曲線向下移動(dòng)，而對(duì)相位曲線的影響很小。因此，它有效地限制了BW并增加了電源的穩(wěn)定性。FB 串聯(lián)電阻越大，BW 降低幅度越大。典型的 FB 系列電阻器的范圍應(yīng)介于 5kΩ 和 100kΩ 之間。

圖 6：添加一個(gè)與 FB 引腳串聯(lián)的電阻器的效果

對(duì)不穩(wěn)定電源進(jìn)行故障排除的建議技術(shù)的驗(yàn)證

本文將在此示例中使用兩個(gè)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，這是一款來自 MPS 的 36V/2A 同步降壓穩(wěn)壓器，帶有內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

圖 7：示例典型應(yīng)用原理圖

為了顯示在 COMP 引腳添加大電容的效果，請(qǐng)考慮 MPM3530。在這個(gè)例子中，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)組件的選擇使得調(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 來實(shí)現(xiàn)的。圖 8 顯示了 MPM3530 的瞬態(tài)響應(yīng)及其波特圖。輸出上的大量振蕩代表低穩(wěn)定性。波特圖上僅 2° 的小 PM 證實(shí)了低穩(wěn)定性。

圖 8：具有未調(diào)諧補(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 1μF 電容器后瞬態(tài)響應(yīng)會(huì)發(fā)生什么。輸出的高振蕩得到抑制，這意味著穩(wěn)定性得到了提高。波特圖顯示 BW 已按預(yù)期顯著降低。BW 減少導(dǎo)致 PM 顯著增加，從而提高穩(wěn)定性。

然而，穩(wěn)定性的提高是以響應(yīng)速度變慢為代價(jià)的；輸出電壓建立時(shí)間顯著增加，從 300μs 增加到 2ms。另請(qǐng)注意，由于對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)較慢，最大電壓下沖增加至 700mV，而圖 8 中為 15mV。

圖 9：大電容在 MPM3530 的 COMP 引腳上的穩(wěn)定性改進(jìn)效果

如圖 7（b） 所示，COMP 引腳在具有內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)壓器中不可用，例如 MPQ4420。圖 10 顯示了沒有任何 FB 串聯(lián)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)載轉(zhuǎn)換期間輸出電壓的高振蕩表明穩(wěn)定性低。查看波特圖，BW 為 72kHz，而 PM 僅為 11°。由于 MPQ4420 的默認(rèn)開關(guān)頻率為 410kHz，因此帶寬必須限制在 41kHz 以下。

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

圖 11 顯示了將 R3 從 0Ω 更改為 51kΩ 如何顯著降低瞬態(tài)響應(yīng)期間的振蕩。正如預(yù)期的那樣，F(xiàn)B 系列電阻的引入使幅度曲線向下移動(dòng)，這意味著更低的 BW 和更高的 PM。在這種情況下，新的 BW 為 21kHz，PM 已從 11° 提高到 43.5°。

圖 11：帶有 FB 系列電阻器的 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 BW 不會(huì)為 PM 提供任何額外的提升，并且會(huì)進(jìn)一步減慢響應(yīng)時(shí)間。如前所述，較低的 BW 也會(huì)增加電壓下沖的幅度。

額外的旋鈕可用于改善 PM，而不會(huì)通過犧牲 BW 使調(diào)節(jié)器變慢。該解決方案是前饋電容器 （C FF ）。

因?yàn)檫@是一個(gè) Type-II 內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，它不提供任何相位提升。如果需要相位提升，請(qǐng)?jiān)诜答伨W(wǎng)絡(luò)上添加 C FF（參見圖 12）。C FF向補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)添加另一個(gè)零，可以在不降低 BW 的情況下提高 PM。事實(shí)上，如果電容選擇得當(dāng)，可以改善PM，也可以增加BW，以實(shí)現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖 12：帶前饋電容器的 MPQ4420 原理圖

圖 13 顯示了具有 19kΩ FB 串聯(lián)電阻和 220pF C FF的 MPQ4420 的瞬態(tài)響應(yīng)和波特圖。如圖所示，BW 增加到 40kHz，正好是開關(guān)頻率的 10%，PM 達(dá)到 78°，符合 》60° 的目標(biāo) PM。

圖 13：帶有 FB 系列電阻器和 C FF 的MPQ4420 瞬態(tài)性能

圖 13 顯示輸出電壓只有 1 個(gè)下沖，證實(shí)該器件具有良好的穩(wěn)定性。響應(yīng)時(shí)間也減少到大約 60μs，下沖電壓減少到只有 8mV。

結(jié)論

本文探討了診斷和解決開關(guān)電源不穩(wěn)定問題的幾個(gè)快速技巧。提出了單獨(dú)的技術(shù)來穩(wěn)定具有內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)器與具有外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的調(diào)節(jié)器。通過將這些技術(shù)應(yīng)用于MPS的MPM3530和MPQ4420，驗(yàn)證了所提出技術(shù)的有效性，本文展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)。

審核編輯：郭婷