开关稳压器补偿器网络如何影响电源的频率响应和最终性能

DC-DC 开关电压转换器（或“开关稳压器”）的控制回路可以通过其频率响应来表征。频率响应会影响开关稳压器对瞬态变化的反应时间、精度和稳定性，进而影响它在输入电压、负载和占空比变化的情况下保持设定电压输出的能力。

工程师可以通过添加补偿器网络来改善开关稳压器的频率响应。目标是调整频率响应，以使开关稳压器的交叉频率处于最佳位置（提供高带宽），但该单元具有足够的相位和增益裕度，以实现良好的动态响应、线路和负载调节以及稳定性。如果工作做得好，最终的结果是开关稳压器在很宽的频率范围内保持稳定，但不会过度补偿，因此其动态响应很差。

本文介绍了开关稳压器补偿器网络的基础知识，并解释了网络类型如何影响电源的频率响应和最终性能。

应对不稳定

设计工程师经常会发现他或她的开关稳压器的初始电路布局被证明是不稳定的。不稳定性会导致磁性元件或陶瓷电容器产生噪声、开关波形抖动、输出电压振荡、功率场效应晶体管 （FET） 过热和其他不良副作用。图 1 显示了不稳定降压（“降压”）开关稳压器的典型输出波形。

 

 

 

 

图 1：不稳定开关稳压器的电流和电压输出。（由凌力尔特提供）

尽管造成不稳定的原因有很多——例如，PCB 产生的噪声——一个常见的罪魁祸首是电源控制回路的补偿不足。为了解决这个问题，工程师必须添加一个补偿网络。如果实施得当，补偿网络 （A（s）） 的输出连同反馈电压 （V FB ） 分压器将调整控制回路特性，以确保直流（零频率）增益高、交叉频率（或带宽）（f c ） 高，良好的相位和增益裕量使开关稳压器具有良好的动态响应、线路和负载调节以及稳定性。

开关稳压器控制环路的性能由环路带宽和环路稳定性裕度来量化。带宽由交叉频率定义，在该频率处环路增益等于一 （0 dB）。更高的带宽有助于快速瞬态响应，但会牺牲环路稳定性裕度和控制环路对开关噪声的敏感度。环路稳定性裕度通常由相位裕度和增益裕度来量化。相位裕度定义为交越频率处的总相位延迟与 -180° 之间的差异，而增益裕度是 180° 相位滞后时的增益。

假设增益图仅通过 0 dB 一次（对于在输出级具有低通滤波器的稳压器来说几乎总是如此），如果交叉频率处的相位滞后小于 180°，则系统将是稳定的。经验丰富的工程师旨在实现大于 45°（且小于 315°）的相位裕度。通常，45° 的相位裕度是瞬态响应和阻尼之间的良好折衷。对于升压或降压开关稳压器，增益裕度应高于 10 dB。

补偿网络的类型

开关稳压器采用闭合反馈回路来调节输出电压。图 2 显示了降压控制器的典型电压模式控制方案。补偿网络形成误差放大器的反馈电路。自从引入开关稳压器以来，工程师已经开发出三种常用的补偿网络（以它们引入控制回路的零点和极点的数量命名），类型 I、II 和 III。

 

 

 

 

图 2：将补偿网络添加到误差放大器的降压开关稳压器控制环路。（由凌力尔特提供）

类型 1 补偿使电路的直流增益最大化，从而使直流调节误差最小化。补偿是通过在误差放大器的输出端添加一个电容器 （C th ） 来实现的。电容器的添加在 A（s） 内创建了一个积分项，具有无限高的直流增益。添加电容器的缺点是它引入了 -90 度的相位滞后，再加上其他反馈回路相位滞后，会使电路接近不稳定。

制造商在其模块上提供了一个误差放大器输出引脚（例如凌力尔特公司的LTC3851上的“ITH”引脚，这是一种最大开关频率为 810 kHz 的同步降压开关稳压器控制器）。可以通过将一个大电容（例如 0.1 µF）连接到该引脚来执行快速测试，以检查控制回路是否是电源不稳定的根源。如果缺乏补偿是电路不稳定的原因，电容器通常会将电源的带宽降低到低频诱导稳定性。如果电容器不起作用，建议工程师到别处寻找不稳定源。

可以在原电容上串联一个电阻（R th ）以提高稳定性。电阻器的作用是添加一个“零” （S thz ），提供 +90 相位超前。诀窍是选择正确的电阻值，以便在交叉频率之前引入相位超前，从而显着增加该频率的相位，提高电压环路的相位裕度和稳定性。图 3 显示了这种补偿网络的小信号模型及其频率响应的波特图（叠加在电容器单独的影响上（蓝色虚线））。请注意额外的零如何提高交叉频率处的相位裕度。

 

 

 

 

图 3：小信号模型显示了误差放大器和电阻/电容补偿网络以及相关的波特图。（由凌力尔特提供）

不幸的是，电阻器不仅仅起到了相位超前的作用。它还提高了高频的增益。这种副作用增加了功率元件在开关稳压器的工作频率（通常很高）下产生的噪声影响输出的可能性。

解决方案是添加第二个电容（C thp），其值远低于 C th，尽可能靠近电源模块的 ITH 引脚，将引脚接地。第二个电容器的引入将高频“极点”引入伯德图中，理想情况下，该极点应位于交叉频率和开关频率 （fs ）之间。极点的作用是降低开关频率附近的增益。（该组件还可能会降低交叉频率处的相位，因此必须仔细选择其值以权衡抗噪性与相位裕度。）这种二 （II） 极点、一零补偿网络称为 II 型。

图 4 显示了推荐用于Intersil ISL85415降压开关稳压器的 II 型补偿网络。该器件以 500 kHz 的开关频率运行，需要 3 至 36 V 的输入，并在高达 500 mA 时提供 0.6 至 34 V 的输出。

 

 

 

 

图 4：Intersil 降压转换器的 II 型补偿网络。

图 5 显示了使用图 4 所示补偿网络的降压转换器的波特图。使用该补偿网络，开关转换器具有 75 kHz 的带宽、6​​1° 的相位裕度和 6 dB 的增益裕度。

 

 

 

 

图 5：使用图 4 所示补偿网络的 Intersil 降压转换器的波特图。

虽然 II 型补偿网络可以很好地工作，但可以通过实施更复杂的补偿网络来实现电源频率响应的进一步细化，该补偿网络以类似于 II 型网络的方式塑造增益相对于频率的曲线，但需要事情稍微进一步。该网络具有三个 （III） 极点和两个（或三个）零点，被称为 III 型。

与上述 II 类网络一样，低频极点提供高直流增益以最大限度地减少直流调节误差，并且放置第一个高频极点以抵消输出滤波电容器的等效串联电阻 （ESR） 产生的零零（f ESR）。与 II 类网络一样，第二个高频极点放置在交叉频率之后，以衰减反馈环路中的开关噪声，而不会显着影响相位裕度。电感器和电容器导致功率级中的其他零点。

III 类补偿复杂且耗时，因为它需要找到六个 R/C 值的最佳组合。电源模块制造商 Intersil 在参考文献 ［3］ 中为这些值的初始计算提供了一些指南。图 6 显示了 III 型补偿网络。该电路导致转换器的频率响应如图 7 所示。重要的是补偿网络增益不超过误差放大器的开环增益。

 

 

 

 

图 6：III 型补偿网络。（由凌力尔特提供）

 

 

 

 

图 7：使用图 6 所示补偿网络的开关稳压器频率响应（蓝色）和频率响应 A（s）（红色）。（由凌力尔特提供）

分析软件

III 型补偿网络值的初始计算应仅视为指导，建议通过使用具有绘图功能的商用分析软件包生成实际增益和相位图。生成增益和相位图后，可能需要稍微更改组件值以获得更好的响应。

所有主要的功率模块制造商都提供软件包，使补偿网络设计成为一个相对简单的过程。例如，凌力尔特公司提供其 LTpowerCAD，该公司将其描述为“一个完整的电源设计工具程序，可以显着简化电源设计任务”。同样，Intersil 提供其 PowerNavigator 软件（主要用于数字电源）、Fairchild Semiconductor提供电源 WebDesigner 和德州仪器（TI） 的功率级设计工具“帮助设计最常用的开关模式电源的功率级”。

另一个可以让工程师更轻松的选择是选择具有内部补偿功能的芯片。缺点是失去了灵活性，因为设计人员受制于芯片供应商的补偿方案，这可能不适合他或她的应用，但优点是设计更简单、外部组件更少、材料清单 （BOM） ）。

具有内部补偿的芯片示例是 TI 的LM46000降压稳压器。该芯片能够在 3.5 至 60 V 的输入电压范围内驱动高达 500 mA 的负载电流，以实现 1 至 28 V 的输出。LM46000 具有 200 kHz 至 2.2 MHz 的可调开关频率。

寻求帮助

设计基于来自半导体制造商的电源模块的开关稳压器似乎很简单。所有主要供应商都为其产品提供应用电路，以确保电源在给定条件下运行。但是，最终产品可以呈现应用信息未涵盖的一组独特的操作条件。这种操作条件可能会暴露初始设计中的不稳定性，并需要补偿网络形式的附加电路。

补偿网络设计的细节并不重要，需要对控制理论有合理的理解，包括分析 S 平面中的极点和零点。由于缺乏经验，很容易过度补偿导致设计带宽受限和瞬态响应差。此类设计需要额外的输出电容来改善瞬态响应，从而增加材料清单 （BOM） 和电源尺寸。

建议没有经验的工程师访问电源模块供应商（如凌力尔特、飞兆半导体、Intersil 和 TI）的在线资源以获得指导。此外，这些制造商都提供软件包以减轻环路补偿网络设计的复杂性。

参考：

开关模式电源的建模和环路补偿设计，”Henry J. Zhang，应用笔记 149，凌力尔特公司，2015 年 1 月。

“开关模式电源的实用反馈环路设计注意事项”，Hangseok Choi，博士，飞兆半导体，2011 年。

“为单相电压模式降压稳压器设计稳定的补偿网络”，Doug Mattingly，TB417.1 技术简报，Intersil，2003 年 12 月。

“控制回路设计”，Lloyd Dixon，德州仪器，2001 年。