瞬態(tài)響應：電源穩(wěn)定性的度量

 

開關電源的瞬態(tài)性能有兩個主要標準：帶寬（BW）和相位裕量（PM）。BW越高瞬態(tài)響應越快；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之間需要權衡，因為增加帶寬的技術通常會降低相位裕量，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。在發(fā)生負載轉換時，輸出電壓會經(jīng)歷幾次振蕩，然后穩(wěn)定。測量負載轉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，因此與電源穩(wěn)定性也直接相關。 

 

圖1：電源的典型瞬態(tài)響應

 

開關穩(wěn)壓器中的補償網(wǎng)絡

 

開關穩(wěn)壓器常用的補償網(wǎng)絡有兩種：II型和III型。II型補償網(wǎng)絡采用零極點集來實現(xiàn)所需的BW和PM。為進一步改善穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應，我們采用III型補償網(wǎng)絡。III型補償網(wǎng)絡增加了一個額外的零極點集，這將有助于實現(xiàn)更高的BW和/或更高的PM。圖2顯示了III型補償網(wǎng)絡原理圖。 

 

圖2：III型補償網(wǎng)絡原理圖

 

本文將說明如何使用簡單的技術來穩(wěn)定不穩(wěn)定的電源。注意，僅當不穩(wěn)定源是未調整的補償網(wǎng)絡時，這里提到的技術才有效。

 

我們從補償網(wǎng)絡實現(xiàn)的角度出發(fā)，介紹兩種類型的開關穩(wěn)壓器：具有外部補償網(wǎng)絡的開關穩(wěn)壓器和具有內部補償網(wǎng)絡的開關穩(wěn)壓器。圖3顯示了這兩種電源類型的典型應用電路。

 

a) 內部補償網(wǎng)絡

 

b) 外部補償網(wǎng)絡

圖3：電源中的兩種補償網(wǎng)絡類型

 

采用調節(jié)器來穩(wěn)定不穩(wěn)定的電源

 

如上所述，通過查看開關穩(wěn)壓器對負載變化的瞬態(tài)響應，可以驗證其不穩(wěn)定性。

 

圖1是一個不穩(wěn)定電源的示例，當發(fā)生負載轉換時，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不超過開關頻率的10％，且PM大于60°。圖1電源的開關頻率為400kHz，帶寬限制為40kHz。

 

注意，在一些對噪聲敏感的應用中，帶寬必須進一步限制為小于開關頻率的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（藍色）才達到0dB。要獲得適當?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。

 

下面介紹的技術將能夠快速修復不穩(wěn)定的開關電源，同時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，則可以確認不穩(wěn)定的根源是未調整的補償網(wǎng)絡。

 

請注意，降低BW可以實現(xiàn)兩個目的來提高穩(wěn)定性。首先，它會使控制回路變慢。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。

 

帶外部補償網(wǎng)絡的穩(wěn)壓器

 

具有外部補償網(wǎng)絡的電源，其補償網(wǎng)絡位于COMP引腳處。在這種情況下，要快速查看輸出振蕩是否由未調整的補償網(wǎng)絡引起，可以在COMP引腳上接入一個大電容。該電容可以將一個低頻極點引入控制環(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

 

具有內部補償網(wǎng)絡的穩(wěn)壓器

 

對于具有內部補償網(wǎng)絡的穩(wěn)壓器，COMP引腳不可用。因此，必須使用外部調節(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)電阻范圍應在5kΩ至100kΩ之間。

 

 

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

 

a) MPM3530典型應用示意圖

 

b) MPQ4420典型應用示意圖

圖8: 典型應用示意圖示例

 

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，補償網(wǎng)絡組件的選擇使穩(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也證實了其低穩(wěn)定性。 

 

圖9：未調整補償網(wǎng)絡時，MPM3530的瞬態(tài)響應和波特圖

 

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變慢為代價的，輸出電壓的穩(wěn)定時長從300µs大幅增加到了2ms。而且還要注意，由于對負載變化的響應變慢，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穩(wěn)定性的改善

 

如圖8（b）所示，COMP引腳在具有內部補償網(wǎng)絡的穩(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（例如，圖8（a）中的R3設置為0Ω）。負載轉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默認開關頻率為410kHz，因此BW必須限制在41kHz以下。 

 

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

 

圖12顯示出，將R3從0Ω改為51kΩ，如何顯著降低了瞬態(tài)響應期間的振蕩。不出所料，引入FB串聯(lián)電阻會下移幅度曲線，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，MPQ4420的瞬態(tài)響應和波特圖

 

電源瞬態(tài)響應的進一步改善

 

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。進一步降低帶寬不會對PM有任何額外的提升，并且會進一步降低響應時間。如前所述，較低的BW也會增加電壓下沖的幅度。

 

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

 

II型內部補償網(wǎng)絡不提供任何相位提升。如果需要提升相位，則在反饋網(wǎng)絡上添加CFF（見圖13）。CFF可以向補償網(wǎng)絡添加另一個零點，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，則可以提高PM，同時也提高BW以實現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應。 

 

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)響應和波特圖。如圖所示，帶寬增加至40kHz，恰好是開關頻率的10％；而PM達到78°，也符合PM> 60°的目標。 

 

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

 

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

 

結論

 

本文探討的快速技巧可以診斷和解決開關電源中的不穩(wěn)定問題。針對具有內部補償網(wǎng)絡的穩(wěn)壓器和具有外部補償網(wǎng)絡的穩(wěn)壓器，提出了不同的穩(wěn)定技術。通過將所建議的技術應用于MPS的MPM3530和MPQ4420。

 

 

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