開關穩(wěn)壓器補償器?是一種用于改善開關穩(wěn)壓器性能的設備，主要通過調(diào)整其頻率響應來優(yōu)化其在不同條件下的穩(wěn)定性和響應速度。開關穩(wěn)壓器(DC-DC轉(zhuǎn)換器)通過控制回路來維持輸出電壓的穩(wěn)定，而補償器網(wǎng)絡則是這個控制回路的一部分，用于調(diào)整頻率響應，確保開關穩(wěn)壓器在各種負載和輸入電壓變化下都能保持良好的性能。

補償器的作用和重要性

補償器的主要作用是改善開關穩(wěn)壓器的頻率響應，從而提升其在瞬態(tài)變化下的反應時間、精度和穩(wěn)定性。通過添加補償器網(wǎng)絡，工程師可以調(diào)整開關穩(wěn)壓器的交叉頻率和相位裕度，確保其在寬頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，同時具有良好的動態(tài)響應和負載調(diào)節(jié)能力?1。

補償器的設計和應用

補償器的設計需要考慮多個因素，包括環(huán)路帶寬、相位裕度和增益裕度等。環(huán)路帶寬定義了開關穩(wěn)壓器的響應速度，而相位裕度和增益裕度則確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和魯棒性。經(jīng)驗豐富的工程師通常會設定相位裕度在45°到315°之間，以確保系統(tǒng)的穩(wěn)定性和良好的瞬態(tài)響應?1。

補償器的類型和實現(xiàn)方式

補償器可以通過不同的網(wǎng)絡類型來實現(xiàn)，包括無源元件(如電容和電阻)和有源元件(如運算放大器)。這些元件組合在一起，形成控制回路的一部分，通過調(diào)整反饋信號來優(yōu)化開關穩(wěn)壓器的性能?1。

DC-DC 開關電壓轉(zhuǎn)換器(或“開關穩(wěn)壓器”)的控制回路可以通過其頻率響應來表征。頻率響應會影響開關穩(wěn)壓器對瞬態(tài)變化的反應時間、精度和穩(wěn)定性，進而影響它在輸入電壓、負載和占空比變化的情況下保持設定電壓輸出的能力。

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，以使開關穩(wěn)壓器的交叉頻率處于最佳位置(提供高帶寬)，但該單元具有足夠的相位和增益裕度，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，最終的結(jié)果是開關穩(wěn)壓器在很寬的頻率范圍內(nèi)保持穩(wěn)定，但不會過度補償，因此其動態(tài)響應很差。

本文介紹了開關穩(wěn)壓器補償器網(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

設計工程師經(jīng)常會發(fā)現(xiàn)他或她的開關穩(wěn)壓器的初始電路布局被證明是不穩(wěn)定的。不穩(wěn)定性會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) 過熱和其他不良副作用。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)定開關穩(wěn)壓器的電流和電壓輸出。(由凌力爾特提供)

盡管造成不穩(wěn)定的原因有很多——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。為了解決這個問題，工程師必須添加一個補償網(wǎng)絡。如果實施得當，補償網(wǎng)絡 (A(s)) 的輸出連同反饋電壓 (V FB ) 分壓器將調(diào)整控制回路特性，以確保直流(零頻率)增益高、交叉頻率(或帶寬)(f c ) 高，良好的相位和增益裕量使開關穩(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)定性裕度來量化。帶寬由交叉頻率定義，在該頻率處環(huán)路增益等于一 (0 dB)。更高的帶寬有助于快速瞬態(tài)響應，但會犧牲環(huán)路穩(wěn)定性裕度和控制環(huán)路對開關噪聲的敏感度。環(huán)路穩(wěn)定性裕度通常由相位裕度和增益裕度來量化。相位裕度定義為交越頻率處的總相位延遲與 -180° 之間的差異，而增益裕度是 180° 相位滯后時的增益。

假設增益圖僅通過 0 dB 一次(對于在輸出級具有低通濾波器的穩(wěn)壓器來說幾乎總是如此)，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)絡的類型

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 顯示了降壓控制器的典型電壓模式控制方案。補償網(wǎng)絡形成誤差放大器的反饋電路。自從引入開關穩(wěn)壓器以來，工程師已經(jīng)開發(fā)出三種常用的補償網(wǎng)絡(以它們引入控制回路的零點和極點的數(shù)量命名)，類型 I、II 和 III。

圖 2：將補償網(wǎng)絡添加到誤差放大器的降壓開關穩(wěn)壓器控制環(huán)路。(由凌力爾特提供)

類型 1 補償使電路的直流增益最大化，從而使直流調(diào)節(jié)誤差最小化。補償是通過在誤差放大器的輸出端添加一個電容器 (C th ) 來實現(xiàn)的。電容器的添加在 A(s) 內(nèi)創(chuàng)建了一個積分項，具有無限高的直流增益。添加電容器的缺點是它引入了 -90 度的相位滯后，再加上其他反饋回路相位滯后，會使電路接近不穩(wěn)定。

制造商在其模塊上提供了一個誤差放大器輸出引腳(例如凌力爾特公司的LTC3851上的“ITH”引腳，這是一種最大開關頻率為 810 kHz 的同步降壓開關穩(wěn)壓器控制器)?？梢酝ㄟ^將一個大電容(例如 0.1 μF)連接到該引腳來執(zhí)行快速測試，以檢查控制回路是否是電源不穩(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的帶寬降低到低頻誘導穩(wěn)定性。如果電容器不起作用，建議工程師到別處尋找不穩(wěn)定源。

可以在原電容上串聯(lián)一個電阻(R th )以提高穩(wěn)定性。電阻器的作用是添加一個“零” (S thz )，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，從而顯著增加該頻率的相位，提高電壓環(huán)路的相位裕度和穩(wěn)定性。圖 3 顯示了這種補償網(wǎng)絡的小信號模型及其頻率響應的波特圖(疊加在電容器單獨的影響上(藍色虛線))。請注意額外的零如何提高交叉頻率處的相位裕度。

圖 3：小信號模型顯示了誤差放大器和電阻/電容補償網(wǎng)絡以及相關的波特圖。(由凌力爾特提供)

不幸的是，電阻器不僅僅起到了相位超前的作用。它還提高了高頻的增益。這種副作用增加了功率元件在開關穩(wěn)壓器的工作頻率(通常很高)下產(chǎn)生的噪聲影響輸出的可能性。

解決方案是添加第二個電容(C thp)，其值遠低于 C th，盡可能靠近電源模塊的 ITH 引腳，將引腳接地。第二個電容器的引入將高頻“極點”引入伯德圖中，理想情況下，該極點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。(該組件還可能會降低交叉頻率處的相位，因此必須仔細選擇其值以權衡抗噪性與相位裕度。)這種二 (II) 極點、一零補償網(wǎng)絡稱為 II 型。

圖 4 顯示了推薦用于Intersil ISL85415降壓開關穩(wěn)壓器的 II 型補償網(wǎng)絡。該器件以 500 kHz 的開關頻率運行，需要 3 至 36 V 的輸入，并在高達 500 mA 時提供 0.6 至 34 V 的輸出。

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。使用該補償網(wǎng)絡，開關轉(zhuǎn)換器具有 75 kHz 的帶寬、61° 的相位裕度和 6 dB 的增益裕度。

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

雖然 II 型補償網(wǎng)絡可以很好地工作，但可以通過實施更復雜的補償網(wǎng)絡來實現(xiàn)電源頻率響應的進一步細化，該補償網(wǎng)絡以類似于 II 型網(wǎng)絡的方式塑造增益相對于頻率的曲線，但需要事情稍微進一步。該網(wǎng)絡具有三個 (III) 極點和兩個(或三個)零點，被稱為 III 型。

與上述 II 類網(wǎng)絡一樣，低頻極點提供高直流增益以最大限度地減少直流調(diào)節(jié)誤差，并且放置第一個高頻極點以抵消輸出濾波電容器的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 產(chǎn)生的零零(f ESR)。與 II 類網(wǎng)絡一樣，第二個高頻極點放置在交叉頻率之后，以衰減反饋環(huán)路中的開關噪聲，而不會顯著影響相位裕度。電感器和電容器導致功率級中的其他零點。

III 類補償復雜且耗時，因為它需要找到六個 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南。圖 6 顯示了 III 型補償網(wǎng)絡。該電路導致轉(zhuǎn)換器的頻率響應如圖 7 所示。重要的是補償網(wǎng)絡增益不超過誤差放大器的開環(huán)增益。

圖 6：III 型補償網(wǎng)絡。(由凌力爾特提供)

圖 7：使用圖 6 所示補償網(wǎng)絡的開關穩(wěn)壓器頻率響應(藍色)和頻率響應 A(s)(紅色)。(由凌力爾特提供)