不稳定开关电源的诊断和稳定技巧
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简介
不稳定的电源可能导致严重的系统问题，例如无源组件产生可闻噪声、开关频率意外抖动、负载瞬态事件期间输出电压极端振荡，以及半导体开关故障等。尽管导致不稳定的原因各不相同，但在开关电源中，绝大多数不稳定问题都源于未调整的补偿网络。本文将提供指南帮助您确定电源不稳是否源于未调整的补偿网络，同时提供一些技巧来提高其稳定性。
瞬态响应：电源稳定性的度量
开关电源的瞬态性能有两个主要标准：带宽（BW）和相位裕量（PM）。BW越高瞬态响应越快；另一方面，PM越高稳定性也越好。要获得良好的瞬态性能，就需要高BW和高PM。但是，BW和PM之间需要权衡，因为增加带宽的技术通常会降低相位裕量，反之亦然。
图1显示了具有高BW和低PM的电源的典型瞬态响应。在发生负载转换时，输出电压会经历几次振荡，然后稳定。测量负载转换期间输出电压的振荡次数是衡量电源稳定性的好方法。振荡次数与PM直接相关，因此与电源稳定性也直接相关。
图1：电源的典型瞬态响应
开关稳压器中的补偿网络
开关稳压器常用的补偿网络有两种：II型和III型。II型补偿网络采用零极点集来实现所需的BW和PM。为进一步改善稳压器的瞬态响应，我们采用III型补偿网络。III型补偿网络增加了一个额外的零极点集，这将有助于实现更高的BW和/或更高的PM。图2显示了III型补偿网络原理图。
图2：III型补偿网络原理图
本文将说明如何使用简单的技术来稳定不稳定的电源。注意，仅当不稳定源是未调整的补偿网络时，这里提到的技术才有效。
我们从补偿网络实现的角度出发，介绍两种类型的开关稳压器：具有外部补偿网络的开关稳压器和具有内部补偿网络的开关稳压器。图3是这两种电源类型典型应用电路的示例。
a) 内部补偿网络
b) 外部补偿网络
图3：电源中的两种补偿网络类型
采用调节器来稳定不稳定的电源
如上所述，通过查看开关稳压器对负载变化的瞬态响应，可以验证其不稳定性。
图1是一个不稳定电源的示例，当发生负载转换时，电源的输出电压上出现了多次振荡。图4显示了图1电源的波特图。在此示例中，BW为65kHz，而PM仅为16°。为获得具有良好瞬态性能的电源，建议BW不超过开关频率的10％，且PM大于60°。图1电源的开关频率为400kHz，带宽限制为40kHz。
注意，在一些对噪声敏感的应用中，带宽必须进一步限制为小于开关频率的5％。
图4: 图 1电源的波特图
从图4中可以看到，相位曲线（红色）已经下降后，幅度曲线（蓝色）才达到0dB。要获得适当的PM和良好的稳定性，必须在相位曲线开始下降之前出现幅度曲线的0dB点。
下面介绍的技术将能够快速修复不稳定的开关电源，同时我们还提供一些方法检查降低BW是否可以提高稳定性。如果稳定性随BW的显著降低而提高了，则可以确认不稳定的根源是未调整的补偿网络。
请注意，降低BW可以实现两个目的来提高稳定性。首先，它会使控制回路变慢。较慢的控制回路可防止或限制输出上的尖峰和/或振荡。其次，降低BW可以增加PM，从而提高稳定性。
带外部补偿网络的稳压器
具有外部补偿网络的电源，其补偿网络位于COMP引脚处。在这种情况下，要快速查看输出振荡是否由未调整的补偿网络引起，可以在COMP引脚上接入一个大电容。该电容可以将一个低频极点引入控制环路，从而极大地限制带宽。电容越大，BW越低。图5显示了在COMP引脚上增加一个大电容的效果。该电容的典型范围为100nF至1µF。
图5：在COMP引脚上添加大电容的效果
具有内部补偿网络的稳压器
对于具有内部补偿网络的稳压器，COMP引脚不可用。因此，必须使用外部调节器来减小BW并提高稳定性。而限制带宽的最有效方法是在反馈引脚上串联一个电阻（称为FB串联电阻）。
图6显示了添加FB串联电阻之后的效果。该电阻将幅度曲线下移，而对相位曲线的影响很小。因此，它有效地限制了带宽，并提高了电源的稳定性。FB串联电阻越大，BW降低得越多。典型的FB串联电阻范围应在5kΩ至100kΩ之间。
不稳定电源排障建议技术的验证
此示例中我们使用了两款MPS产品。其中，MPM3530是一款具有外部补偿网络的55V / 3A降压电源模块，图8（a）为其典型应用示意图；MPQ4420是一款具内部补偿网络的36V / 2A同步降压稳压器，图8（b）为其典型应用示意图。
a) MPM3530典型应用示意图
b) MPQ4420典型应用示意图
图8: 典型应用示意图示例
我们通过MPM3530来展示在COMP引脚上添加大电容的有效性。在此示例中，补偿网络组件的选择使稳压器变得不稳定，具体为将图8（a）中的R3从2.53kΩ增加到16kΩ，稳压器变得不稳定。图9显示了MPM3530的瞬态响应及其波特图。输出上的大量振荡显示出较低的稳定性，波特图上仅2°的小PM也证实了其低稳定性。
图9：未调整补偿网络时，MPM3530的瞬态响应和波特图
图10显示了在COMP引脚上添加1µF电容后瞬态响应的变化。输出端的高振荡得到抑制，意味着稳定性得到了改善。波特图显示出BW如愿显著降低，而BW降低导致PM大幅增加，从而提高了稳定性。
然而，其稳定性的提高是以响应变慢为代价的，输出电压的稳定时长从300µs大幅增加到了2ms。而且还要注意，由于对负载变化的响应变慢，最大电压下冲增加至700mV，而图9中仅为15mV。
图10：在MPM3530的COMP引脚上添加大电容对稳定性的改善
如图8（b）所示，COMP引脚在具有内部补偿网络的稳压器（例如MPQ4420）中不可用。图11显示了在没有任何FB串联电阻的条件下， MPQ4420’s的瞬态响应（例如，图8（a）中的R3设置为0Ω）。负载转换期间输出电压的高振荡表明了较低的稳定性。从波特图中可以看到，BW为72kHz，而PM仅为11°。由于 MPQ4420’s默认开关频率为410kHz，因此BW必须限制在41kHz以下。
图11：没有FB串联电阻时，MPQ4420的瞬态响应和波特图
图12显示出，将R3从0Ω改为51kΩ，如何显著降低了瞬态响应期间的振荡。不出所料，引入FB串联电阻会下移幅度曲线，这意味着较低的BW和较高的PM。在这种情况下，带宽变为21kHz，而PM从11°改善为43.5°。
图12：连接FB串联电阻时，MPQ4420的瞬态响应和波特图
电源瞬态响应的进一步改善
尽管图12所示的输出具有较高的稳定性和更少的振荡，但PM仍低于60°的目标。进一步降低带宽不会对PM有任何额外的提升，并且会进一步降低响应时间。如前所述，较低的BW也会增加电压下冲的幅度。
我们可以使用一个附加调节器来改善PM，而不用牺牲BW造成稳压器响应速度降低。这种解决方案即采用前馈电容器（CFF）。
II型内部补偿网络不提供任何相位提升。如果需要提升相位，则在反馈网络上添加CFF（见图13）。CFF可以向补偿网络添加另一个零点，可以在不降低带宽的情况下提高PM。实际上，如果正确选择电容，则可以提高PM，同时也提高BW以实现更快的瞬态响应。
图13：带前馈电容的MPQ4420原理图
图14显示了具有19kΩFB串联电阻和220pF CFF的MPQ4420瞬态响应和波特图。如图所示，带宽增加至40kHz，恰好是开关频率的10％；而PM达到78°，也符合PM> 60°的目标。
图14：具有FB串联电阻和CFF的MPQ4420瞬态性能
如图14所示，输出电压只有一个下冲，这证明该器件具有良好的稳定性。而且，响应时间缩短至约60µs，下冲电压也降至仅8mV。
结论
本文探讨的快速技巧可以诊断和解决开关电源中的不稳定问题。针对具有内部补偿网络的稳压器和具有外部补偿网络的稳压器，提出了不同的稳定技术。通过将所建议的技术应用于MPS的MPM3530和MPQ4420。
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