電源設(shè)計(jì)：如何利用波特圖來(lái)滿足動(dòng)態(tài)控制行為的要求

本文介紹如何利用波特圖來(lái)快速評(píng)估您的電源設(shè)計(jì)是否滿足動(dòng)態(tài)控制行為要求。電源通常通過(guò)控制環(huán)路保持固定的輸出電壓。這個(gè)控制環(huán)路可能穩(wěn)定，也可能不穩(wěn)定;可以快速調(diào)節(jié)，也可以慢速調(diào)節(jié)。在大多數(shù)情況下，都可以使用波特圖來(lái)描述控制環(huán)路。通過(guò)使用波特圖，您可以查看控制環(huán)路的速度，特別是其調(diào)節(jié)穩(wěn)定性。

圖1.使用控制環(huán)路(以綠色顯示)來(lái)調(diào)節(jié)其輸出電壓的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器示例

圖1所示是采用降壓拓?fù)涞牡湫烷_(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器。它將較高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓。目標(biāo)是盡可能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)輸出電壓VOUT。為此，通過(guò)反饋(FB)引腳將控制環(huán)路集成到電路中。它可以檢測(cè)到VOUT的電壓變化。控制環(huán)路應(yīng)能夠快速響應(yīng)，以便始終盡可能準(zhǔn)確地調(diào)節(jié)VOUT。每當(dāng)輸入電壓或負(fù)載電流發(fā)生變化時(shí)，都必須重新調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖2.顯示控制環(huán)路增益的波特圖(約80 kHz時(shí)，達(dá)到0 dB交越點(diǎn))

圖2所示為波特圖中控制環(huán)路的增益曲線，其中提供了兩條重要信息?？梢缘玫皆鲆娴扔?(即0 dB)時(shí)的頻率。對(duì)于圖2所示的控制環(huán)路，這個(gè)所謂的交越頻率出現(xiàn)在約80 kHz處。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)，此頻率不得超過(guò)開(kāi)關(guān)模式電源的設(shè)定開(kāi)關(guān)頻率的十分之一。否則，可能會(huì)導(dǎo)致電路不穩(wěn)定。圖中顯示的第二條重要信息是增益曲線下方的區(qū)域，即函數(shù)積分。直流增益和交越頻率越高，控制環(huán)路就能更好地讓輸出電壓保持恒定。

圖3.控制環(huán)路的相位曲線，相位裕量為60°

圖3顯示波特圖中的相位曲線。從該圖中可以讀取的最重要的參數(shù)值是相位裕量。通過(guò)這個(gè)數(shù)值可以判斷控制環(huán)路的穩(wěn)定性。相位裕量可以從增益圖中的交越頻率處讀取(參見(jiàn)圖2)。在所示的示例中，交越頻率為80 kHz。所以，圖3中的相位裕量約為60°。相位裕量低于約40°即被視為不穩(wěn)定。當(dāng)相位裕量在40°和70°之間時(shí)，控制環(huán)路設(shè)置良好。在此范圍內(nèi)，能夠較好地同時(shí)兼顧調(diào)節(jié)速度和穩(wěn)定性。相位裕量高于70°時(shí)，系統(tǒng)非常穩(wěn)定，但是調(diào)節(jié)速度非常慢。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)手冊(cè)中一般不提供波特圖。原因在于，波特圖在很大程度上取決于電路設(shè)計(jì)。使用的開(kāi)關(guān)頻率、選擇的外部元件(例如電感和輸出電容)，以及各自的工作條件(例如輸入電壓、輸出電壓和負(fù)載電流)都會(huì)產(chǎn)生巨大影響。所以，一般使用計(jì)算工具(例如LTpowerCAD®)或仿真工具(例如LTspice®)生成波特圖。借助這些工具生成波特圖，您就可以快速判斷設(shè)計(jì)的電路是否能夠滿足動(dòng)態(tài)控制行為要求。

作者簡(jiǎn)介

Frederik Dostal曾就讀于德國(guó)埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)。他于2001年開(kāi)始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)，曾擔(dān)任各種應(yīng)用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負(fù)責(zé)開(kāi)關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑ADI公司擔(dān)任電源管理現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用工程師。