如何合理的測試DCDC電源第八部分，電源相位和增益裕度

相位和增益裕度是用于確定控制回路穩(wěn)定性的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)測量值。如前所述，穩(wěn)壓電源使用控制回路來監(jiān)視和控制其輸出特性。與任何控制回路一樣，如果設(shè)計(jì)不當(dāng)，它會很快變得不穩(wěn)定，從而導(dǎo)致振蕩、過沖、下垂和其他導(dǎo)致系統(tǒng)故障的不良特性。

當(dāng)存在增益大于 1 且相位延遲為 0 度的反饋回路時(shí)，就會發(fā)生振蕩。我們在這里不涉及控制回路理論，而是關(guān)注使用相位和增益裕度的概念來建立穩(wěn)定和安全設(shè)計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)。

電源的反饋放大器提供負(fù)增益。隨著輸入電壓的增加，正向環(huán)路增益降低。換言之，隨著輸出電壓降低(負(fù)載增加)，正向增益增加。這在直流或低頻操作時(shí)很容易理解。但是，負(fù)反饋必須對一些合理的頻率響應(yīng)做出反應(yīng)，否則輸出電壓會發(fā)生變化(下降或過沖)。這可能會導(dǎo)致潛在的系統(tǒng)問題。

環(huán)路頻率響應(yīng)或控制環(huán)路仍具有正增益的頻率必須足夠高以支持預(yù)期的系統(tǒng)變化(負(fù)載階躍、線路變化等)。但是，當(dāng)環(huán)路的相位延遲接近 360 度(同相)時(shí)，它不能太高。電源控制環(huán)路通常采用濾波器(稱為補(bǔ)償濾波器)來衰減環(huán)路增益并控制環(huán)路頻率響應(yīng)低于 1(或 0 dB 輸入/輸出)的位置。這個(gè)頻率稱為環(huán)路的交叉頻率。為電源設(shè)置理想的交叉頻率超出了本文的范圍，但可以說它取決于系統(tǒng)特性和要求，其中一些我在上面提到過。

如前所述，控制環(huán)路增益以既定速率衰減，并在某個(gè)已確定的“交叉”頻率處超過一 (0 dB) 的增益?？刂苹芈废辔谎舆t必須充分保持，直到達(dá)到交叉頻率。相位裕度是與交叉頻率下的誤差放大器輸入相關(guān)的測量輸出相位延遲(相位輸出 - 相位輸入)。特定設(shè)計(jì)的足夠相位裕度取決于系統(tǒng)要求，包括工作裕度、負(fù)載響應(yīng)要求、設(shè)計(jì)容差等。

一些行業(yè)專家使用 45 度的相位裕度作為安全的系統(tǒng)目標(biāo)規(guī)范，但其他專家可能建議低至 30 度。較低的相位裕度通常會導(dǎo)致更快的環(huán)路響應(yīng)時(shí)間，這在某些情況下是可取的。一般來說，低于這些值的相位裕度可能會導(dǎo)致控制回路不穩(wěn)定。

如果控制回路輸入到輸出增益超過零 dB，但在回路相位延遲達(dá)到零度(同相)之前沒有充分降低，則控制回路有振蕩和/或其他不良特性的風(fēng)險(xiǎn)。增益裕度是輸出增益幅度除以輸入增益的絕對值。

一些行業(yè)專家使用 10 dB 的增益裕度作為安全值，盡管低至 5 dB 已被安全使用。一般來說，低于這些值的相位裕度可能會導(dǎo)致控制回路不穩(wěn)定。相位和增益裕度目標(biāo)之間存在關(guān)系。通常，相位裕度越低，預(yù)期的增益裕度就越低。

存在許多關(guān)于控制回路理論和現(xiàn)實(shí)世界系統(tǒng)中的安全裕度的論文和書籍。建議讀者參考外部工作，以便為您的特定系統(tǒng)要求建立足夠的相位和增益裕度。

電磁干擾

傳導(dǎo)和輻射電磁干擾 (EMI) 通常在系統(tǒng)級別進(jìn)行測試，但通常與電源噪聲相關(guān)。存在用于確定電源內(nèi) EMI 來源的行業(yè)技術(shù)，但超出了本文的范圍。

結(jié)論

如今，可以借助自動(dòng)化仿真工具來設(shè)計(jì)電源。例如，TI 的WEBENCH或TINA-TI等工具可以在打開烙鐵之前設(shè)計(jì)和模擬電源，直至進(jìn)行熱分析。通常設(shè)計(jì)按預(yù)期工作。然而，由于所有模擬器都做出假設(shè)，模擬器的結(jié)果將與實(shí)際系統(tǒng)運(yùn)行有所不同。良好的工程實(shí)踐總是包括對實(shí)際系統(tǒng)操作的全面實(shí)踐分析。

本系列概述了一些(但不是所有)測試應(yīng)該計(jì)劃以確保可靠的電源設(shè)計(jì)。作者敦促設(shè)計(jì)人員制定全面的電源測試規(guī)范和測試計(jì)劃并執(zhí)行該計(jì)劃，以確保您的系統(tǒng)按預(yù)期運(yùn)行，并且在產(chǎn)品的預(yù)期壽命之后繼續(xù)這樣做。