DC-DC 開(kāi)關(guān)電壓轉(zhuǎn)換器（或“開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器”）的控制回路可以通過(guò)其頻率響應(yīng)來(lái)表征。頻率響應(yīng)會(huì)影響開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器對(duì)瞬態(tài)變化的反應(yīng)時(shí)間、精度和穩(wěn)定性，進(jìn)而影響它在輸入電壓、負(fù)載和占空比變化的情況下保持設(shè)定電壓輸出的能力。

工程師可以通過(guò)添加補(bǔ)償器網(wǎng)絡(luò)來(lái)改善開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的頻率響應(yīng)。目標(biāo)是調(diào)整頻率響應(yīng)，以使開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的交叉頻率處于最佳位置（提供高帶寬），但該單元具有足夠的相位和增益裕度，以實(shí)現(xiàn)良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、線路和負(fù)載調(diào)節(jié)以及穩(wěn)定性。如果工作做得好，最終的結(jié)果是開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器在很寬的頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，但不會(huì)過(guò)度補(bǔ)償，因此其動(dòng)態(tài)響應(yīng)很差。

本文介紹了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器補(bǔ)償器網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)知識(shí)，并解釋了網(wǎng)絡(luò)類型如何影響電源的頻率響應(yīng)和最終性能。

應(yīng)對(duì)不穩(wěn)定

設(shè)計(jì)工程師經(jīng)常會(huì)發(fā)現(xiàn)他或她的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的初始電路布局被證明是不穩(wěn)定的。不穩(wěn)定性會(huì)導(dǎo)致磁性元件或陶瓷電容器產(chǎn)生噪聲、開(kāi)關(guān)波形抖動(dòng)、輸出電壓振蕩、功率場(chǎng)效應(yīng)晶體管 （FET） 過(guò)熱和其他不良副作用。圖 1 顯示了不穩(wěn)定降壓（“降壓”）開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的典型輸出波形。

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圖 1：不穩(wěn)定開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的電流和電壓輸出。（由凌力爾特提供）

盡管造成不穩(wěn)定的原因有很多——例如，PCB 產(chǎn)生的噪聲——一個(gè)常見(jiàn)的罪魁禍?zhǔn)资请娫纯刂苹芈返难a(bǔ)償不足。為了解決這個(gè)問(wèn)題，工程師必須添加一個(gè)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。如果實(shí)施得當(dāng)，補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò) （A（s）） 的輸出連同反饋電壓 （V FB ） 分壓器將調(diào)整控制回路特性，以確保直流（零頻率）增益高、交叉頻率（或帶寬）（f c ） 高，良好的相位和增益裕量使開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器具有良好的動(dòng)態(tài)響應(yīng)、線路和負(fù)載調(diào)節(jié)以及穩(wěn)定性。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制環(huán)路的性能由環(huán)路帶寬和環(huán)路穩(wěn)定性裕度來(lái)量化。帶寬由交叉頻率定義，在該頻率處環(huán)路增益等于一 （0 dB）。更高的帶寬有助于快速瞬態(tài)響應(yīng)，但會(huì)犧牲環(huán)路穩(wěn)定性裕度和控制環(huán)路對(duì)開(kāi)關(guān)噪聲的敏感度。環(huán)路穩(wěn)定性裕度通常由相位裕度和增益裕度來(lái)量化。相位裕度定義為交越頻率處的總相位延遲與 -180° 之間的差異，而增益裕度是 180° 相位滯后時(shí)的增益。

假設(shè)增益圖僅通過(guò) 0 dB 一次（對(duì)于在輸出級(jí)具有低通濾波器的穩(wěn)壓器來(lái)說(shuō)幾乎總是如此），如果交叉頻率處的相位滯后小于 180°，則系統(tǒng)將是穩(wěn)定的。經(jīng)驗(yàn)豐富的工程師旨在實(shí)現(xiàn)大于 45°（且小于 315°）的相位裕度。通常，45° 的相位裕度是瞬態(tài)響應(yīng)和阻尼之間的良好折衷。對(duì)于升壓或降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器，增益裕度應(yīng)高于 10 dB。

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的類型

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器采用閉合反饋回路來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。圖 2 顯示了降壓控制器的典型電壓模式控制方案。補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)形成誤差放大器的反饋電路。自從引入開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器以來(lái)，工程師已經(jīng)開(kāi)發(fā)出三種常用的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)（以它們引入控制回路的零點(diǎn)和極點(diǎn)的數(shù)量命名），類型 I、II 和 III。

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圖 2：將補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)添加到誤差放大器的降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制環(huán)路。（由凌力爾特提供）

類型 1 補(bǔ)償使電路的直流增益最大化，從而使直流調(diào)節(jié)誤差最小化。補(bǔ)償是通過(guò)在誤差放大器的輸出端添加一個(gè)電容器 （C th ） 來(lái)實(shí)現(xiàn)的。電容器的添加在 A（s） 內(nèi)創(chuàng)建了一個(gè)積分項(xiàng)，具有無(wú)限高的直流增益。添加電容器的缺點(diǎn)是它引入了 -90 度的相位滯后，再加上其他反饋回路相位滯后，會(huì)使電路接近不穩(wěn)定。

制造商在其模塊上提供了一個(gè)誤差放大器輸出引腳（例如凌力爾特公司的LTC3851上的“ITH”引腳，這是一種最大開(kāi)關(guān)頻率為 810 kHz 的同步降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器控制器）?？梢酝ㄟ^(guò)將一個(gè)大電容（例如 0.1 μF）連接到該引腳來(lái)執(zhí)行快速測(cè)試，以檢查控制回路是否是電源不穩(wěn)定的根源。如果缺乏補(bǔ)償是電路不穩(wěn)定的原因，電容器通常會(huì)將電源的帶寬降低到低頻誘導(dǎo)穩(wěn)定性。如果電容器不起作用，建議工程師到別處尋找不穩(wěn)定源。

可以在原電容上串聯(lián)一個(gè)電阻（R th ）以提高穩(wěn)定性。電阻器的作用是添加一個(gè)“零” （S thz ），提供 +90 相位超前。訣竅是選擇正確的電阻值，以便在交叉頻率之前引入相位超前，從而顯著增加該頻率的相位，提高電壓環(huán)路的相位裕度和穩(wěn)定性。圖 3 顯示了這種補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的小信號(hào)模型及其頻率響應(yīng)的波特圖（疊加在電容器單獨(dú)的影響上（藍(lán)色虛線））。請(qǐng)注意額外的零如何提高交叉頻率處的相位裕度。

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圖 3：小信號(hào)模型顯示了誤差放大器和電阻/電容補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以及相關(guān)的波特圖。（由凌力爾特提供）

不幸的是，電阻器不僅僅起到了相位超前的作用。它還提高了高頻的增益。這種副作用增加了功率元件在開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的工作頻率（通常很高）下產(chǎn)生的噪聲影響輸出的可能性。

解決方案是添加第二個(gè)電容（C thp），其值遠(yuǎn)低于 C th，盡可能靠近電源模塊的 ITH 引腳，將引腳接地。第二個(gè)電容器的引入將高頻“極點(diǎn)”引入伯德圖中，理想情況下，該極點(diǎn)應(yīng)位于交叉頻率和開(kāi)關(guān)頻率 （fs ）之間。極點(diǎn)的作用是降低開(kāi)關(guān)頻率附近的增益。（該組件還可能會(huì)降低交叉頻率處的相位，因此必須仔細(xì)選擇其值以權(quán)衡抗噪性與相位裕度。）這種二 （II） 極點(diǎn)、一零補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)稱為 II 型。

圖 4 顯示了推薦用于Intersil ISL85415降壓開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的 II 型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。該器件以 500 kHz 的開(kāi)關(guān)頻率運(yùn)行，需要 3 至 36 V 的輸入，并在高達(dá) 500 mA 時(shí)提供 0.6 至 34 V 的輸出。

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圖 4：Intersil 降壓轉(zhuǎn)換器的 II 型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

圖 5 顯示了使用圖 4 所示補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的降壓轉(zhuǎn)換器的波特圖。使用該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)，開(kāi)關(guān)轉(zhuǎn)換器具有 75 kHz 的帶寬、6??1° 的相位裕度和 6 dB 的增益裕度。

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圖 5：使用圖 4 所示補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的 Intersil 降壓轉(zhuǎn)換器的波特圖。

雖然 II 型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)可以很好地工作，但可以通過(guò)實(shí)施更復(fù)雜的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)來(lái)實(shí)現(xiàn)電源頻率響應(yīng)的進(jìn)一步細(xì)化，該補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)以類似于 II 型網(wǎng)絡(luò)的方式塑造增益相對(duì)于頻率的曲線，但需要事情稍微進(jìn)一步。該網(wǎng)絡(luò)具有三個(gè) （III） 極點(diǎn)和兩個(gè)（或三個(gè)）零點(diǎn)，被稱為 III 型。

與上述 II 類網(wǎng)絡(luò)一樣，低頻極點(diǎn)提供高直流增益以最大限度地減少直流調(diào)節(jié)誤差，并且放置第一個(gè)高頻極點(diǎn)以抵消輸出濾波電容器的等效串聯(lián)電阻 （ESR） 產(chǎn)生的零零（f ESR）。與 II 類網(wǎng)絡(luò)一樣，第二個(gè)高頻極點(diǎn)放置在交叉頻率之后，以衰減反饋環(huán)路中的開(kāi)關(guān)噪聲，而不會(huì)顯著影響相位裕度。電感器和電容器導(dǎo)致功率級(jí)中的其他零點(diǎn)。

III 類補(bǔ)償復(fù)雜且耗時(shí)，因?yàn)樗枰业搅鶄€(gè) R/C 值的最佳組合。電源模塊制造商 Intersil 在參考文獻(xiàn) ［3］ 中為這些值的初始計(jì)算提供了一些指南。圖 6 顯示了 III 型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。該電路導(dǎo)致轉(zhuǎn)換器的頻率響應(yīng)如圖 7 所示。重要的是補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)增益不超過(guò)誤差放大器的開(kāi)環(huán)增益。

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圖 6：III 型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。（由凌力爾特提供）

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圖 7：使用圖 6 所示補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器頻率響應(yīng)（藍(lán)色）和頻率響應(yīng) A（s）（紅色）。（由凌力爾特提供）

分析軟件

III 型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)值的初始計(jì)算應(yīng)僅視為指導(dǎo)，建議通過(guò)使用具有繪圖功能的商用分析軟件包生成實(shí)際增益和相位圖。生成增益和相位圖后，可能需要稍微更改組件值以獲得更好的響應(yīng)。

所有主要的功率模塊制造商都提供軟件包，使補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)成為一個(gè)相對(duì)簡(jiǎn)單的過(guò)程。例如，凌力爾特公司提供其 LTpowerCAD，該公司將其描述為“一個(gè)完整的電源設(shè)計(jì)工具程序，可以顯著簡(jiǎn)化電源設(shè)計(jì)任務(wù)”。同樣，Intersil 提供其 PowerNavigator 軟件（主要用于數(shù)字電源）、Fairchild Semiconductor提供電源 WebDesigner 和德州儀器（TI） 的功率級(jí)設(shè)計(jì)工具“幫助設(shè)計(jì)最常用的開(kāi)關(guān)模式電源的功率級(jí)”。

另一個(gè)可以讓工程師更輕松的選擇是選擇具有內(nèi)部補(bǔ)償功能的芯片。缺點(diǎn)是失去了靈活性，因?yàn)樵O(shè)計(jì)人員受制于芯片供應(yīng)商的補(bǔ)償方案，這可能不適合他或她的應(yīng)用，但優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)更簡(jiǎn)單、外部組件更少、材料清單 （BOM） ）。

具有內(nèi)部補(bǔ)償?shù)男酒纠?TI 的LM46000降壓穩(wěn)壓器。該芯片能夠在 3.5 至 60 V 的輸入電壓范圍內(nèi)驅(qū)動(dòng)高達(dá) 500 mA 的負(fù)載電流，以實(shí)現(xiàn) 1 至 28 V 的輸出。LM46000 具有 200 kHz 至 2.2 MHz 的可調(diào)開(kāi)關(guān)頻率。

尋求幫助

設(shè)計(jì)基于來(lái)自半導(dǎo)體制造商的電源模塊的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器似乎很簡(jiǎn)單。所有主要供應(yīng)商都為其產(chǎn)品提供應(yīng)用電路，以確保電源在給定條件下運(yùn)行。但是，最終產(chǎn)品可以呈現(xiàn)應(yīng)用信息未涵蓋的一組獨(dú)特的操作條件。這種操作條件可能會(huì)暴露初始設(shè)計(jì)中的不穩(wěn)定性，并需要補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)形式的附加電路。

補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)并不重要，需要對(duì)控制理論有合理的理解，包括分析 S 平面中的極點(diǎn)和零點(diǎn)。由于缺乏經(jīng)驗(yàn)，很容易過(guò)度補(bǔ)償導(dǎo)致設(shè)計(jì)帶寬受限和瞬態(tài)響應(yīng)差。此類設(shè)計(jì)需要額外的輸出電容來(lái)改善瞬態(tài)響應(yīng)，從而增加材料清單 （BOM） 和電源尺寸。

建議沒(méi)有經(jīng)驗(yàn)的工程師訪問(wèn)電源模塊供應(yīng)商（如凌力爾特、飛兆半導(dǎo)體、Intersil 和 TI）的在線資源以獲得指導(dǎo)。此外，這些制造商都提供軟件包以減輕環(huán)路補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)設(shè)計(jì)的復(fù)雜性。

參考：

開(kāi)關(guān)模式電源的建模和環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)，”Henry J. Zhang，應(yīng)用筆記 149，凌力爾特公司，2015 年 1 月。

“開(kāi)關(guān)模式電源的實(shí)用反饋環(huán)路設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)”，Hangseok Choi，博士，飛兆半導(dǎo)體，2011 年。

“為單相電壓模式降壓穩(wěn)壓器設(shè)計(jì)穩(wěn)定的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)”，Doug Mattingly，TB417.1 技術(shù)簡(jiǎn)報(bào)，Intersil，2003 年 12 月。

“控制回路設(shè)計(jì)”，Lloyd Dixon，德州儀器，2001 年。