诊断和稳定不稳定开关电源的快速提示
不稳定的电源会导致严重的系统问题，例如来自无源元件的可听噪声、开关频率的意外抖动、负载瞬变事件期间输出电压的极端振荡以及半导体开关故障。虽然不稳定的原因有很多，但未调谐的补偿网络是开关电源不稳定问题的主要原因。本文提供了有关如何找出不稳定源是否是未调谐补偿网络的指导，并提供了提高不稳定电源稳定性的快速提示。
瞬态响应：电源稳定性的衡量标准
开关电源的瞬态性能由两个主要标准表征：带宽 （BW） 和相位裕度 （PM）。更高的 BW 会导致更快的瞬态响应。另一方面，更高的 PM 意味着更好的稳定性。为了获得可接受的瞬态性能，需要高 BW 和高 PM。然而，在 BW 和 PM 之间存在权衡。增加 BW 的技术通常会减少 PM，反之亦然。
图 1 显示了具有高 BW 和低 PM 的电源的典型瞬态响应。当发生负载转换时，输出电压在稳定在稳压电压之前会经历几次振荡。负载转换期间输出电压的振荡次数是衡量电源稳定性的一个很好的衡量标准。振荡次数与 PM 直接相关，因此与电源的稳定性有关。
图 1：电源的典型瞬态响应
开关稳压器中的补偿网络
通常有两种类型的补偿网络广泛用于开关稳压器：II 型和 III 型。II 类补偿网络采用零极点设置来实现所需的 BW 和 PM。为了进一步改善稳压器的瞬态响应，采用了 III 类补偿网络。III 型补偿网络增加了一个额外的零极点组，这有助于实现更高的 BW 和/或更高的 PM。图 2 显示了 III 型补偿网络原理图。
图 2：III 类补偿网络
本文的目的是展示如何使用简单的技术来稳定不稳定的电源。请注意，所提出的技术仅在不稳定源是未调整的补偿网络时才有效。
下面描述的两种类型的开关稳压器是从补偿网络实现的角度来看的。这两种类型是：具有外部补偿网络的开关稳压器和具有内部补偿网络的开关稳压器。图 3 显示了这两种电源类型的典型应用电路。
图 3：电源中的两种补偿网络
用于稳定不稳定电源的可用旋钮
如前所述，可以通过查看其对负载变化的瞬态响应来验证开关稳压器的不稳定性。
图 1 显示了一个不稳定电源的示例，当发生负载转换时，该电源的输出电压会出现多次振荡。图 4 显示了图 1 中电源的波特图。在此示例中，BW 为 65kHz，而 PM 仅为 16°。为了使电源具有可接受的瞬态性能，建议使用不超过开关频率 10% 的 BW 和 》60° 的 PM。图 1 电源的开关频率为 400kHz。这将允许的带宽限制为 《40kHz。在图 4 中，65kHz 的高带宽导致小 PM（仅 16°）。
请注意，在噪声敏感应用中，BW 必须进一步限制在开关频率的 5% 以下。
图 4：图 1 中电源的波特图
图 4 显示，当相位曲线（红色）已经下降时，幅度曲线（蓝色）达到 0dB。为了获得适当的 PM 和良好的稳定性，幅度曲线上的 0dB 点必须出现在相位曲线开始下降之前。
下面介绍的技术将使读者能够快速修复不稳定的开关电源，同时提供一些方法来查看降低 BW 是否可以提高稳定性。如果随着 BW 的显着降低而提高了稳定性，则可以确认不稳定的来源是未调整的补偿网络。
请注意，降低 BW 有两件事可以提高稳定性。首先，它使控制回路变慢。较慢的控制回路可防止或限制输出的尖峰和/或振荡。其次，降低 BW 可以增加 PM，从而提高稳定性。
具有外部补偿网络的调节器
在带有外部补偿网络的电源中，补偿网络放置在 COMP 引脚上。在这种情况下，一种快速查看输出振荡是否由未调谐补偿网络引起的方法是在 COMP 引脚处放置一个大电容器。COMP 引脚上的大电容器为控制环路引入了一个低频极点，从而显着限制了 BW。该电容越大，BW 越低。图 5 显示了在 COMP 引脚添加大电容的效果。COMP 引脚上电容器的典型范围介于 100nF 和 1μF 之间。
图 5：向 COMP 引脚添加大电容的效果
具有内部补偿网络的监管机构
对于具有内部补偿网络的稳压器，COMP 引脚不可用。因此，必须使用外部旋钮来降低 BW 并提高稳定性。限制具有内部补偿网络的开关稳压器 BW 的最有效方法是使用与反馈引脚串联的电阻器（称为 FB 串联电阻器）。
图 6 显示了添加 FB 串联电阻的影响。该电阻器将幅度曲线向下移动，而对相位曲线的影响很小。因此，它有效地限制了BW并增加了电源的稳定性。FB 串联电阻越大，BW 降低幅度越大。典型的 FB 系列电阻器的范围应介于 5kΩ 和 100kΩ 之间。
图 6：添加一个与 FB 引脚串联的电阻器的效果
对不稳定电源进行故障排除的建议技术的验证
本文将在此示例中使用两个部分。所述MPM3530是55V / 3A降压功率模块从外部补偿网络单片电力系统（MPS）。图 7（a） 显示了 MPM3530 的典型应用原理图。图 7（b） 显示了MPQ4420，这是一款来自 MPS 的 36V/2A 同步降压稳压器，带有内部补偿网络。
图 7：示例典型应用原理图
为了显示在 COMP 引脚添加大电容的效果，请考虑 MPM3530。在这个例子中，补偿网络组件的选择使得调节器变得不稳定。这是通过将图 7（a） 中的 R3 从 2.53kΩ 增加到 16kΩ 来实现的。图 8 显示了 MPM3530 的瞬态响应及其波特图。输出上的大量振荡代表低稳定性。波特图上仅 2° 的小 PM 证实了低稳定性。
图 8：具有未调谐补偿网络的 MPM3530 瞬态响应和波特图
图 9 显示了在 COMP 引脚上添加 1μF 电容器后瞬态响应会发生什么。输出的高振荡得到抑制，这意味着稳定性得到了提高。波特图显示 BW 已按预期显着降低。BW 减少导致 PM 显着增加，从而提高稳定性。
然而，稳定性的提高是以响应速度变慢为代价的；输出电压建立时间显着增加，从 300µs 增加到 2ms。另请注意，由于对负载变化的响应较慢，最大电压下冲增加至 700mV，而图 8 中为 15mV。
图 9：大电容在 MPM3530 的 COMP 引脚上的稳定性改进效果
如图 7（b） 所示，COMP 引脚在具有内部补偿网络的稳压器中不可用，例如 MPQ4420。图 10 显示了没有任何 FB 串联电阻器的 MPQ4420 的瞬态响应（例如，图 7（a） 中的 R3 设置为 0Ω）。负载转换期间输出电压的高振荡表明稳定性低。查看波特图，BW 为 72kHz，而 PM 仅为 11°。由于 MPQ4420 的默认开关频率为 410kHz，因此带宽必须限制在 41kHz 以下。
图 10：没有 FB 系列电阻器的 MPQ4420 瞬态响应和波特图
图 11 显示了将 R3 从 0Ω 更改为 51kΩ 如何显着降低瞬态响应期间的振荡。正如预期的那样，FB 系列电阻的引入使幅度曲线向下移动，这意味着更低的 BW 和更高的 PM。在这种情况下，新的 BW 为 21kHz，PM 已从 11° 提高到 43.5°。
图 11：带有 FB 系列电阻器的 MPQ4420 瞬态响应和波特图
电源瞬态响应的进一步改进
尽管图 12 所示的输出具有更高的稳定性和更少的振荡，但 PM 仍低于 60° 目标。进一步降低 BW 不会为 PM 提供任何额外的提升，并且会进一步减慢响应时间。如前所述，较低的 BW 也会增加电压下冲的幅度。
额外的旋钮可用于改善 PM，而不会通过牺牲 BW 使调节器变慢。该解决方案是前馈电容器 （C FF ）。
因为这是一个 Type-II 内部补偿网络，它不提供任何相位提升。如果需要相位提升，请在反馈网络上添加 C FF（参见图 12）。C FF向补偿网络添加另一个零，可以在不降低 BW 的情况下提高 PM。事实上，如果电容选择得当，可以改善PM，也可以增加BW，以实现更快的瞬态响应。
图 12：带前馈电容器的 MPQ4420 原理图
图 13 显示了具有 19kΩ FB 串联电阻和 220pF C FF的 MPQ4420 的瞬态响应和波特图。如图所示，BW 增加到 40kHz，正好是开关频率的 10%，PM 达到 78°，符合 》60° 的目标 PM。
图 13：带有 FB 系列电阻器和 C FF 的MPQ4420 瞬态性能
图 13 显示输出电压只有 1 个下冲，证实该器件具有良好的稳定性。响应时间也减少到大约 60µs，下冲电压减少到只有 8mV。
结论
本文探讨了诊断和解决开关电源不稳定问题的几个快速技巧。提出了单独的技术来稳定具有内部补偿网络的调节器与具有外部补偿网络的调节器。通过将这些技术应用于MPS的MPM3530和MPQ4420，验证了所提出技术的有效性，本文展示了前馈电容器如何进一步改善开关稳压器的瞬态响应。
审核编辑：郭婷
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