电源/新能源
在电源领域里面,动态响应是电源的输出电压随着负载电流突变而变化,如果输出电压能够尽量保持稳定,变化幅值小,收敛快,我们认为它动态性能好,反之我们认为有动态问题。
图1:动态性能差的表现
有动态问题意味着负载电流变化时,系统调节速度不够快。
以输出电流突然上升为例,电感电流不能及时抬升,负载会从输出电容中抽取电荷,导致输出电压下跌。EA感知到下跌,在一段时间内Vcomp信号会上升,增大占空比,使得电压抬升。整个过程时间越短,正过冲和负过冲的幅值就越小。
图2:系统调节的流程
图3:各信号的变化
改善的方法是:增大输出电容、增大开关频率、改变comp引脚的配置等等。
但是通常开关频率是不可调整的,而comp脚也被越来越多的厂家集成进芯片内部,所以如何使得电源的调控速度更快便成了问题。
图4:越来越多的厂家把comp脚集成进芯片内部
于是,我们提出两种简单而有效的方法:调节RT电阻和调整前馈电容。
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调节RT电阻
调节FB引脚和Vout分压桥臂之间的电阻。改变它之所以可以调节动态性能可以从两个方面分析:
图5:调节RT电阻
从频域分析:
对分压桥臂和误差放大器进行小信号建模,我们可以得到这样的算式。由算式可知,减小RT电阻相当于增大了增益,系统的开环幅频曲线上移,截止频率右移,带宽增加,系统中更多的高频信号不被衰减,从而提升动态性能。
图6:系统Bode图
从时域分析:
减小RT电阻导致Vcomp信号对负载变化的响应更为迅速,因此能量从电源到负载传递的速度加快,从而提升系统的动态性能。
然而过宽的带宽会增加对高频噪声的敏感度。使得系统具有较低的相位裕量,会引发稳定性问题,反映在动态响应的波形上便是振荡。一般来说我们希望系统的相位裕度能够达到45°,带宽设置为开关频率的1/10~1/5。
图7:系统Bode图
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调整前馈电容
调节前馈电容是调整与上分压电阻并联的电容。
图8:调节前馈电容
对加上前馈电容后的电路进行小信号分析,得到Vc和Vo之间的关系。相比于未加前馈电容时,增益不变,但是会引入了一个零点和一个极点,造成系统的幅频曲线和相频曲线在新增的零极点附近有所抬升。
图9:引入了一个零点和一个极点
这样可以增加带宽,提升系统的动态特性。在一定区域内下也可以提升相位裕度,提升系统稳定性,这个方法往往对抑制输出电压振铃有奇效。
以MPS公司的MP1657为例,MP1657是一颗12V 2A的降压芯片,在光猫、路由器等消费类领域使用较多。我们使用MPS公司的仿真软件MPSmart对MP1657进行仿真建模验证,这款软件也可以免费在MPS官网上下载。改变R1电阻值,观察系统的输出电压以及Bode图。
图10:MP1657仿真电路
仿真实验证明:
图11:调整RT输出电压动态仿真结果
图12:调整前馈电容输出电压动态仿真结果
在MPS公司的MP1657的评估板上进行实测,减小RT电阻,看到正过冲和负过冲在不断减小,与仿真结果吻合,验证了RT电阻减小对于动态问题的改善是有好处的。
图13:评估板原理图
图14:调整RT电阻评估板实测结果
在评估板上增大前馈电容,由于带宽增加,正过冲和负过冲都略微减小。并联68pF时有明显有改善,但是继续增大前馈电容,改善不明显。并且加到220pF,由于相位裕度持续下降,反而性能恶化,与仿真结果吻合。
图15:调整前馈电容评估板实测结果
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