补偿器网络会如何影响开关稳压器的频率响应和性能

DC-DC开关电压转换器（或“开关稳压器”）控制环路的特征在于其频率响应。频率响应会影响开关稳压器对瞬态变化，精度和稳定性的反应时间，进而影响在输入电压，负载和占空比变化下保持设定电压输出的程度。

工程师可以通过添加补偿器网络来改善开关稳压器的频率响应。目标是调整频率响应，使开关稳压器的交叉频率最佳定位（提供高带宽），但该单元具有足够的相位和增益余量，以实现良好的动态响应，线路和负载调节以及稳定性。如果工作做得好，最终结果是一个开关稳压器，它在很宽的频率范围内稳定但没有过度补偿，因此其动态响应很差。

本文介绍了用于开关稳压器的补偿器网络的基础知识，并解释了网络类型如何影响电源的频率响应和最终性能。

应对不稳定性

设计工程师经常会发现开关稳压器的初始电路布局不稳定。不稳定性可能导致磁性元件或陶瓷电容器产生噪声，开关波形抖动，输出电压振荡，功率场效应晶体管（FET）过热以及其他不良副作用。图1显示了不稳定降压（“降压”）开关稳压器的典型输出波形。

图1：不稳定的电流和电压输出开关调节器。 （由Linear Technology提供）

虽然存在许多不稳定的原因 - 例如，PCB产生的噪声 - 一个常见的罪魁祸首是电源控制回路的补偿不足。为解决此问题，工程师必须添加补偿网络。正确实施后，补偿网络（A（s））的输出和反馈电压（VFB）分频器将调整控制环路特性，以确保DC（零频率）增益高，交叉频率（或带宽）（fc）高，良好的相位和增益裕度导致开关稳压器具有良好的动态响应，线路和负载调节以及稳定性。

开关稳压器控制环路的性能由环路带宽和环路稳定裕度量化。带宽由交叉频率定义，环路增益等于1（0 dB）。较高的带宽有助于快速瞬态响应，但代价是环路稳定裕度和控制环路对开关噪声的敏感性。环路稳定裕度通常由相位裕度和增益裕度量化。相位裕度定义为总相位延迟与交叉频率下的-180°之间的差值，而增益裕度是相位滞后180°时的增益。

假设增益曲线超过0 dB仅一次（对于在输出级具有低通滤波器的电压调节器实际上总是如此），如果交叉频率处的相位滞后小于180°，则系统将是稳定的。经验丰富的工程师旨在实现大于45°（且小于315°）的相位裕度。通常，45°的相位裕度是瞬态响应和阻尼之间的良好折衷。对于升压或降压开关稳压器，增益裕度应高于10 dB。

补偿网络类型

开关稳压器采用闭合反馈回路来调节输出电压。图2显示了降压控制器典型的电压模式控制方案。补偿网络形成误差放大器的反馈电路。自开关调节器引入以来，工程师开发了三种常用的补偿网络（以它们引入控制回路的零和极数的名称命名），类型I，II和III。

图2：降压开关稳压器控制环路，误差放大器增加了补偿网络。 （由Linear Technology提供）

类型1补偿可最大化电路的直流增益，从而最大限度地降低直流调节误差。通过在误差放大器的输出端增加一个电容（Cth）来实现补偿。电容器的添加在A（s）内产生具有无限高DC增益的积分项。添加电容器的缺点是它引入了-90度的相位滞后，与其他反馈环路相位滞后相结合，可能会使电路接近不稳定状态。

制造商在其模块上有助于提供误差放大器输出引脚（例如凌力尔特公司的LTC3851上的“ITH”引脚，这是一种同步降压开关稳压控制器，最大开关频率为810 kHz）。通过将大电容（例如0.1μF）连接到该引脚，可以进行快速测试以检查控制环路是否是电源不稳定的根源。如果缺乏补偿是电路不稳定的原因，电容器通常会将电源带宽降低到低频诱导稳定性。如果电容没有影响，建议工程师到其他地方寻找不稳定源。

可以在原电容上串联一个电阻（Rth），以提高稳定性。电阻器的作用是增加“零”（Sthz），提供+90相位超前。诀窍是选择正确的电阻值，以便在交叉频率之前引入相位超前，从而在该频率处显着增加相位，从而改善电压环的相位裕度和稳定性。图3示出了这种补偿网络的小信号模型和其频率响应的波特图（叠加在单独的电容器的效果上（蓝色虚线））。注意附加零点如何提高交叉频率处的相位裕度。

图3：显示误差放大器和电阻/电容补偿网络及相关波特图的小信号模型。 （由凌力尔特公司提供）

不幸的是，电阻不仅仅能提供相位超前;它还可以提高高频增益。这种副作用增加了开关调节器工作频率（通常很高）下功率元件产生的噪声会影响输出的可能性。

解决方案是添加第二个电容（Cthp），其值远低于Cth，尽可能靠近电源模块的ITH引脚，将引脚连接到地。这个第二个电容的引入在波特图中引入了一个高频“极点”，理想情况下应位于交叉频率和开关频率（fs）之间。极点的作用是降低开关频率附近的增益。 （该组件也可能会降低交叉频率的相位，因此必须仔细选择其值以抵消相位裕度的噪声抗扰度。）这种二（II）极，零补偿网络称为II型。

图4显示了推荐与Intersil ISL85415降压开关稳压器一起使用的II型补偿网络。该器件的开关频率为500 kHz，输入电压为3至36 V，输出电压为0.6至34 V，最高电压为500 mA。

图4：Intersil降压转换器的II型补偿网络。

图5显示了使用图4所示补偿网络的降压转换器的波特图。使用此补偿网络，开关转换器具有75 kHz带宽，61°相位裕度和6 dB增益裕度。

图5：使用补偿网络的Intersil降压转换器的波特图，如图4所示。

虽然II型补偿网络可以工作好吧，电源频率响应的进一步细化可以通过实现更复杂的补偿网络来实现，该补偿网络以类似于II型网络的方式对增益的频率进行整形，但稍微进一步。该网络具有三个（III）极和两个（或三个）零，称为III型。

与上述II型网络一样，低频极点提供高DC增益以最小化DC调节误差，并且第一个高频极点用于抵消输出滤波器产生的零点电容器的等效串联电阻（ESR）为零（fESR）。与II型网络一样，第二个高频极点位于交叉频率之后，以衰减反馈环路中的开关噪声，而不会显着影响相位裕量。电感和电容会在功率级产生其他零点。

III型补偿既复杂又耗时，因为它需要找到6个R/C值的最佳组合。电源模块制造商Intersil在参考文献[3]中为这些值的初始计算提供了一些指导。图6显示了III型补偿网络。电路会产生图7所示转换器的频率响应。重要的是补偿网络增益不要超过误差放大器的开环增益。

图6：III型补偿网络。 （由Linear Technology提供）

图7：使用图6所示的补偿网络切换调节器频率响应（蓝色），频率响应为A（ s）（红色）。 （由Linear Technology提供）

分析软件

III类补偿网络值的初始计算应仅作为指导，建议生成实际增益和相位图通过使用具有绘图能力的商业分析软件包。生成增益和相位图后，可能需要稍微更改元件值以获得更好的响应。

所有主要的电源模块制造商都提供软件包，使补偿网络设计成为一个相对简单的过程。例如，凌力尔特公司提供其LTpowerCAD，该公司称其为“完整的电源设计工具程序，可以显着简化电源设计任务。”同样，Intersil提供其PowerNavigator软件（主要用于数字电源），Fairchild半导体供应电源WebDesigner和德州仪器（TI）功率级设计工具“帮助设计最常用的开关模式电源的功率级。”

另一种可以让工程师的生活更轻松的选择是选择具有内部补偿功能的芯片。缺点是缺乏灵活性，因为设计人员坚持使用芯片供应商的补偿方案，这可能不适合他或她的应用，但优点是设计更简单，外部元件更少，材料清单减少（BOM） ）。

具有内部补偿的芯片示例是TI的LM46000降压稳压器。该芯片能够在3.5至60 V的输入电压范围内为1至28 V输出驱动高达500 mA的负载电流。 LM46000具有200 kHz至2.2 MHz的可调开关频率。

寻求帮助

设计基于半导体制造商的电源模块的开关稳压器看起来很简单。所有主要供应商都为其产品提供应用电路，以确保电源在给定的条件下运行。但是，最终产品可以呈现应用程序信息未涵盖的一组独特的操作条件。这样的操作条件可能暴露初始设计中的不稳定性并且需要补偿网络形式的附加电路。

补偿网络设计的细节并非易事，需要对控制理论有一个合理的理解，包括分析S平面中的极点和零点。由于缺乏经验，过度补偿可能太容易导致带宽受限且瞬态响应差的设计。这种设计需要过大的输出电容，以改善瞬态响应，增加材料清单（BOM）和电源尺寸。

建议没有经验的工程师访问电源模块供应商的在线资源，如凌力尔特公司，飞兆半导体，Intersil和TI的指导。此外，这些制造商都提供软件包以减轻环路补偿网络设计的复杂性。