對于電源設計經(jīng)驗不足的系統(tǒng)設計人員來說，開關穩(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頻率，會導致與開關噪聲過濾相關的其它問題。另外一個選擇就是內(nèi)部補償穩(wěn)壓器。這種類型的穩(wěn)壓器適用于很多設計，不過通常情況下不支持比6A高太多的負載電流，對于降壓穩(wěn)壓器來說也是如此。當需要更加精密的電源時，就需要具有外部補償?shù)姆€(wěn)壓器了。

       幸運的是，諸如TI的WEBENCH Power Designer[1] 的設計工具包括補償組件的選型。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。

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

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

       圖1.具有由Cc1、Rc1和Cc2組成的外部補償網(wǎng)絡的降壓開關穩(wěn)壓器。

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

替換關鍵組件會損壞穩(wěn)壓器穩(wěn)定性

       我們有時必須替換那些會影響頻率響應的組件。而其原因往往是在數(shù)個設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°的目標值。瞬態(tài)響應顯示出，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。(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（紅色增益曲線，藍色相位曲線）。針對同樣兩款設計變化的負載瞬態(tài)響應 (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負載階躍為藍色跡線。

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 單獨地更改補償網(wǎng)絡或其它主要組件，并測試結果；

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

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

l 使用WEBENCH Compensation Designer，更改補償組件，并在將它們應用于設計之前測試結果。

       WEBENCH Compensation Designer是一款WEBENCH Power Designer內(nèi)的全新工具。它大為簡化了穩(wěn)壓器頻率響應的調(diào)節(jié)，快速測試可能變化的結果，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果。

1）以特定的相位增益為目標。

       在WEBENCH設計中，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計性能（圖4的左半部分），相位裕量為36.8°。建議的目標相位裕量為47°，目標交叉頻率為50kHz。這兩個值都是比較不錯的目標值。

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

       圖4. WEBENCH Compensation Designer能夠使用戶檢查現(xiàn)在的補償和穩(wěn)定性，并且將補償設計調(diào)整到新的目標值上。在使用圖1中的設計，以及更大的1.2μH電感器時，缺省目標值和范圍 (a) 旁邊顯示的綠色字體是頻率響應匯總，以及補償組件。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匯總，以及補償組件值。

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

2）改變頻率響應極點與零點。

       選項2是一項更加具有挑戰(zhàn)性的技術，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）標簽頁（不是Auto標簽頁），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 (1/2p*sqrt(L*Cout))，我們可以改進相位裕量。在這個情況下，雙極點的頻率大約為8kHz。如果我們將零點1的目標頻率設定為4kHz（8kHz的一半），而將零點2的目標頻率設定為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的目標值改為4kHz，零點2的目標值改為8kHz之后，計算得出的極點和零點。

       圖7. 更改零點1和零點2的目標頻率之前（灰線，標記A）和之后（綠線，標記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，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，比如說那些自動重新補償所使用的技術，不過這些技術不在這篇文章的討論范圍之內(nèi)！

3）更改補償組件。

       外部補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系有關的方程式和信息（方程式1）。

       圖8.顯示補償組件Rc1、Rc2、Cc1、Cc2和Cc3的LM21215A-1設計電路原理圖部分。

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

       以第一個情況為例，在運轉(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. 補償組件的起始值顯示在左上角的方框中，得出的頻率響應值顯示在設計運行值方框的下方 (a)。Rc2的電阻值從806W變?yōu)?50W后的結果顯示在右下角的設計運行值方框內(nèi) (b)。需要注意的是，Cc3自動改變?yōu)?nF，部分抵消了Rc2的變化結果。

       另外一個管理補償組件值的方法是返回到Compensation Designer的“Auto”標簽頁。這是一個設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償組件所使用的值的范圍。

結論

       當需要檢查、調(diào)整或優(yōu)化電源設計的補償時，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

1. WEBENCH Power Designer

2. LM21215A-1數(shù)據(jù)表

關于作者

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

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