快速提示诊断和稳定不稳定的开关电源

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简介

不稳定的电源会导致严重的系统问题,例如来自无源组件的可听噪声、开关频率的意外抖动、负载瞬态事件期间输出电压的极端振荡以及半导体开关的故障。虽然造成开关电源不稳定的原因有很多,但未调整的补偿网络是造成开关电源不稳定的主要原因。本文提供了关于如何查明不稳定源是否为未调谐补偿网络的指导,并提供了提高不稳定电源稳定性的快速提示。

暂态响应:电源稳定性的一种测量方法

开关电源的瞬态性能由两个主要指标来表征:带宽(BW)和相位裕度(PM)。BW越高,瞬态响应越快。另一方面,更高的PM意味着更好的稳定性。为了获得可接受的瞬态性能,需要高BW和高PM。然而,在BW和PM之间有一个权衡。增加BW的技术通常会减少PM,反之亦然。

图1显示了高BW、低PM电源的典型瞬态响应。当负载发生转变时,输出电压在稳定在调节电压之前会经历几次振荡。负载转换期间输出电压的振荡次数是衡量电源稳定性的一个很好的指标。振荡的次数与PM直接相关,因此也与电源的稳定性有关。

图1:电源的典型瞬态响应

开关稳压器中的补偿网络

通常有两种类型的补偿网络广泛用于开关稳压器:类型ii和类型iii。ii型补偿网络采用零极集来实现所需的BW和PM。为了进一步改善调节器的瞬态响应,采用了iii型补偿网络。iii型补偿网络增加了额外的零极集,这有助于实现更高的BW和/或更高的PM。图2显示了iii型补偿网络示意图。

图2:iii型薪酬网络

本文的目标是展示如何使用简单的技术来稳定不稳定的电源。请注意,所提出的技术只有在不稳定的来源是一个未调优的补偿网络时才有效。

下面描述的两种类型的开关调节器是从补偿网络实现的角度来看的。这两种类型是:带有外部补偿网络的开关稳压器和带有内部补偿网络的开关稳压器。图3展示了这两种电源类型的典型应用电路示例。

一个

a)内部薪酬网络

b

b)外部补偿网络

图3:电源中的两种补偿网络

稳定不稳定电源的可用旋钮

如前所述,开关稳压器的不稳定性可以通过观察其对负载变化的瞬态响应来验证。

图1展示了一个不稳定电源的例子,当负载转换发生时,输出电压会出现几次振荡。图4为中电源的波德图图1.在本例中,BW为65kHz,而PM仅为16°。为了使电源具有可接受的瞬态性能,建议BW不超过开关频率的10%,PM为>60°。图1电源的开关频率为400kHz。这将允许的BW限制为

注意,在对噪声敏感的应用中,BW必须进一步限制在开关频率的188比分直播吧5%以下。

图4:图1中电源的波德图

图4显示,当相位曲线(红色)已经下降时,震级曲线(蓝色)达到0dB。为了获得一个合适的PM和良好的稳定性,幅度曲线上的0dB点必须出现在相位曲线开始下降之前。

下面介绍的技术将允许读者快速修复不稳定的开关电源,同时提供方法来查看减少BW是否可以提高稳定性。如果稳定性随着BW的显著降低而提高,这就证实了不稳定的来源是一个未调谐的补偿网络。

注意,减少BW可以做两件事来提高稳定性。首先,它使控制循环变慢。较慢的控制回路防止或限制输出上的尖峰和/或振荡。其次,降低BW可以增加PM,从而提高稳定性。

具有外部补偿网络的监管机构

在具有外部补偿网络的电源中,补偿网络位于COMP引脚处。在这种情况下,查看输出上的振荡是否由未调谐补偿网络引起的快速方法是在COMP引脚处放置一个大电容。COMP引脚处的大电容向控制回路引入了低频极,这极大地限制了BW。电容器越大,BW越低。图5显示了在COMP引脚上增加一个大电容的效果。COMP引脚处电容的典型范围在100nF到1µF之间。

图5:在COMP引脚上增加一个大电容的效果

拥有内部薪酬网络的监管机构

对于具有内部补偿网络的监管机构,COMP引脚是不可用的。因此,必须采用外旋钮来减小BW,提高稳定性。限制带有内部补偿网络的开关稳压器BW的最有效方法是使用与反馈引脚串联的电阻(称为fb系列电阻)。

图6显示了增加一个fb系列电阻的影响。这个电阻将幅度曲线向下移动,对相位曲线的影响很小。因此,它有效地限制了BW,增加了电源的稳定性。fb系列电阻越大,BW降低越大。典型的fb系列电阻应该在5kΩ和100kΩ之间。

电源不稳定故障排除技术的验证

本文将在这个示例中使用两个部分。的MPM3530是一个55V/3A buck电源模块,具有来自单片电力系统(MPS)的外部补偿网络。图8 (a)MPM3530的典型应用原理图。图8 (b)显示了MPQ4420,一个来自MPS的36V/2A同步降压调节器,具有内部补偿网络。

8

a) MPM3530典型应用原理图

8 b

b) MPQ4420典型应用原理图

图8:典型应用程序原理图示例

为了展示在COMP引脚上增加一个大电容的有效性,考虑MPM3530。在这个例子中,补偿网络组件的选择使得调节器变得不稳定。这是通过增加R3 in来实现的图8 (a)从2.53kΩ到16kΩ。图9MPM3530的瞬态响应及其预兆图。输出振荡次数多代表稳定性低。在波德图上仅有2°的小PM证实了低稳定性。

图9:MPM3530非调谐补偿网络的瞬态响应和波德图

图10显示一旦1 μ F电容被添加到COMP引脚瞬态响应发生了什么。输出上的高振荡被抑制,这意味着稳定性得到了改善。预兆图显示,正如预期的那样,BW显著减少。BW的减少导致PM的增加,从而提高了稳定性。

然而,稳定性的提高是以较慢的响应为代价的;输出电压稳定时间显著增加,从300µs增加到2ms。还要注意,由于对负载变化的响应较慢,最大电压欠冲增加到700mV,而不是15mV in图9

图10:MPM3530的COMP引脚上的大电容器的稳定性改善效果

图8 (b)在MPQ4420等具有内部补偿网络的调节器中,COMP引脚是不可用的。图11显示了没有任何fb系列电阻的MPQ4420的瞬态响应(例如,R3在图8(a)中被设置为0Ω)。负载过渡时输出电压振荡大,稳定性低。看一下预兆图,BW是72kHz,而PM只有11°。自MPQ4420的默认开关频率为410kHz, BW必须限制在41kHz以下。

图11:没有fb系列电阻的MPQ4420瞬态响应和波德图

图12说明如何改变R3从0Ω到51kΩ显著减少瞬态响应中的振荡。正如预期的那样,fb系列电阻的引入使幅度曲线向下移动,这意味着BW更低,PM更高。在这种情况下,新的BW为21kHz, PM从11°提高到43.5°。

图12:MPQ4420瞬态响应和fb系列电阻的波德图

电源瞬态响应的进一步改进

中所示的输出具有更高的稳定性和更少的振荡图12, PM仍低于60°的目标。进一步减少BW将不会为PM提供任何额外的推动,并且会进一步减慢响应时间。如前所述,较低的BW也会增加电压欠冲的幅度。

一个额外的旋钮可以用来提高PM,而不会牺牲BW使调节器变慢。这种解决方案是前馈电容器(CFF)。

因为这是一个ii型内部补偿网络,它不提供任何相位提升。如果需要相位提升,在反馈网络上添加CFF(见图13)。CFF在补偿网络中增加了另一个零,这可以在不降低BW的情况下提高PM。事实上,如果电容器选择得当,可以提高PM,也可以增加BW,以实现更快的瞬态响应。

图13:MPQ4420前馈电容原理图

图14显示了MPQ4420的瞬态响应和预兆图,MPQ4420带有19kΩ fb系列电阻和220pF CFF。如图所示,BW增加到40kHz,正好是开关频率的10%,PM达到78°,与>的目标PM 60°一致。

图14:MPQ4420与fb系列电阻和CFF的瞬态性能

从图14可以看出,输出电压只有一个欠冲,这说明该器件具有良好的稳定性。响应时间也降低到约60µs,欠冲电压降低到仅8mV。

结论

本文探讨了几种快速诊断和解决开关电源不稳定问题的技巧。提出了使用外部补偿网络稳定监管机构与使用外部补偿网络稳定监管机构的不同技术。通过将所提出的技术应用于实际工程,验证了其有效性MPM3530而且MPQ4420来自MPS,本文演示了前馈电容器如何进一步改善开关稳压器的瞬态响应。

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