不穩定的電源會導致嚴重的系統問題，例如來自無源元件的可聽噪聲、開關頻率的意外抖動、負載瞬變事件期間輸出電壓的極端振蕩以及半導體開關故障。雖然不穩定的原因有很多，但未調諧的補償網絡是開關電源不穩定問題的主要原因。本文提供了有關如何找出不穩定源是否是未調諧補償網絡的指導，并提供了提高不穩定電源穩定性的快速提示。

瞬態響應：電源穩定性的衡量標準

開關電源的瞬態性能由兩個主要標準表征：帶寬 （BW） 和相位裕度 （PM）。更高的 BW 會導致更快的瞬態響應。另一方面，更高的 PM 意味著更好的穩定性。為了獲得可接受的瞬態性能，需要高 BW 和高 PM。然而，在 BW 和 PM 之間存在權衡。增加 BW 的技術通常會減少 PM，反之亦然。

圖 1 顯示了具有高 BW 和低 PM 的電源的典型瞬態響應。當發生負載轉換時，輸出電壓在穩定在穩壓電壓之前會經歷幾次振蕩。負載轉換期間輸出電壓的振蕩次數是衡量電源穩定性的一個很好的衡量標準。振蕩次數與 PM 直接相關，因此與電源的穩定性有關。

圖 1：電源的典型瞬態響應

開關穩壓器中的補償網絡

通常有兩種類型的補償網絡廣泛用于開關穩壓器：II 型和 III 型。II 類補償網絡采用零極點設置來實現所需的 BW 和 PM。為了進一步改善穩壓器的瞬態響應，采用了 III 類補償網絡。III 型補償網絡增加了一個額外的零極點組，這有助于實現更高的 BW 和/或更高的 PM。圖 2 顯示了 III 型補償網絡原理圖。

圖 2：III 類補償網絡

本文的目的是展示如何使用簡單的技術來穩定不穩定的電源。請注意，所提出的技術僅在不穩定源是未調整的補償網絡時才有效。

下面描述的兩種類型的開關穩壓器是從補償網絡實現的角度來看的。這兩種類型是：具有外部補償網絡的開關穩壓器和具有內部補償網絡的開關穩壓器。圖 3 顯示了這兩種電源類型的典型應用電路。

圖 3：電源中的兩種補償網絡

用于穩定不穩定電源的可用旋鈕

如前所述，可以通過查看其對負載變化的瞬態響應來驗證開關穩壓器的不穩定性。

圖 1 顯示了一個不穩定電源的示例，當發生負載轉換時，該電源的輸出電壓會出現多次振蕩。圖 4 顯示了圖 1 中電源的波特圖。在此示例中，BW 為 65kHz，而 PM 僅為 16°。為了使電源具有可接受的瞬態性能，建議使用不超過開關頻率 10% 的 BW 和 》60° 的 PM。圖 1 電源的開關頻率為 400kHz。這將允許的帶寬限制為 《40kHz。在圖 4 中，65kHz 的高帶寬導致小 PM（僅 16°）。

請注意，在噪聲敏感應用中，BW 必須進一步限制在開關頻率的 5% 以下。

圖 4：圖 1 中電源的波特圖

圖 4 顯示，當相位曲線（紅色）已經下降時，幅度曲線（藍色）達到 0dB。為了獲得適當的 PM 和良好的穩定性，幅度曲線上的 0dB 點必須出現在相位曲線開始下降之前。

下面介紹的技術將使讀者能夠快速修復不穩定的開關電源，同時提供一些方法來查看降低 BW 是否可以提高穩定性。如果隨著 BW 的顯著降低而提高了穩定性，則可以確認不穩定的來源是未調整的補償網絡。

請注意，降低 BW 有兩件事可以提高穩定性。首先，它使控制回路變慢。較慢的控制回路可防止或限制輸出的尖峰和/或振蕩。其次，降低 BW 可以增加 PM，從而提高穩定性。

具有外部補償網絡的調節器

在帶有外部補償網絡的電源中，補償網絡放置在 COMP 引腳上。在這種情況下，一種快速查看輸出振蕩是否由未調諧補償網絡引起的方法是在 COMP 引腳處放置一個大電容器。COMP 引腳上的大電容器為控制環路引入了一個低頻極點，從而顯著限制了 BW。該電容越大，BW 越低。圖 5 顯示了在 COMP 引腳添加大電容的效果。COMP 引腳上電容器的典型范圍介于 100nF 和 1μF 之間。

圖 5：向 COMP 引腳添加大電容的效果

具有內部補償網絡的監管機構

對于具有內部補償網絡的穩壓器，COMP 引腳不可用。因此，必須使用外部旋鈕來降低 BW 并提高穩定性。限制具有內部補償網絡的開關穩壓器 BW 的最有效方法是使用與反饋引腳串聯的電阻器（稱為 FB 串聯電阻器）。

圖 6 顯示了添加 FB 串聯電阻的影響。該電阻器將幅度曲線向下移動，而對相位曲線的影響很小。因此，它有效地限制了BW并增加了電源的穩定性。FB 串聯電阻越大，BW 降低幅度越大。典型的 FB 系列電阻器的范圍應介于 5kΩ 和 100kΩ 之間。

圖 6：添加一個與 FB 引腳串聯的電阻器的效果

對不穩定電源進行故障排除的建議技術的驗證

本文將在此示例中使用兩個部分。所述MPM3530是55V / 3A降壓功率模塊從外部補償網絡單片電力系統（MPS）。圖 7（a） 顯示了 MPM3530 的典型應用原理圖。圖 7（b） 顯示了MPQ4420，這是一款來自 MPS 的 36V/2A 同步降壓穩壓器，帶有內部補償網絡。

圖 7：示例典型應用原理圖

為了顯示在 COMP 引腳添加大電容的效果，請考慮 MPM3530。在這個例子中，補償網絡組件的選擇使得調節器變得不穩定。這是通過將圖 7（a） 中的 R3 從 2.53kΩ 增加到 16kΩ 來實現的。圖 8 顯示了 MPM3530 的瞬態響應及其波特圖。輸出上的大量振蕩代表低穩定性。波特圖上僅 2° 的小 PM 證實了低穩定性。

圖 8：具有未調諧補償網絡的 MPM3530 瞬態響應和波特圖

圖 9 顯示了在 COMP 引腳上添加 1μF 電容器后瞬態響應會發生什么。輸出的高振蕩得到抑制，這意味著穩定性得到了提高。波特圖顯示 BW 已按預期顯著降低。BW 減少導致 PM 顯著增加，從而提高穩定性。

然而，穩定性的提高是以響應速度變慢為代價的；輸出電壓建立時間顯著增加，從 300μs 增加到 2ms。另請注意，由于對負載變化的響應較慢，最大電壓下沖增加至 700mV，而圖 8 中為 15mV。

圖 9：大電容在 MPM3530 的 COMP 引腳上的穩定性改進效果

如圖 7（b） 所示，COMP 引腳在具有內部補償網絡的穩壓器中不可用，例如 MPQ4420。圖 10 顯示了沒有任何 FB 串聯電阻器的 MPQ4420 的瞬態響應（例如，圖 7（a） 中的 R3 設置為 0Ω）。負載轉換期間輸出電壓的高振蕩表明穩定性低。查看波特圖，BW 為 72kHz，而 PM 僅為 11°。由于 MPQ4420 的默認開關頻率為 410kHz，因此帶寬必須限制在 41kHz 以下。

圖 10：沒有 FB 系列電阻器的 MPQ4420 瞬態響應和波特圖

圖 11 顯示了將 R3 從 0Ω 更改為 51kΩ 如何顯著降低瞬態響應期間的振蕩。正如預期的那樣，FB 系列電阻的引入使幅度曲線向下移動，這意味著更低的 BW 和更高的 PM。在這種情況下，新的 BW 為 21kHz，PM 已從 11° 提高到 43.5°。

圖 11：帶有 FB 系列電阻器的 MPQ4420 瞬態響應和波特圖

電源瞬態響應的進一步改進

盡管圖 12 所示的輸出具有更高的穩定性和更少的振蕩，但 PM 仍低于 60° 目標。進一步降低 BW 不會為 PM 提供任何額外的提升，并且會進一步減慢響應時間。如前所述，較低的 BW 也會增加電壓下沖的幅度。

額外的旋鈕可用于改善 PM，而不會通過犧牲 BW 使調節器變慢。該解決方案是前饋電容器 （C FF ）。

因為這是一個 Type-II 內部補償網絡，它不提供任何相位提升。如果需要相位提升，請在反饋網絡上添加 C FF（參見圖 12）。C FF向補償網絡添加另一個零，可以在不降低 BW 的情況下提高 PM。事實上，如果電容選擇得當，可以改善PM，也可以增加BW，以實現更快的瞬態響應。

圖 12：帶前饋電容器的 MPQ4420 原理圖

圖 13 顯示了具有 19kΩ FB 串聯電阻和 220pF C FF的 MPQ4420 的瞬態響應和波特圖。如圖所示，BW 增加到 40kHz，正好是開關頻率的 10%，PM 達到 78°，符合 》60° 的目標 PM。

圖 13：帶有 FB 系列電阻器和 C FF 的MPQ4420 瞬態性能

圖 13 顯示輸出電壓只有 1 個下沖，證實該器件具有良好的穩定性。響應時間也減少到大約 60μs，下沖電壓減少到只有 8mV。

結論

本文探討了診斷和解決開關電源不穩定問題的幾個快速技巧。提出了單獨的技術來穩定具有內部補償網絡的調節器與具有外部補償網絡的調節器。通過將這些技術應用于MPS的MPM3530和MPQ4420，驗證了所提出技術的有效性，本文展示了前饋電容器如何進一步改善開關穩壓器的瞬態響應。

審核編輯：郭婷