開關(guān)電源環(huán)路補(bǔ)償圖文分析-KIA MOS管

開關(guān)電源是一種典型的反饋控制系統(tǒng)，其有響應(yīng)速度和穩(wěn)定性兩個(gè)重要的指標(biāo)。響應(yīng)速度就是當(dāng)負(fù)載變化或者輸入電壓變化時(shí)，電源能迅速做出調(diào)整的速度。

因?yàn)殚_關(guān)電源的負(fù)載多數(shù)情況下都是數(shù)字IC，其電流會隨著邏輯功能的變化而變化，比如FPGA在進(jìn)行配置時(shí)，電流會增大一倍以上。而開關(guān)電源的輸入電壓也會有一定程度的波動(dòng)。

為了保證電源穩(wěn)定輸出，不產(chǎn)生跌落或者過沖，就要求電源必須迅速做出調(diào)整，使得最終輸出的電壓沒有變化。而電源的響應(yīng)速度就決定了電源的調(diào)整速度。

由于電源加入了反饋系統(tǒng)，就可能發(fā)生震蕩。如果電源系統(tǒng)的參數(shù)沒有設(shè)置好，就會產(chǎn)生震蕩，結(jié)果就是電壓上會被疊加一個(gè)固定頻率的波動(dòng)。導(dǎo)致電源不穩(wěn)定。

開關(guān)電源如下圖所示：

開關(guān)電源環(huán)路

從開關(guān)電源的框圖中可以看出，該系統(tǒng)是通過一個(gè)反饋電路，將最終輸出的變化反饋給比例電路，經(jīng)過比例電路的等比例衰減，輸入到誤差放大器中。而后誤差放大器通過比較該信號和內(nèi)部參考信號的差異，來驅(qū)動(dòng)后級脈寬調(diào)制器等一系列的輸出環(huán)節(jié)，最終與干擾信號相互抵消，從而保證電源的穩(wěn)定。

那應(yīng)該如何測量出電源的響應(yīng)速度和穩(wěn)定性呢，在早期的調(diào)試中，大家會使用一個(gè)可變的電子負(fù)載來進(jìn)行測試，但是由于現(xiàn)在的電子負(fù)載的變化頻率遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于開關(guān)電源的開關(guān)頻率，該方法逐漸的不被大家所使用。

目前比較常見的測試方式就是環(huán)路測試法。環(huán)路測試法就是向反饋回路中注入一個(gè)個(gè)單一頻率的正弦波序列信號，然后根據(jù)電源系統(tǒng)的輸出情況來判斷其對各個(gè)頻率干擾的調(diào)整能力。其環(huán)路響應(yīng)的Gain越高，就說明電源對該頻段的抗干擾能力越強(qiáng)。

環(huán)路測試實(shí)際上是將干擾信號通過反饋電路注入到誤差放大器中，而后查看誤差放大器加后級輸出環(huán)節(jié)的級聯(lián)響應(yīng)。誤差放大器的響應(yīng)實(shí)際上就是該誤差放大器的開環(huán)增益。

所以環(huán)路的根本目的如下圖所示：

開關(guān)電源環(huán)路

隨著一個(gè)個(gè)頻率信號的掃描，最終將各個(gè)頻道的環(huán)路增益繪制在一張圖上，就會得到一幅很直觀的頻域特性圖。

最終環(huán)路特性曲線如下圖所示：

開關(guān)電源環(huán)路

根據(jù)這張圖，我們就可以判斷電源設(shè)計(jì)是否穩(wěn)定，是否有優(yōu)化的空間。

曲線的穩(wěn)定性判定標(biāo)準(zhǔn)如下：

穿越頻率：建議為開關(guān)頻率的5%到20%，過高則不穩(wěn)定，過低則響應(yīng)速度過慢。

相位裕度：要求一定要大于45°，建議45°到80°。

穿越斜率（0dB附近）：要求為單極點(diǎn)穿越，一般是要求穿越斜率在-1左右，即-20db/每十倍頻。

增益裕度：建議大于10dB。

一般可從以下三個(gè)原則判定電源環(huán)路穩(wěn)定性:

(1)、在室溫和標(biāo)準(zhǔn)輸入、正常負(fù)載條件下，閉環(huán)回路增益為0dB(無增益)的情況下,相位裕度是應(yīng)大于45 度；如果輸入電壓、負(fù)載、溫度變化范圍非常大, 相位裕度不應(yīng)小于30度。

(2)、同步檢查在相位接近于0deg時(shí),閉環(huán)回路增益裕度應(yīng)大于7dB，為了不接近不穩(wěn)定點(diǎn)，一般認(rèn)為增益裕度12dB以上是必要的。

(3)、同時(shí)依據(jù)測試的波特圖對電源特性進(jìn)行分析，穿越頻率按20dB/Dec閉合，頻帶寬度一般為開關(guān)頻率的1/20～1/6。

如果有環(huán)路分析儀，就好說了，低溫條件下，典型輸入典型輸出，測開環(huán)Bode圖，按照上述評判標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行判斷就可以了。

開關(guān)電源環(huán)路

干擾信號具體要如何注入到誤差放大器呢，誤差放大器的開環(huán)增益都非常大，都有60db左右。那么為了不使誤差放大器輸出飽和，輸入信號必須在-50dbm左右，大概2mv左右，這個(gè)信號幅度太小，產(chǎn)生過于困難，一般的電磁噪聲信號都要高過這個(gè)信號的幅度。顯然這樣直接注入是不可行的。為了能夠成功注入干擾信號，我們需要利用反饋來進(jìn)行。

注入點(diǎn)如何選擇

選擇注入點(diǎn)，有一個(gè)比較簡單的方法，對于電壓源就是找設(shè)計(jì)電路時(shí)，用來計(jì)算電壓的那兩個(gè)電阻。設(shè)計(jì)電路時(shí)是按哪個(gè)電阻來調(diào)整輸出的，就加到哪個(gè)電阻上。對于電流源，也與電壓源大致相同，不過電流源中一般是沒有R1或者R2，只要將注入電阻放在反饋電電路之后就可以了。

在沒有測試波特圖的條件情況下，我們?nèi)绾畏治龊团袛喹h(huán)路穩(wěn)定性呢？

若沒有環(huán)路分析儀，就通過輸出動(dòng)態(tài)負(fù)載響應(yīng)進(jìn)行判斷，測試條件：規(guī)格書標(biāo)定的最低溫度運(yùn)行（如-25℃），額定輸入電壓，輸出不要額外掛電容，負(fù)載進(jìn)行半載—滿載—半載切換（一般電流變化率可按照工業(yè)電源的標(biāo)準(zhǔn)0.1A/us的變化率設(shè)定），若此時(shí)輸出動(dòng)態(tài)響應(yīng)能做到這個(gè)樣子，基本就能判定環(huán)路很穩(wěn)了：

開關(guān)電源環(huán)路

對于典型的PWM開關(guān)電源，如果phase點(diǎn)jitter太大，通常系統(tǒng)會不穩(wěn)定（就是之前提到的相位裕量不足，在動(dòng)態(tài)負(fù)載情況下，時(shí)域的表現(xiàn)），對于200~500K的PWM開關(guān)電源，典型的jitter值應(yīng)該在1ns以下。

本質(zhì)為：開關(guān)占空比不穩(wěn)定

開關(guān)電源環(huán)路