开关电源中的不稳定的解决方案解析

不稳定的电源会导致严重的系统问题，例如无源组件的可听噪声，开关频率的意外抖动，负载瞬态事件期间输出电压的极端振荡以及半导体开关的故障。尽管出于各种原因会导致不稳定，但未调整的补偿网络会解决开关电源中的大部分不稳定问题。本文为如何确定不稳定源是否为未调整的补偿网络提供了指导，并提供了一些快速技巧来提高不稳定电源的稳定性。

瞬态响应：电源稳定性的一种量度

开关电源的瞬态性能具有两个主要标准：带宽（BW）和相位裕量（PM）。较高的带宽导致更快的瞬态响应。另一方面，较高的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。但是，BW和PM之间需要权衡取舍。增加带宽的技术通常会降低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，输出电压会经历几次振荡，然后再稳定在稳定电压上。负载过渡期间输出电压的振荡次数是衡量电源稳定性的好方法。振荡次数与PM直接相关，因此与电源的稳定性直接相关。

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型补偿网络采用零极点集来实现所需的带宽和PM。为了进一步改善调节器的瞬态响应，采用了III型补偿网络。III型补偿网络增加了一个额外的零极点集，这有助于实现更高的带宽和/或更高的PM。图2显示了III型补偿网络原理图。

图2：III型补偿网络

本文的目的是说明如何使用简单的技术来稳定不稳定的电源。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。

从补偿网络实现的角度来看，以下描述的两种类型的开关调节器。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

可用旋钮稳定电源不稳定

如前所述，可以通过查看开关稳压器对负载变化的瞬态响应来验证其不稳定性。

图1显示了一个不稳定电源的示例，当发生负载转换时，该电源在输出电压上会出现几次振荡。图4显示了图1中电源的波德图。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，建议其带宽不超过开关频率的10％，且PM应当大于60°。图1电源中的开关频率为400kHz。这将允许的带宽限制为<40kHz。在图4中，高65kHz的BW导致较小的PM（仅16°）。

请注意，在对噪声敏感的应用中，带宽必须进一步限制为小于开关频率的5％。

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，必须在幅度曲线开始下降之前在幅度曲线上出现0dB点。

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根源是未调整的补偿网络。

请注意，减少BW可以提高稳定性。首先，它会使控制循环变慢。较慢的控制回路可防止或限制输出上的尖峰和/或振荡。其次，降低BW可以增加PM，从而提高稳定性。

带有外部补偿网络的稳压器

在具有外部补偿网络的电源中，补偿网络位于COMP引脚处。在这种情况下，查看输出振荡是否由未调整的补偿网络引起的快速方法是在COMP引脚上放置一个大电容。COMP引脚上的大电容器将一个低频极点引入控制环路，这极大地限制了带宽。该电容器越大，BW越低。图5显示了在COMP引脚上增加一个大电容的效果。COMP引脚上电容器的典型范围为100nF至1µF。

图5：在COMP引脚上添加大电容的效果

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减小BW并提高稳定性。用内部补偿网络限制开关稳压器带宽的最有效方法是使用与反馈引脚串联的电阻（称为FB串联电阻）。

图6显示了添加FB系列电阻器的影响。该电阻器将幅度曲线向下移动，对相位曲线的影响很小。因此，它有效地限制了带宽，并提高了电源的稳定性。FB系列电阻越大，BW降低越大。典型的FB系列电阻器的范围应在5kΩ至100kΩ之间。

图6：与FB引脚串联添加电阻的效果

验证对不稳定电源进行故障排除的建议技术

本文在此示例中将使用两部分。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，它是来自MPS的具有内部补偿网络的36V / 2A同步降压稳压器。

图7：示例典型应用原理图

为了显示在COMP引脚上添加一个大电容的有效性，请考虑使用MPM3530。在此示例中，选择补偿网络组件以使调节器变得不稳定。这是通过将图7（a）中的R3从2.53kΩ增加到16kΩ来完成的。图8显示了MPM3530的瞬态响应及其波德图。输出上的大量振荡表示稳定性较低。波特图上只有2°的小PM证实了其低稳定性。

图8：具有未调整补偿网络的MPM3530瞬态响应和波特图

图9显示了在COMP引脚上添加一个1µF电容器后瞬态响应的变化。输出上的高振荡得到抑制，这意味着稳定性得到了改善。波特图表明，BW显着降低，正如预期的那样。降低BW会导致PM大幅增加，从而提高稳定性。

然而，稳定性的提高是以较慢的响应为代价的。输出电压建立时间从300µs大幅增加到2ms。还应注意，由于对负载变化的响应较慢，因此最大电压下冲增加至700mV，而图8中为15mV。

图9：MPM3530的COMP引脚上的大电容改善稳定性的效果

如图7（b）所示，COMP引脚在具有内部补偿网络的调节器（例如MPQ4420）中不可用。图10显示了没有任何FB系列电阻器的MPQ4420的瞬态响应（例如，图7（a）中的R3设置为0Ω）。负载过渡期间输出电压的高振荡表明稳定性很低。从波特图可以看出，BW为72kHz，而PM仅为11°。由于MPQ4420的默认开关频率为410kHz，因此必须将BW限制在41kHz以下。

图10：没有FB系列电阻的MPQ4420瞬态响应和波特图

图11显示了如何将R3从0Ω更改为51kΩ，如何显着降低瞬态响应期间的振荡。不出所料，引入FB系列电阻器会降低幅度曲线，这意味着较低的BW和较高的PM。在这种情况下，新的带宽为21kHz，并且PM从11°改善到43.5°。

图11：具有FB系列电阻的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。进一步降低带宽将不会为PM提供任何额外的提升，并且会进一步降低响应时间。如前所述，较低的BW也会增加电压下冲的幅度。

可以使用一个附加旋钮来提高PM，而不会通过牺牲BW来使调节器变慢。该解决方案是前馈电容器（CFF）。

因为这是II型内部补偿网络，所以它不提供任何相位提升。如果需要相位提升，则在反馈网络上添加CFF（见图12）。CFF向补偿网络添加另一个零，这可以在不降低带宽的情况下提高PM。实际上，如果正确选择电容器，则可以提高PM并提高BW，以实现更快的瞬态响应。

图12：具有前馈电容器的MPQ4420原理图

图13显示了具有19kΩFB系列电阻和220pF CFF的MPQ4420的瞬态响应和波德图。如图所示，带宽增加到40kHz，恰好是开关频率的10％，并且PM达到78°，这与目标PM> 60°一致。

图13：具有FB系列电阻器和CFF的MPQ4420瞬态性能

图13显示，输出电压只有一个下冲，这表明该器件具有良好的稳定性。响应时间也已缩短至约60µs，下冲电压已降至仅8mV。

结论

本文探讨了一些快速的技巧来诊断和解决开关电源中的不稳定问题。提出了单独的技术来稳定具有内部补偿网络的稳压器与具有外部补偿网络的稳压器。通过将所提出的技术应用于MPS的MPM3530和MPQ4420，验证了所提出技术的有效性，并且本文演示了前馈电容器如何进一步改善开关稳压器的瞬态响应。

编辑：hfy