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不穩(wěn)定開關(guān)電源的診斷和穩(wěn)定技巧

發(fā)布時間:2021-03-18 來源:Amir Ranjbar 責任編輯:wenwei

【導讀】不穩(wěn)定的電源可能導致嚴重的系統(tǒng)問題,例如無源組件產(chǎn)生可聞噪聲、開關(guān)頻率意外抖動、負載瞬態(tài)事件期間輸出電壓極端振蕩,以及半導體開關(guān)故障等。盡管導致不穩(wěn)定的原因各不相同,但在開關(guān)電源中,絕大多數(shù)不穩(wěn)定問題都源于未調(diào)整的補償網(wǎng)絡(luò)。本文將提供指南幫助您確定電源不穩(wěn)是否源于未調(diào)整的補償網(wǎng)絡(luò),同時提供一些技巧來提高其穩(wěn)定性。
 
瞬態(tài)響應:電源穩(wěn)定性的度量
 
開關(guān)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(quán)衡,因為增加帶寬的技術(shù)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(zhuǎn)換時,輸出電壓會經(jīng)歷幾次振蕩,然后穩(wěn)定。測量負載轉(zhuǎn)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(guān),因此與電源穩(wěn)定性也直接相關(guān)。 
 
不穩(wěn)定開關(guān)電源的診斷和穩(wěn)定技巧
圖1:電源的典型瞬態(tài)響應
 
開關(guān)穩(wěn)壓器中的補償網(wǎng)絡(luò)
 
開關(guān)穩(wěn)壓器常用的補償網(wǎng)絡(luò)有兩種:II型和III型。II型補償網(wǎng)絡(luò)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(luò)。III型補償網(wǎng)絡(luò)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(luò)原理圖。 
 
不穩(wěn)定開關(guān)電源的診斷和穩(wěn)定技巧
圖2:III型補償網(wǎng)絡(luò)原理圖
 
本文將說明如何使用簡單的技術(shù)來穩(wěn)定不穩(wěn)定的電源。注意,僅當不穩(wěn)定源是未調(diào)整的補償網(wǎng)絡(luò)時,這里提到的技術(shù)才有效。
 
我們從補償網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)的角度出發(fā),介紹兩種類型的開關(guān)穩(wěn)壓器:具有外部補償網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)穩(wěn)壓器和具有內(nèi)部補償網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)穩(wěn)壓器。圖3顯示了這兩種電源類型的典型應用電路。
 
不穩(wěn)定開關(guān)電源的診斷和穩(wěn)定技巧
a) 內(nèi)部補償網(wǎng)絡(luò)
 
不穩(wěn)定開關(guān)電源的診斷和穩(wěn)定技巧
b) 外部補償網(wǎng)絡(luò)
圖3:電源中的兩種補償網(wǎng)絡(luò)類型
 
采用調(diào)節(jié)器來穩(wěn)定不穩(wěn)定的電源
 
如上所述,通過查看開關(guān)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(zhuǎn)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(guān)頻率的10%,且PM大于60°。圖1電源的開關(guān)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(guān)頻率的5%。 
 
不穩(wěn)定開關(guān)電源的診斷和穩(wěn)定技巧
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(shù)將能夠快速修復不穩(wěn)定的開關(guān)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(diào)整的補償網(wǎng)絡(luò)。
 
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(luò)的穩(wěn)壓器
 
具有外部補償網(wǎng)絡(luò)的電源,其補償網(wǎng)絡(luò)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(diào)整的補償網(wǎng)絡(luò)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。 
 
不穩(wěn)定開關(guān)電源的診斷和穩(wěn)定技巧
圖5:在COMP引腳上添加大電容的效果
 
具有內(nèi)部補償網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)壓器
 
對于具有內(nèi)部補償網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)壓器,COMP引腳不可用。因此,必須使用外部調(diào)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)定開關(guān)電源的診斷和穩(wěn)定技巧
 
不穩(wěn)定電源排障建議技術(shù)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(luò)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(nèi)部補償網(wǎng)絡(luò)的36V / 2A同步降壓穩(wěn)壓器,圖8(b)為其典型應用示意圖。
 
不穩(wěn)定開關(guān)電源的診斷和穩(wěn)定技巧
a) MPM3530典型應用示意圖
 
不穩(wěn)定開關(guān)電源的診斷和穩(wěn)定技巧
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(luò)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。 
 
不穩(wěn)定開關(guān)電源的診斷和穩(wěn)定技巧
圖9:未調(diào)整補償網(wǎng)絡(luò)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。 
 
不穩(wěn)定開關(guān)電源的診斷和穩(wěn)定技巧
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(nèi)部補償網(wǎng)絡(luò)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(shè)置為0Ω)。負載轉(zhuǎn)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(guān)頻率為410kHz,因此BW必須限制在41kHz以下。 
 
不穩(wěn)定開關(guān)電源的診斷和穩(wěn)定技巧
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°。 
 
不穩(wěn)定開關(guān)電源的診斷和穩(wěn)定技巧
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(diào)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(nèi)部補償網(wǎng)絡(luò)不提供任何相位提升。如果需要提升相位,則在反饋網(wǎng)絡(luò)上添加CFF(見圖13)。CFF可以向補償網(wǎng)絡(luò)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。 
 
不穩(wěn)定開關(guān)電源的診斷和穩(wěn)定技巧
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(guān)頻率的10%;而PM達到78°,也符合PM> 60°的目標。 
 
不穩(wěn)定開關(guān)電源的診斷和穩(wěn)定技巧
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(jié)論
 
本文探討的快速技巧可以診斷和解決開關(guān)電源中的不穩(wěn)定問題。針對具有內(nèi)部補償網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)壓器和具有外部補償網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)壓器,提出了不同的穩(wěn)定技術(shù)。通過將所建議的技術(shù)應用于MPS的MPM3530和MPQ4420。
 
 
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