電源設計：如何利用波特圖來(lái)滿(mǎn)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)快速評估您的電源設計是否滿(mǎn)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)路可能穩定，也可能不穩定；可以快速調節，也可以慢速調節。在大多數情況下，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，特別是其調節穩定性。

圖1 使用控制環(huán)路（以綠色顯示）來(lái)調節其輸出電壓的開(kāi)關(guān)穩壓器示例

圖1所示是采用降壓拓撲的典型開(kāi)關(guān)穩壓器。它將較高的輸入電壓轉換為較低的輸出電壓。目標是盡可能準確地調節輸出電壓VOUT。為此，通過(guò)反饋(FB)引腳將控制環(huán)路集成到電路中。它可以檢測到VOUT的電壓變化?？刂骗h(huán)路應能夠快速響應，以便始終盡可能準確地調節V_OUT。每當輸入電壓或負載電流發(fā)生變化時(shí)，都必須重新調節輸出電壓。

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(xiàn)，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。對于圖2所示的控制環(huán)路，這個(gè)所謂的交越頻率出現在約80 kHz處。根據經(jīng)驗，此頻率不得超過(guò)開(kāi)關(guān)模式電源的設定開(kāi)關(guān)頻率的十分之一。否則，可能會(huì )導致電路不穩定。圖中顯示的第二條重要信息是增益曲線(xiàn)下方的區域，即函數積分。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(xiàn)，相位裕量為60°

圖3顯示波特圖中的相位曲線(xiàn)。從該圖中可以讀取的最重要的參數值是相位裕量。通過(guò)這個(gè)數值可以判斷控制環(huán)路的穩定性。相位裕量可以從增益圖中的交越頻率處讀?。▍⒁?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°即被視為不穩定。當相位裕量在40°和70°之間時(shí)，控制環(huán)路設置良好。在此范圍內，能夠較好地同時(shí)兼顧調節速度和穩定性。相位裕量高于70°時(shí)，系統非常穩定，但是調節速度非常慢。

開(kāi)關(guān)穩壓器的數據手冊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計。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、輸出電壓和負載電流）都會(huì )產(chǎn)生巨大影響。所以，一般使用計算工具（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計的電路是否能夠滿(mǎn)足動(dòng)態(tài)控制行為要求。

作者簡(jiǎn)介

Frederik Dostal曾就讀于德國埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專(zhuān)業(yè)。他于2001年開(kāi)始工作，涉足電源管理業(yè)務(wù)，曾擔任各種應用工程師職位，并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年，負責開(kāi)關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司，并在慕尼黑A(yíng)DI公司擔任電源管理現場(chǎng)應用工程師。聯(lián)系方式：frederik.dostal@analog.com。