如何使用智能、宽带宽内部补偿缩小电源解决方案

系统工程师努力采用更小的电源解决方案尺寸，以便在PCB上为其产品的独特功能留出足够的空间。内部补偿是一种减小电源解决方案尺寸的技术;但是，这种方法确实有一些权衡。本应用笔记探讨了不同的内部补偿技术，并重点介绍了最有效的方法。

介绍

用于当今设计的PCB已经非常拥挤，特别是为了适应最终产品的关键功能。这是 为什么系统工程师努力缩小电源解决方案的尺寸。有多种技术可以减少 电源解决方案的大小。其中一种技术是内部补偿，其中繁琐的外部反馈 补偿网络集成到IC中。

然而，内部补偿并非没有缺点。此方法会影响电源解决方案环路的带宽和 稳定性。让我们仔细看看各种内部补偿技术，其中一种提供宽环路带宽 实现高集成度，无需牺牲环路的带宽和稳定性。

简单的内部补偿

图1所示为典型电源电路及其反馈环路和外部补偿电路。补偿 电路针对特定工作条件（输入电压、输出电压、开关频率和输出）进行了优化 电容器）。当一个或多个电路工作参数发生变化时，补偿电路值必须 根据新的电路工作条件进行了更改以优化回路性能。

图1.显示外部补偿的降压转换器原理图。

简单的内部补偿基本上集成了该补偿电路，该电路针对一个特定的 工作状态，进入IC。带有此内部补偿电路的IC工作正常，直到一个或多个 操作参数更改。图2所示为具有简单内部补偿的电源解决方案。

图2.显示简单内部补偿的降压转换器原理图。

内部补偿针对一种特定的工作条件进行了优化。在这种特定的操作条件下， 这个转换器效果很好。但是，它也仅限于这种操作条件。当 工作条件变化（例如，改变 VO， F西 南部和/或 CO值）。

智能、宽带宽内部补偿

图3所示为采用智能、宽带宽内部补偿的降压转换器原理图。这 技术允许调整以适应不同的电路条件，并保留优化的环路带宽 广泛的工作电路参数。它还最大限度地减少了外部元件的数量，从而产生了高度 集成式紧凑型电源解决方案。

图3.显示智能、宽带宽内部补偿的降压转换器原理图。

简单的内部补偿示例

在这里，我们举一个降压转换器实现简单内部补偿技术的示例。图4a、图4b和表1提供了原理图、评估板和物料清单（BOM）。

图 4a.显示简单内部补偿的降压转换器原理图。

图 4b.具有简单内部补偿的降压转换器评估板。

表 1.用于具有简单内部补偿的降压转换器的BOM

 

指示器	描述	数量
C04， C05	电容， CERM， 0.022μF， 100V， +/-5%， X7R， 0805	2
加拿大商业协会	电容， CERM， 4.7μF， 50V， +/-10%， X5R， 0805	1
开机式	电容， CERM， 0.47μF， 16V， +/-10%， X7R， 0805	1
CFF	电容， CERM， 100pF， 50V， +/-5%， C0G/NP0， 0603	1
CIN1	电容， CERM， 0.47μF， 100V， +/-10%， X7R， 0805	1
CIN2	电容， CERM， 1μF， 100V， +/-10%， X7R， 1210	1
CIN3	电容， CERM， 10μF， 100V， +/-20%， X7S， 2220	1
二氧化碳1、二氧化碳	电容， CERM， 47μF， 10V， +/-10%， X7R， 1210	2
视场角	电容， CERM， 1μF， 25V， +/-10%， X5R， 0805	1
.CSS	电容， CERM， 0.047μF， 50V， +/-10%， X7R， 0603	1
CVCC1	电容， CERM， 2.2μF， 10V， +/-10%， X7R， 0603	1
L_60V_HC	电感器， 屏蔽鼓磁芯， 铁氧体， 10μH， 5.35A， 0.0189O， SMD， 线圈电子 DR125-100-R 1®	1
其他电阻器	0603	8
U1	3.5- 60V 2A 降压转换器	1

 

这种特殊的降压转换器采用固定频率峰值电流模式控制。该器件在内部进行补偿。 开关频率可通过一个外部电阻器 RT 在 200kHz 至 2.2MHz 范围内进行设置。它默认为 500kHz，没有 RT。内部补偿针对 24V 输入、3.3V 输出、500kHz 开关频率和 2 x 47μF 陶瓷。虽然该转换器在此特定工作条件下运行良好，但它也仅限于此操作 条件。当工作条件发生变化（例如，改变 VO， F西 南部和/或 CO值）。

通过观察转换器对负载阶跃瞬态的响应，我们可以看到简单内部补偿的局限性。 在各种电路工作条件下。图5a显示了原始配置（2 x 47μF）的测试结果，而 图5b显示了输出电容量两倍（4 x 47μF）的结果。

图 5a.负载瞬态性能 - 简单补偿，原始配置 （CO– 2 x 47μF）。

图 5b.负载瞬态性能 - 补偿简单，输出电容翻倍（CO– 4 x 47μF）。

在图5a和图5b中，紫色迹线是输出负载电流步进从1A到2A，然后回 1A.绿色迹线是输出电压，显示响应负载变化的偏差。理想的转换器没有 负载变化时的电压偏差（即绿线是平坦的）。更快的转换器具有较小的电压偏差。 稳定的转换器具有性能良好的输出电压波形，可以从偏差中平稳恢复。

该原始电路（2 x 47μF）具有150mV峰峰值（pk-pk）电压偏差。当输出电容加倍至 4 x4 7μF，我们预计电压偏差将减小一半。但由于简单内部的限制 补偿，输出电容的增加会因此降低转换器环路带宽，从而对转换器环路带宽产生不利影响 影响转换器性能。因此，我们在本例中测量了134mV pk-pk。

因此，通过简单（有限）的内部补偿，将输出电容加倍只会降低输出负载瞬态 反应PK-PK略微达到89%。这 11% 的减少数字并不能证明增加 输出电容。系统工程师坚持原始转换器性能。尝试提高输出电压 偏差性能进一步导致成本和尺寸呈指数级增长。

智能、宽带宽内部补偿示例

图6a、图6b和表2显示了降压转换器的原理图、评估板和BOM 具有智能、宽带宽内部补偿的转换器。

图 6a.具有宽带宽内部补偿的降压转换器。

图 6b.具有宽带宽内部补偿的降压转换器评估板。

表 2.具有宽带宽内部补偿的降压转换器BOM

 

指示器	描述	数量
C1	2.2μF ±10%， 100V X7R 陶瓷电容器 （1210）	1
C2	2.2μF ±10%， 10V X7R 陶瓷电容器 （0603）	1
C3	5600pF ±10%， 25V X7R 陶瓷电容器 （0402）	1
C4	47μF ±10%， 10V X7R 陶瓷电容器 （1210）	1
C5	0.1μF ±10%， 16V X7R 陶瓷电容器 （0402）	1
C7	47μF、80V 铝电解电容器 （D = 10mm）	1
L1	6.8μH、5A 电感器。线艺MSS1048-682NL。 太阳汤电NS10165T6R8NNA®®	1
其他电阻器	0402	5
U1	4.5V-60V、2.5A、高效率、同步降压型DC-DC转换器，带内部补偿	1

 

该特定转换器也是一种固定频率峰值电流模式控制器件。但是，它具有智能， 宽带宽内部补偿。其评估套件的开关频率默认为450kHz。内部 补偿针对 24V 输入、3.3V 输出、450kHz 开关频率和 47μF 陶瓷输出电容器进行了优化。 请注意，这只是前面讨论的另一块板上输出电容量的一半。此降压转换器 只需一半的输出电容即可获得相当的输出瞬态响应，因为它很宽 环路带宽。

要检查智能、宽带宽内部补偿的性能，请观察转换器对负载阶跃的响应 在各种电路工作条件下瞬态。图7a显示了原始配置（47μF）下的测试结果， 而图7b显示了输出电容量（2 x 47μF）两倍时的结果。

图 7a.负载瞬态性能 - 原始配置中的智能、宽带宽补偿 （Co= 47μF， R3 = 127k， R4 = 47.5k）。

图 7b.负载瞬态性能 - 智能、宽带宽补偿，输出电容翻倍 （Co= 2 x 47μF， R3 = 52.3k， R4 = 19.6k）。

原始电路（47μF）的峰峰值电压偏差为176mV。当输出电容加倍至2 x 47uF时， 在 84mV 峰峰值时，电压偏差降至 48%，这得益于其智能、宽带宽的内部补偿。这 每次偏差后输出电压的良好恢复波形也显示出非常稳定的环路操作。 此外，与简单的内部补偿解决方案相比，该转换器最初只需要一半的量 的输出电容，由于其宽环路带宽，可实现相当的输出瞬态响应。

表3显示了简单内部补偿降压转换器与 智能、宽带宽内部补偿。

表 3.比较两种类型的降压转换器

 

	简单的内部补偿		智能、宽带宽内部补偿
	输出电容	VO偏差，包-包	输出电容	VO偏差，包-包
原始配置	2 x 47μF	150mV	47微呋喃	176mV
输出电容翻倍	4 x 47μF	134mV	2 x 47μF	84mV
VO 偏差百分比降低	-	11%	-	52%

 

请注意，在测量输出电压负载瞬态响应时，应使用低噪声示波器探头。图8显示了用于测量这些电压的方法。本实验中使用的设备包括：

电源： HP6032A

电子负载：安捷伦 6060B®

示波器：泰克TDS3034B®

使用的其他设置：

负载阶跃压摆率：1A/μs

输出电压探头带宽，通道4：20MHz

输出电流探头带宽，通道3：300MHz

图8.用于测量输出电压负载瞬态响应的低噪声探头技术。

总结

对于集成度更高的电源解决方案，内部补偿有助于减少外部元件数量和电路 复杂性。简单的内部补偿会降低系统性能，还会导致环路不稳定。 MAX17503以及Maxim的许多Himalaya转换器和功率模块产品均提供智能、宽带宽内部补偿，可实现两全其美：高集成度，同时保持最佳环路带宽和控制环路稳定性，通过最小化外部输出电容要求来减小尺寸和成本。

审核编辑：郭婷