【導讀】不穩定的電源可能導致嚴重的系統問題，例如無源組件產生可聞噪聲、開關頻率意外抖動、負載瞬態事件期間輸出電壓極端振蕩，以及半導體開關故障等。盡管導致不穩定的原因各不相同，但在開關電源中，絕大多數不穩定問題都源于未調整的補償網絡。本文將提供指南幫助您確定電源不穩是否源于未調整的補償網絡，同時提供一些技巧來提高其穩定性。
瞬態響應：電源穩定性的度量
開關電源的瞬態性能有兩個主要標準：帶寬（BW）和相位裕量（PM）。BW越高瞬態響應越快；另一方面，PM越高穩定性也越好。要獲得良好的瞬態性能，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的電源的典型瞬態響應。在發生負載轉換時，輸出電壓會經歷幾次振蕩，然后穩定。測量負載轉換期間輸出電壓的振蕩次數是衡量電源穩定性的好方法。振蕩次數與PM直接相關，因此與電源穩定性也直接相關。
圖1：電源的典型瞬態響應
開關穩壓器中的補償網絡
開關穩壓器常用的補償網絡有兩種：II型和III型。II型補償網絡采用零極點集來實現所需的BW和PM。為進一步改善穩壓器的瞬態響應，我們采用III型補償網絡。III型補償網絡增加了一個額外的零極點集，這將有助于實現更高的BW和/或更高的PM。圖2顯示了III型補償網絡原理圖。
圖2：III型補償網絡原理圖
本文將說明如何使用簡單的技術來穩定不穩定的電源。注意，僅當不穩定源是未調整的補償網絡時，這里提到的技術才有效。
我們從補償網絡實現的角度出發，介紹兩種類型的開關穩壓器：具有外部補償網絡的開關穩壓器和具有內部補償網絡的開關穩壓器。圖3顯示了這兩種電源類型的典型應用電路。
a) 內部補償網絡
b) 外部補償網絡
圖3：電源中的兩種補償網絡類型
采用調節器來穩定不穩定的電源
如上所述，通過查看開關穩壓器對負載變化的瞬態響應，可以驗證其不穩定性。
圖1是一個不穩定電源的示例，當發生負載轉換時，電源的輸出電壓上出現了多次振蕩。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）已經下降后，幅度曲線（藍色）才達到0dB。要獲得適當的PM和良好的穩定性，必須在相位曲線開始下降之前出現幅度曲線的0dB點。
下面介紹的技術將能夠快速修復不穩定的開關電源，同時我們還提供一些方法檢查降低BW是否可以提高穩定性。如果穩定性隨BW的顯著降低而提高了，則可以確認不穩定的根源是未調整的補償網絡。
請注意，降低BW可以實現兩個目的來提高穩定性。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，從而提高穩定性。
帶外部補償網絡的穩壓器
具有外部補償網絡的電源，其補償網絡位于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
具有內部補償網絡的穩壓器
對于具有內部補償網絡的穩壓器，COMP引腳不可用。因此，必須使用外部調節器來減小BW并提高穩定性。而限制帶寬的最有效方法是在反饋引腳上串聯一個電阻（稱為FB串聯電阻）。
圖6顯示了添加FB串聯電阻之后的效果。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，并提高了電源的穩定性。FB串聯電阻越大，BW降低得越多。典型的FB串聯電阻范圍應在5kΩ至100kΩ之間。
不穩定電源排障建議技術的驗證 此示例中我們使用了兩款MPS產品。其中，MPM3530是一款具有外部補償網絡的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絡的36V / 2A同步降壓穩壓器，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，補償網絡組件的選擇使穩壓器變得不穩定，具體為將圖8（a）中的R3從2.53kΩ增加到16kΩ，穩壓器變得不穩定。圖9顯示了MPM3530的瞬態響應及其波特圖。輸出上的大量振蕩顯示出較低的穩定性，波特圖上僅2°的小PM也證實了其低穩定性。
圖9：未調整補償網絡時，MPM3530的瞬態響應和波特圖
圖10顯示了在COMP引腳上添加1µF電容后瞬態響應的變化。輸出端的高振蕩得到抑制，意味著穩定性得到了改善。波特圖顯示出BW如愿顯著降低，而BW降低導致PM大幅增加，從而提高了穩定性。
然而，其穩定性的提高是以響應變慢為代價的，輸出電壓的穩定時長從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定性的改善
如圖8（b）所示，COMP引腳在具有內部補償網絡的穩壓器（例如MPQ4420）中不可用。圖11顯示了在沒有任何FB串聯電阻的條件下， MPQ4420’s的瞬態響應（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串聯電阻時，MPQ4420的瞬態響應和波特圖
圖12顯示出，將R3從0Ω改為51kΩ，如何顯著降低了瞬態響應期間的振蕩。不出所料，引入FB串聯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，帶寬變為21kHz，而PM從11°改善為43.5°。
圖12：連接FB串聯電阻時，MPQ4420的瞬態響應和波特圖
電源瞬態響應的進一步改善
盡管圖12所示的輸出具有較高的穩定性和更少的振蕩，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器來改善PM，而不用犧牲BW造成穩壓器響應速度降低。這種解決方案即采用前饋電容器（CFF）。
II型內部補償網絡不提供任何相位提升。如果需要提升相位，則在反饋網絡上添加CFF（見圖13）。CFF可以向補償網絡添加另一個零點，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以實現更快的瞬態響應。
圖13：帶前饋電容的MPQ4420原理圖
圖14顯示了具有19kΩFB串聯電阻和220pF CFF的MPQ4420瞬態響應和波特圖。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串聯電阻和CFF的MPQ4420瞬態性能
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定問題。針對具有內部補償網絡的穩壓器和具有外部補償網絡的穩壓器，提出了不同的穩定技術。通過將所建議的技術應用于MPS的MPM3530和MPQ4420。
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