DC-DC開關電壓轉(zhuǎn)換器（或“開關穩(wěn)壓器”）控制環(huán)路的特征在于其頻率響應。頻率響應會影響開關穩(wěn)壓器對瞬態(tài)變化，精度和穩(wěn)定性的反應時間，進而影響在輸入電壓，負載和占空比變化下保持設定電壓輸出的程度。

工程師可以通過添加補償器網(wǎng)絡來改善開關穩(wěn)壓器的頻率響應。目標是調(diào)整頻率響應，使開關穩(wěn)壓器的交叉頻率最佳定位（提供高帶寬），但該單元具有足夠的相位和增益余量，以實現(xiàn)良好的動態(tài)響應，線路和負載調(diào)節(jié)以及穩(wěn)定性。如果工作做得好，最終結(jié)果是一個開關穩(wěn)壓器，它在很寬的頻率范圍內(nèi)穩(wěn)定但沒有過度補償，因此其動態(tài)響應很差。

本文介紹了用于開關穩(wěn)壓器的補償器網(wǎng)絡的基礎知識，并解釋了網(wǎng)絡類型如何影響電源的頻率響應和最終性能。

應對不穩(wěn)定性

設計工程師經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)開關穩(wěn)壓器的初始電路布局不穩(wěn)定。不穩(wěn)定性可能導致磁性元件或陶瓷電容器產(chǎn)生噪聲，開關波形抖動，輸出電壓振蕩，功率場效應晶體管（FET）過熱以及其他不良副作用。圖1顯示了不穩(wěn)定降壓（“降壓”）開關穩(wěn)壓器的典型輸出波形。

圖1：不穩(wěn)定的電流和電壓輸出開關調(diào)節(jié)器。 （由Linear Technology提供）

雖然存在許多不穩(wěn)定的原因 - 例如，PCB產(chǎn)生的噪聲 - 一個常見的罪魁禍首是電源控制回路的補償不足。為解決此問題，工程師必須添加補償網(wǎng)絡。正確實施后，補償網(wǎng)絡（A（s））的輸出和反饋電壓（VFB）分頻器將調(diào)整控制環(huán)路特性，以確保DC（零頻率）增益高，交叉頻率（或帶寬）（fc）高，良好的相位和增益裕度導致開關穩(wěn)壓器具有良好的動態(tài)響應，線路和負載調(diào)節(jié)以及穩(wěn)定性。

開關穩(wěn)壓器控制環(huán)路的性能由環(huán)路帶寬和環(huán)路穩(wěn)定裕度量化。帶寬由交叉頻率定義，環(huán)路增益等于1（0 dB）。較高的帶寬有助于快速瞬態(tài)響應，但代價是環(huán)路穩(wěn)定裕度和控制環(huán)路對開關噪聲的敏感性。環(huán)路穩(wěn)定裕度通常由相位裕度和增益裕度量化。相位裕度定義為總相位延遲與交叉頻率下的-180°之間的差值，而增益裕度是相位滯后180°時的增益。

假設增益曲線超過0 dB僅一次（對于在輸出級具有低通濾波器的電壓調(diào)節(jié)器實際上總是如此），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)驗豐富的工程師旨在實現(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)響應和阻尼之間的良好折衷。對于升壓或降壓開關穩(wěn)壓器，增益裕度應高于10 dB。

補償網(wǎng)絡類型

開關穩(wěn)壓器采用閉合反饋回路來調(diào)節(jié)輸出電壓。圖2顯示了降壓控制器典型的電壓模式控制方案。補償網(wǎng)絡形成誤差放大器的反饋電路。自開關調(diào)節(jié)器引入以來，工程師開發(fā)了三種常用的補償網(wǎng)絡（以它們引入控制回路的零和極數(shù)的名稱命名），類型I，II和III。

圖2：降壓開關穩(wěn)壓器控制環(huán)路，誤差放大器增加了補償網(wǎng)絡。 （由Linear Technology提供）

類型1補償可最大化電路的直流增益，從而最大限度地降低直流調(diào)節(jié)誤差。通過在誤差放大器的輸出端增加一個電容（Cth）來實現(xiàn)補償。電容器的添加在A（s）內(nèi)產(chǎn)生具有無限高DC增益的積分項。添加電容器的缺點是它引入了-90度的相位滯后，與其他反饋環(huán)路相位滯后相結(jié)合，可能會使電路接近不穩(wěn)定狀態(tài)。

制造商在其模塊上有助于提供誤差放大器輸出引腳（例如凌力爾特公司的LTC3851上的“ITH”引腳，這是一種同步降壓開關穩(wěn)壓控制器，最大開關頻率為810 kHz）。通過將大電容（例如0.1μF）連接到該引腳，可以進行快速測試以檢查控制環(huán)路是否是電源不穩(wěn)定的根源。如果缺乏補償是電路不穩(wěn)定的原因，電容器通常會將電源帶寬降低到低頻誘導穩(wěn)定性。如果電容沒有影響，建議工程師到其他地方尋找不穩(wěn)定源。

可以在原電容上串聯(lián)一個電阻（Rth），以提高穩(wěn)定性。電阻器的作用是增加“零”（Sthz），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，從而在該頻率處顯著增加相位，從而改善電壓環(huán)的相位裕度和穩(wěn)定性。圖3示出了這種補償網(wǎng)絡的小信號模型和其頻率響應的波特圖（疊加在單獨的電容器的效果上（藍色虛線））。注意附加零點如何提高交叉頻率處的相位裕度。

圖3：顯示誤差放大器和電阻/電容補償網(wǎng)絡及相關波特圖的小信號模型。 （由凌力爾特公司提供）

不幸的是，電阻不僅僅能提供相位超前;它還可以提高高頻增益。這種副作用增加了開關調(diào)節(jié)器工作頻率（通常很高）下功率元件產(chǎn)生的噪聲會影響輸出的可能性。

解決方案是添加第二個電容（Cthp），其值遠低于Cth，盡可能靠近電源模塊的ITH引腳，將引腳連接到地。這個第二個電容的引入在波特圖中引入了一個高頻“極點”，理想情況下應位于交叉頻率和開關頻率（fs）之間。極點的作用是降低開關頻率附近的增益。 （該組件也可能會降低交叉頻率的相位，因此必須仔細選擇其值以抵消相位裕度的噪聲抗擾度。）這種二（II）極，零補償網(wǎng)絡稱為II型。

圖4顯示了推薦與Intersil ISL85415降壓開關穩(wěn)壓器一起使用的II型補償網(wǎng)絡。該器件的開關頻率為500 kHz，輸入電壓為3至36 V，輸出電壓為0.6至34 V，最高電壓為500 mA。

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

圖5顯示了使用圖4所示補償網(wǎng)絡的降壓轉(zhuǎn)換器的波特圖。使用此補償網(wǎng)絡，開關轉(zhuǎn)換器具有75 kHz帶寬，61°相位裕度和6 dB增益裕度。

圖5：使用補償網(wǎng)絡的Intersil降壓轉(zhuǎn)換器的波特圖，如圖4所示。

雖然II型補償網(wǎng)絡可以工作好吧，電源頻率響應的進一步細化可以通過實現(xiàn)更復雜的補償網(wǎng)絡來實現(xiàn)，該補償網(wǎng)絡以類似于II型網(wǎng)絡的方式對增益的頻率進行整形，但稍微進一步。該網(wǎng)絡具有三個（III）極和兩個（或三個）零，稱為III型。

與上述II型網(wǎng)絡一樣，低頻極點提供高DC增益以最小化DC調(diào)節(jié)誤差，并且第一個高頻極點用于抵消輸出濾波器產(chǎn)生的零點電容器的等效串聯(lián)電阻（ESR）為零（fESR）。與II型網(wǎng)絡一樣，第二個高頻極點位于交叉頻率之后，以衰減反饋環(huán)路中的開關噪聲，而不會顯著影響相位裕量。電感和電容會在功率級產(chǎn)生其他零點。

III型補償既復雜又耗時，因為它需要找到6個R/C值的最佳組合。電源模塊制造商Intersil在參考文獻[3]中為這些值的初始計算提供了一些指導。圖6顯示了III型補償網(wǎng)絡。電路會產(chǎn)生圖7所示轉(zhuǎn)換器的頻率響應。重要的是補償網(wǎng)絡增益不要超過誤差放大器的開環(huán)增益。

圖6：III型補償網(wǎng)絡。 （由Linear Technology提供）

圖7：使用圖6所示的補償網(wǎng)絡切換調(diào)節(jié)器頻率響應（藍色），頻率響應為A（ s）（紅色）。 （由Linear Technology提供）

分析軟件

III類補償網(wǎng)絡值的初始計算應僅作為指導，建議生成實際增益和相位圖通過使用具有繪圖能力的商業(yè)分析軟件包。生成增益和相位圖后，可能需要稍微更改元件值以獲得更好的響應。

所有主要的電源模塊制造商都提供軟件包，使補償網(wǎng)絡設計成為一個相對簡單的過程。例如，凌力爾特公司提供其LTpowerCAD，該公司稱其為“完整的電源設計工具程序，可以顯著簡化電源設計任務?！蓖瑯樱琁ntersil提供其PowerNavigator軟件（主要用于數(shù)字電源），Fairchild半導體供應電源WebDesigner和德州儀器（TI）功率級設計工具“幫助設計最常用的開關模式電源的功率級?！?/p>

另一種可以讓工程師的生活更輕松的選擇是選擇具有內(nèi)部補償功能的芯片。缺點是缺乏靈活性，因為設計人員堅持使用芯片供應商的補償方案，這可能不適合他或她的應用，但優(yōu)點是設計更簡單，外部元件更少，材料清單減少（BOM） ）。

具有內(nèi)部補償?shù)男酒纠荰I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)為1至28 V輸出驅(qū)動高達500 mA的負載電流。 LM46000具有200 kHz至2.2 MHz的可調(diào)開關頻率。

尋求幫助

設計基于半導體制造商的電源模塊的開關穩(wěn)壓器看起來很簡單。所有主要供應商都為其產(chǎn)品提供應用電路，以確保電源在給定的條件下運行。但是，最終產(chǎn)品可以呈現(xiàn)應用程序信息未涵蓋的一組獨特的操作條件。這樣的操作條件可能暴露初始設計中的不穩(wěn)定性并且需要補償網(wǎng)絡形式的附加電路。

補償網(wǎng)絡設計的細節(jié)并非易事，需要對控制理論有一個合理的理解，包括分析S平面中的極點和零點。由于缺乏經(jīng)驗，過度補償可能太容易導致帶寬受限且瞬態(tài)響應差的設計。這種設計需要過大的輸出電容，以改善瞬態(tài)響應，增加材料清單（BOM）和電源尺寸。

建議沒有經(jīng)驗的工程師訪問電源模塊供應商的在線資源，如凌力爾特公司，飛兆半導體，Intersil和TI的指導。此外，這些制造商都提供軟件包以減輕環(huán)路補償網(wǎng)絡設計的復雜性。