不穩(wěn)定開關(guān)電源的診斷和穩(wěn)定技巧
發(fā)布時(shí)間:2021-03-18 來源:Amir Ranjbar 責(zé)任編輯:wenwei
【導(dǎo)讀】不穩(wěn)定的電源可能導(dǎo)致嚴(yán)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(dòng)、負(fù)載瞬態(tài)事件期間輸出電壓極端振蕩,以及半導(dǎo)體開關(guān)故障等。盡管導(dǎo)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(bǔ)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò),同時(shí)提供一些技巧來提高其穩(wěn)定性。
瞬態(tài)響應(yīng):電源穩(wěn)定性的度量
開關(guān)電源的瞬態(tài)性能有兩個(gè)主要標(biāo)準(zhǔn):帶寬(BW)和相位裕量(PM)。BW越高瞬態(tài)響應(yīng)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?yàn)樵黾訋挼募夹g(shù)通常會(huì)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(yīng)。在發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)換時(shí),輸出電壓會(huì)經(jīng)歷幾次振蕩,然后穩(wěn)定。測量負(fù)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)。
圖1:電源的典型瞬態(tài)響應(yīng)
開關(guān)穩(wěn)壓器中的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)
開關(guān)穩(wěn)壓器常用的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)有兩種:II型和III型。II型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)采用零極點(diǎn)集來實(shí)現(xiàn)所需的BW和PM。為進(jìn)一步改善穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應(yīng),我們采用III型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。III型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)增加了一個(gè)額外的零極點(diǎn)集,這將有助于實(shí)現(xiàn)更高的BW和/或更高的PM。圖2顯示了III型補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)原理圖。
圖2:III型補(bǔ)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(dāng)不穩(wěn)定源是未調(diào)整的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí),這里提到的技術(shù)才有效。
我們從補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)實(shí)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的開關(guān)穩(wěn)壓器和具有內(nèi)部補(bǔ)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(yīng)用電路。
a) 內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)
b) 外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)
圖3:電源中的兩種補(bǔ)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(duì)負(fù)載變化的瞬態(tài)響應(yīng),可以驗(yàn)證其不穩(wěn)定性。
圖1是一個(gè)不穩(wěn)定電源的示例,當(dāng)發(fā)生負(fù)載轉(zhuǎn)換時(shí),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(duì)噪聲敏感的應(yīng)用中,帶寬必須進(jìn)一步限制為小于開關(guān)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(jīng)下降后,幅度曲線(藍(lán)色)才達(dá)到0dB。要獲得適當(dāng)?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(diǎn)。
下面介紹的技術(shù)將能夠快速修復(fù)不穩(wěn)定的開關(guān)電源,同時(shí)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(rèn)不穩(wěn)定的根源是未調(diào)整的補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。
請(qǐng)注意,降低BW可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)目的來提高穩(wěn)定性。首先,它會(huì)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)壓器
具有外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的電源,其補(bǔ)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)引起,可以在COMP引腳上接入一個(gè)大電容。該電容可以將一個(gè)低頻極點(diǎn)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(gè)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(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)壓器
對(duì)于具有內(nèi)部補(bǔ)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(gè)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(duì)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(yīng)在5kΩ至100kΩ之間。
不穩(wěn)定電源排障建議技術(shù)的驗(yàn)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的55V / 3A降壓電源模塊,圖8(a)為其典型應(yīng)用示意圖;MPQ4420是一款具內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的36V / 2A同步降壓穩(wěn)壓器,圖8(b)為其典型應(yīng)用示意圖。
a) MPM3530典型應(yīng)用示意圖
b) MPQ4420典型應(yīng)用示意圖
圖8: 典型應(yīng)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(bǔ)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(yīng)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(shí)了其低穩(wěn)定性。
圖9:未調(diào)整補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)時(shí),MPM3530的瞬態(tài)響應(yīng)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(yīng)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(dǎo)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(yīng)變慢為代價(jià)的,輸出電壓的穩(wěn)定時(shí)長從300µs大幅增加到了2ms。而且還要注意,由于對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)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(duì)穩(wěn)定性的改善
如圖8(b)所示,COMP引腳在具有內(nèi)部補(bǔ)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(yīng)(例如,圖8(a)中的R3設(shè)置為0Ω)。負(fù)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(rèn)開關(guān)頻率為410kHz,因此BW必須限制在41kHz以下。
圖11:沒有FB串聯(lián)電阻時(shí),MPQ4420的瞬態(tài)響應(yīng)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(yīng)期間的振蕩。不出所料,引入FB串聯(lián)電阻會(huì)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°。
圖12:連接FB串聯(lián)電阻時(shí),MPQ4420的瞬態(tài)響應(yīng)和波特圖
電源瞬態(tài)響應(yīng)的進(jìn)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(biāo)。進(jìn)一步降低帶寬不會(huì)對(duì)PM有任何額外的提升,并且會(huì)進(jìn)一步降低響應(yīng)時(shí)間。如前所述,較低的BW也會(huì)增加電壓下沖的幅度。
我們可以使用一個(gè)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(yīng)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(bǔ)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(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)添加另一個(gè)零點(diǎn),可以在不降低帶寬的情況下提高PM。實(shí)際上,如果正確選擇電容,則可以提高PM,同時(shí)也提高BW以實(shí)現(xiàn)更快的瞬態(tài)響應(yīng)。
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(yīng)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(dá)到78°,也符合PM> 60°的目標(biāo)。
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(gè)下沖,這證明該器件具有良好的穩(wěn)定性。而且,響應(yīng)時(shí)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(duì)具有內(nèi)部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的穩(wěn)壓器和具有外部補(bǔ)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(yīng)用于MPS的MPM3530和MPQ4420。
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