摘要

本文將詳細介紹在沒有明顯注入點（即無法接觸或缺少頂部反饋電阻）的情況下，如何測量電源的環(huán)路響應(yīng)。這種情況存在兩種情形：電源模塊內(nèi)部的頂部反饋電阻無法接觸，或者電源模塊使用輸出檢測引腳，而沒有頂部反饋電阻。

引言

為使電源穩(wěn)定，需要一定的增益和相位裕量。通常，電源若具有至少45°的相位裕量和至少10 dB的增益裕量，便可視為穩(wěn)定。為了測量這些值，通常要在VOUT節(jié)點和頂部反饋電阻之間插入一個小電阻，然后在這個增加的電阻兩端施加一個擾動信號，并在期望的頻率范圍內(nèi)測量環(huán)路響應(yīng)。如果用戶能夠接觸到頂部反饋電阻，這種常規(guī)方法會很簡便，因此很常用。

但是，如果用戶無法接觸模塑模塊內(nèi)的頂部反饋電阻，該如何測量環(huán)路響應(yīng)？如果器件不需要頂部反饋電阻，而是使用輸出電壓檢測引腳，又該如何測量環(huán)路響應(yīng)？對于這兩個問題，通過比較常規(guī)測量方法和新型測量方法的環(huán)路響應(yīng)波特圖，可以給出解答。

如圖1所示，測量環(huán)路響應(yīng)的常規(guī)方法是在VOUT節(jié)點和頂部反饋電阻之間插入一個小值電阻。只有用戶可以接觸到頂部反饋電阻時，才能使用這種方法。

圖1.原理圖：使用LT8608測量環(huán)路響應(yīng)時，需要外加電阻

圖2.示例電路：用戶無法接觸頂部反饋電阻

圖3.顯示VOSNS電路的簡化框圖

許多電源模塊的頂部反饋電阻位于電源封裝內(nèi)部，無法接觸。若將頂部反饋電阻硬連線到VOUT節(jié)點，則輸出電壓絕不會超過反饋電阻分壓器設(shè)定的電壓。如果頂部反饋電阻不是硬連線，在降壓型穩(wěn)壓器中，一旦該電阻連接不當或發(fā)生故障，則VOUT節(jié)點電壓可能會升高到與輸入電壓一樣高。ADI公司的許多μModule®器件都將頂部反饋電阻模塑在模塊內(nèi)部，以提供額外的保護。但這樣一來，便無法用常規(guī)方法測量環(huán)路響應(yīng)。圖2顯示了LTM8074及其無法接觸的頂部反饋電阻。

另一種特殊情況是模塊使用輸出電壓檢測引腳(VOSNS)來調(diào)節(jié)VOUT電壓。如圖3中的簡化框圖所示，由于該設(shè)置使用基準電流源，而不是通常的基準電壓源，因此沒有頂部反饋電阻。LTM4702使用該基準電流電路來調(diào)節(jié)輸出電壓。

負載瞬態(tài)響應(yīng)還是波特圖？

如果沒有辦法測量電源的環(huán)路響應(yīng)，就必須完全依靠系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)來確定穩(wěn)定性。瞬態(tài)響應(yīng)測試用于檢查在VOUT節(jié)點施加負載階躍時VOUT的電壓響應(yīng)。瞬態(tài)響應(yīng)示例如圖4所示。根據(jù)波形，通過測量從施加負載階躍到輸出電壓開始恢復(fù)的時間，可以估算帶寬(?BW)?？刂骗h(huán)路的帶寬等于該恢復(fù)時間(tr)與Π乘積的倒數(shù)。在此示例中，恢復(fù)時間約為4 μs，帶寬為80 kHz。

此外，通過觀察波形的形狀也可以評估系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果在波形中看到振鈴（綠色響應(yīng)曲線），則表示系統(tǒng)具有欠阻尼響應(yīng)。這意味著系統(tǒng)可能不穩(wěn)定，相位裕量較低。但相位裕量有多低呢？

如果波形的恢復(fù)時間相當長，則可以認為系統(tǒng)具有過阻尼響應(yīng)（藍色響應(yīng)曲線）。系統(tǒng)輸出電壓的恢復(fù)時間可能比預(yù)期時間要長得多。由于電壓下降持續(xù)時間超過預(yù)期，下游電路可能會受到影響。

圖4.瞬態(tài)響應(yīng)示例

雖然通過瞬態(tài)響應(yīng)可以了解有關(guān)系統(tǒng)環(huán)路響應(yīng)的一些信息，但確切的相位裕量和增益裕量只能通過測量來確定。

測量環(huán)路穩(wěn)定性的新方法

對于使用輸出電壓檢測引腳的情形，環(huán)路響應(yīng)測量與常規(guī)測量方法類似。只需在VOUT節(jié)點和VOSNS引腳之間放置一個小值電阻即可。如圖3所示，將擾動信號施加于該電阻，然后測量環(huán)路響應(yīng)。

對于頂部反饋電阻位于模塊內(nèi)部而無法接觸的情形，采用新型環(huán)路測量技術(shù)時需要格外小心。如圖5所示，必須安裝一個并聯(lián)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，并將擾動信號置于底部反饋電阻和地之間插入的電阻上。務(wù)必使并聯(lián)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)盡可能靠近反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，以盡量減少誤差。

第1步：

在R2和地之間插入20 Ω RPERT電阻。將擾動信號施加于RPERT。

第2步：

選擇R4，其值應(yīng)在500 Ω至1 kΩ范圍內(nèi)。見注釋1。

第3步：

計算并聯(lián)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)比率。n = R2/R4。

第4步：

使用第3步中的比率n計算R3和CFF2。

第5步：

重新構(gòu)建包括前饋電容和電容CM的并聯(lián)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，以消除擾動信號帶來的附加電容的影響。見注釋2。

公式：

n = R2/R4

R3 = R1/n

CFF2 = n × CFF1

CM = n × CPERT

圖5.新型環(huán)路響應(yīng)測量方法

注釋1：

選擇R4，使得R2比R4大40到100倍。這樣，由R2和R3組成的電阻網(wǎng)絡(luò)將在反饋環(huán)路的測量中起主導(dǎo)作用。

注釋2：

如果無法可靠地測量擾動信號的寄生電容，可以通過迭代試驗的方式，憑借經(jīng)驗確定CM電容。

圖6.常規(guī)測量方法和新型方法的波特圖比較

新型測量方法產(chǎn)生的環(huán)路響應(yīng)與常規(guī)方法相同，如圖6所示。

結(jié)語

借助這種新型測量方法，用戶現(xiàn)在無需接觸頂部反饋電阻即可確定環(huán)路響應(yīng)。用戶不再需要使用帶寬有限且誤差較大的低效方法，也不必僅依賴負載瞬態(tài)響應(yīng)來評估環(huán)路穩(wěn)定性。

參考文獻

Henry Zhang，“應(yīng)用筆記149：開關(guān)模式電源的模型和環(huán)路補償設(shè)計”，凌力爾特，2015年1月。