對于電源設(shè)計經(jīng)驗不足的系統(tǒng)設(shè)計人員來說，開關(guān)穩(wěn)壓器穩(wěn)定性這一話題也許看上去讓人有些望而怯步。其實，確保穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性的最簡單方法就是使用一款具有內(nèi)在穩(wěn)定性的轉(zhuǎn)換器，比如說遲滯型轉(zhuǎn)換器。然而，由于它們不斷變化的開關(guān)頻率，會導(dǎo)致與開關(guān)噪聲過濾相關(guān)的其它問題。另外一個選擇就是內(nèi)部補(bǔ)償穩(wěn)壓器。這種類型的穩(wěn)壓器適用于很多設(shè)計，不過通常情況下不支持比6A高太多的負(fù)載電流，對于降壓穩(wěn)壓器來說也是如此。當(dāng)需要更加精密的電源時，就需要具有外部補(bǔ)償?shù)姆€(wěn)壓器了。

幸運(yùn)的是，諸如TI的WEBENCH Power Designer[1] 的設(shè)計工具包括補(bǔ)償組件的選型。還有幾款工具包含一些有助于對穩(wěn)壓器的穩(wěn)定性進(jìn)行評估的信息，像估算出的相位裕量，和/或者顯示波特圖的電氣仿真，和/或者瞬態(tài)響應(yīng)。

不過，如果必須更換關(guān)鍵電路圖組件的話，該怎么辦呢?補(bǔ)償變化如何匹配呢?此外，不同設(shè)計工具對這些問題的處理是不同的。WEBENCH電源設(shè)計工具包括一個可以輕松更新補(bǔ)償?shù)娜卵a(bǔ)償設(shè)計選項，這個功能甚至可以實現(xiàn)更快的響應(yīng)或更好的相位裕量。這篇文章將提供一個設(shè)計示例，為您演示如何使用補(bǔ)償設(shè)計工具，以及獲得所需瞬態(tài)響應(yīng)和穩(wěn)定性的不同選項。

在我們的示例中，我們用WEBENCH電源設(shè)計工具創(chuàng)建一個具有LM21215A-1[2] 的電源設(shè)計。輸入電壓為3V至5V，12A電流時的輸出電壓為1V。設(shè)計完成時，在33.1kHz的交叉頻率上顯示出相位裕量為45.1°的運(yùn)行值。45°周圍的相位裕量還不錯，表明快速響應(yīng)與瞬態(tài)響應(yīng)內(nèi)最小過沖的均衡(圖1和2)。

圖1.具有由Cc1、Rc1和Cc2組成的外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)的降壓開關(guān)穩(wěn)壓器。

圖2.圖1中開關(guān)穩(wěn)壓器的頻率響應(yīng) (a) 和同一開關(guān)穩(wěn)壓器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng) (b)。

替換關(guān)鍵組件會損壞穩(wěn)壓器穩(wěn)定性

我們有時必須替換那些會影響頻率響應(yīng)的組件。而其原因往往是在數(shù)個設(shè)計中需要使用特定組件，這樣可以簡化存貨清單。如果我們將電感器的建議值從560nH更改為1.2μH(仍然處于這款設(shè)計的建議范圍內(nèi))，相位裕量大約減少了37°。這個值低于我們45°的目標(biāo)值。瞬態(tài)響應(yīng)顯示出，輸出電壓的振鈴增加了很多，這表示穩(wěn)定性下降(圖3)。

圖3. 圖.1中電路的頻率響應(yīng)。(a) 使用最初的560nH電感器(綠色增益曲線，橙色相位曲線)，以及采用1.2μH電感器的頻率響應(yīng)(紅色增益曲線，藍(lán)色相位曲線)。針對同樣兩款設(shè)計變化的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng) (b) 在使用1.2μH電感器的情況下穩(wěn)定性較低。使用最初560μH電感器的輸出電壓為綠色跡線;采用1.2μH電感器時的輸出電壓為紅色跡線;12A至1.2A至12A負(fù)載階躍為藍(lán)色跡線。

提升穩(wěn)壓器穩(wěn)定性

那么，我們?nèi)绾翁嵘辔辉Ａ亢头€(wěn)定性呢?我們有幾個可能的方法：

l單獨(dú)地更改補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)或其它主要組件，并測試結(jié)果;

l使用WEBENCH Compensation Designer，以特定的相位裕量為目標(biāo);

l使用WEBENCH Compensation Designer，直接改變頻率響應(yīng)的極點/零點;

l使用WEBENCH Compensation Designer，更改補(bǔ)償組件，并在將它們應(yīng)用于設(shè)計之前測試結(jié)果。

WEBENCH Compensation Designer是一款WEBENCH Power Designer內(nèi)的全新工具。它大為簡化了穩(wěn)壓器頻率響應(yīng)的調(diào)節(jié)，快速測試可能變化的結(jié)果，以找到一款好的解決方案。

由于第一個方法太耗時，我們將不使用這種方法。我們查看一下其它三種方法的結(jié)果。

1)以特定的相位增益為目標(biāo)。

在WEBENCH設(shè)計中，我們單擊Re-Comp按鈕來打開Compensation Designer。在最開始顯示的是最初的設(shè)計性能(圖4的左半部分)，相位裕量為36.8°。建議的目標(biāo)相位裕量為47°，目標(biāo)交叉頻率為50kHz。這兩個值都是比較不錯的目標(biāo)值。[!--empirenews.page--]

我們將Optimization Tuning(優(yōu)化調(diào)諧)轉(zhuǎn)動至“Robustness(穩(wěn)健耐用)”，以強(qiáng)調(diào)頻率響應(yīng)時的相位裕量。下一步單擊“Auto Compensate(自動補(bǔ)償)”。現(xiàn)在得到的相位裕量為47°，交叉頻率為49kHz(圖4的右半部分)。這就與我們的目標(biāo)值相吻合了!然后，我們單擊“Apply Changes to Design(應(yīng)用變更)。”檢查波特圖和瞬態(tài)響應(yīng)仿真，確認(rèn)目前的穩(wěn)定性是否良好(圖5)。

圖4. WEBENCH Compensation Designer能夠使用戶檢查現(xiàn)在的補(bǔ)償和穩(wěn)定性，并且將補(bǔ)償設(shè)計調(diào)整到新的目標(biāo)值上。在使用圖1中的設(shè)計，以及更大的1.2μH電感器時，缺省目標(biāo)值和范圍 (a) 旁邊顯示的綠色字體是頻率響應(yīng)匯總，以及補(bǔ)償組件。此時將Optimization Tuning向“Robustness”移動，單擊“Apply changes to design.”按鈕。(b) 中的綠色字體顯示的是已更新的頻率響應(yīng)匯總，以及補(bǔ)償組件值。

圖5. (a) 是根據(jù)圖1，使用1.2μH電感器時的電路頻率響應(yīng)，采用最初補(bǔ)償值(綠色增益曲線、橙色相位曲線)，以及改進(jìn)補(bǔ)償值(紅色增益曲線、藍(lán)色增益曲線)時的情況。針對同樣兩個設(shè)計變化的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，(b) 顯示的是使用全新補(bǔ)償值時的更佳穩(wěn)定性。使用最初補(bǔ)償值時的輸出電壓為綠色跡線;使用更新補(bǔ)償值時的輸出電壓為紅色跡線;12A至1.2A至12A的負(fù)載階躍為藍(lán)色跡線。

2)改變頻率響應(yīng)極點與零點。

選項2是一項更加具有挑戰(zhàn)性的技術(shù)，并且需要用到某些控制原理專業(yè)知識。打開Compensation Designer，我們選擇Manual(手動)標(biāo)簽頁(不是Auto標(biāo)簽頁)，并單擊“Edit Poles/zeros(編輯極點/零點)”按鈕。圖6中顯示的是頻率響應(yīng)中極點和零點的頻率值。

通過將零點頻率更改為更加靠近電感器和輸出電容器所生成的雙極點 (1/2*sqrt(L*Cout))，我們可以改進(jìn)相位裕量。在這個情況下，雙極點的頻率大約為8kHz。如果我們將零點1的目標(biāo)頻率設(shè)定為 4kHz(8kHz的一半)，而將零點2的目標(biāo)頻率設(shè)定為8kHz，得到的相位裕量為49°，而此時的交叉頻率大約為59kHz。這兩個值大大地好于之前的37°和20kHz的相位裕量和交叉頻率值(圖7)。

圖6. (a) 中，在使用1.2μH電感器時的示例設(shè)計中，計算得出的極點與零點用綠色字體顯示。(b) 中，將零點1的目標(biāo)值改為4kHz，零點2的目標(biāo)值改為8kHz之后，計算得出的極點和零點。

圖7. 更改零點1和零點2的目標(biāo)頻率之前(灰線，標(biāo)記A)和之后(綠線，標(biāo)記B)繪制的波特圖。

在零點已經(jīng)被更改后，我們會發(fā)現(xiàn)相位裕量值被大大改進(jìn)，從37°增加為49°。交叉頻率也從35kHz增加到60kHz。還有其它能夠在較高交叉頻率下實現(xiàn)良好相位裕量的技術(shù)，比如說那些自動重新補(bǔ)償所使用的技術(shù)，不過這些技術(shù)不在這篇文章的討論范圍之內(nèi)!

3)更改補(bǔ)償組件。

外部補(bǔ)償組件決定了我們在選項2中討論過的極點和零點。在我們的示例使用LM21215A-1器件時(圖8)，數(shù)據(jù)表中給出了與它們之間關(guān)系有關(guān)的方程式和信息(方程式1)。

圖8.顯示補(bǔ)償組件Rc1、Rc2、Cc1、Cc2和Cc3的LM21215A-1設(shè)計電路原理圖部分。

如果某些值與我們庫存中的器件值不匹配的話，我們也許想單獨(dú)調(diào)整補(bǔ)償組件?；蛘?，我們也許想試著改進(jìn)頻率響應(yīng)。

以第一個情況為例，在運(yùn)轉(zhuǎn)示例中使用我們最初使用的570nH電感器，我們可以看到Rc2的電阻值為806Ω。如果電阻值差最接近1%的庫存電阻器為750Ω，那么相位裕量從45°減少到大約44°，并且交叉頻率叢33kHz 減少到30kHz(圖9)。我們需要決定這個更改是否影響過大，會不會有問題。

圖9. 補(bǔ)償組件的起始值顯示在左上角的方框中，得出的頻率響應(yīng)值顯示在設(shè)計運(yùn)行值方框的下方 (a)。Rc2的電阻值從806W變?yōu)?50W后的結(jié)果顯示在右下角的設(shè)計運(yùn)行值方框內(nèi) (b)。需要注意的是，Cc3自動改變?yōu)?nF，部分抵消了Rc2的變化結(jié)果。

另外一個管理補(bǔ)償組件值的方法是返回到Compensation Designer的“Auto”標(biāo)簽頁。這是一個設(shè)置組件值范圍的地方。我們可以調(diào)節(jié)任一組件的范圍(圖10)。

圖10. WEBENCH Compensation Designer使得用戶能夠限制補(bǔ)償組件所使用的值的范圍。

結(jié)論

當(dāng)需要檢查、調(diào)整或優(yōu)化電源設(shè)計的補(bǔ)償時，WEBENCH Compensation Designer等工具為你提供你所需要的或多或少的自動化指南。

參考文獻(xiàn)

1.WEBENCH Power Designer

2.LM21215A-1數(shù)據(jù)表

關(guān)于作者

Wanda Garrett是德州儀器 (TI) 一名資深技術(shù)成員。她是WEBENCH設(shè)計中心的應(yīng)用經(jīng)理，在WEBENCH團(tuán)隊以及數(shù)個美國國家半導(dǎo)體公司產(chǎn)品線上工作時，她已經(jīng)設(shè)計了很多種電源電路。