不穩(wěn)定的電源會導致嚴重的系統(tǒng)問題，例如無源組件的可聽噪聲，開關頻率的意外抖動，負載瞬態(tài)事件期間輸出電壓的極端振蕩以及半導體開關的故障。盡管出于各種原因會導致不穩(wěn)定，但未調整的補償網絡會解決開關電源中的大部分不穩(wěn)定問題。本文為如何確定不穩(wěn)定源是否為未調整的補償網絡提供了指導，并提供了一些快速技巧來提高不穩(wěn)定電源的穩(wěn)定性。

瞬態(tài)響應：電源穩(wěn)定性的一種量度

開關電源的瞬態(tài)性能具有兩個主要標準：帶寬（BW）和相位裕量（PM）。較高的帶寬導致更快的瞬態(tài)響應。另一方面，較高的PM意味著更好的穩(wěn)定性。為了獲得可接受的瞬態(tài)性能，需要高BW和高PM。但是，BW和PM之間需要權衡取舍。增加帶寬的技術通常會降低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(tài)響應。當發(fā)生負載轉換時，輸出電壓會經歷幾次振蕩，然后再穩(wěn)定在穩(wěn)定電壓上。負載過渡期間輸出電壓的振蕩次數是衡量電源穩(wěn)定性的好方法。振蕩次數與PM直接相關，因此與電源的穩(wěn)定性直接相關。

圖1：電源的典型瞬態(tài)響應

開關穩(wěn)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(wěn)壓器：II型和III型。II型補償網絡采用零極點集來實現所需的帶寬和PM。為了進一步改善調節(jié)器的瞬態(tài)響應，采用了III型補償網絡。III型補償網絡增加了一個額外的零極點集，這有助于實現更高的帶寬和/或更高的PM。圖2顯示了III型補償網絡原理圖。

圖2：III型補償網絡

本文的目的是說明如何使用簡單的技術來穩(wěn)定不穩(wěn)定的電源。注意，所提出的技術僅在不穩(wěn)定源是未調整的補償網絡時才有效。

從補償網絡實現的角度來看，以下描述的兩種類型的開關調節(jié)器。這兩種類型是：具有外部補償網絡的開關穩(wěn)壓器和具有內部補償網絡的開關穩(wěn)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

可用旋鈕穩(wěn)定電源不穩(wěn)定

如前所述，可以通過查看開關穩(wěn)壓器對負載變化的瞬態(tài)響應來驗證其不穩(wěn)定性。

圖1顯示了一個不穩(wěn)定電源的示例，當發(fā)生負載轉換時，該電源在輸出電壓上會出現幾次振蕩。圖4顯示了圖1中電源的波德圖。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(tài)性能，建議其帶寬不超過開關頻率的10％，且PM應當大于60°。圖1電源中的開關頻率為400kHz。這將允許的帶寬限制為<40kHz。在圖4中，高65kHz的BW導致較小的PM（僅16°）。

請注意，在對噪聲敏感的應用中，帶寬必須進一步限制為小于開關頻率的5％。

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(wěn)定性，必須在幅度曲線開始下降之前在幅度曲線上出現0dB點。

下面介紹的技術將使讀者能夠快速修復不穩(wěn)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(wěn)定性。如果隨著BW的顯著降低而提高了穩(wěn)定性，則可以確認不穩(wěn)定的根源是未調整的補償網絡。

請注意，減少BW可以提高穩(wěn)定性。首先，它會使控制循環(huán)變慢。較慢的控制回路可防止或限制輸出上的尖峰和/或振蕩。其次，降低BW可以增加PM，從而提高穩(wěn)定性。

帶有外部補償網絡的穩(wěn)壓器

在具有外部補償網絡的電源中，補償網絡位于COMP引腳處。在這種情況下，查看輸出振蕩是否由未調整的補償網絡引起的快速方法是在COMP引腳上放置一個大電容。COMP引腳上的大電容器將一個低頻極點引入控制環(huán)路，這極大地限制了帶寬。該電容器越大，BW越低。圖5顯示了在COMP引腳上增加一個大電容的效果。COMP引腳上電容器的典型范圍為100nF至1μF。

圖5：在COMP引腳上添加大電容的效果

具有內部補償網絡的監(jiān)管機構

對于具有內部補償網絡的穩(wěn)壓器，COMP引腳不可用。因此，必須使用外部旋鈕來減小BW并提高穩(wěn)定性。用內部補償網絡限制開關穩(wěn)壓器帶寬的最有效方法是使用與反饋引腳串聯的電阻（稱為FB串聯電阻）。

圖6顯示了添加FB系列電阻器的影響。該電阻器將幅度曲線向下移動，對相位曲線的影響很小。因此，它有效地限制了帶寬，并提高了電源的穩(wěn)定性。FB系列電阻越大，BW降低越大。典型的FB系列電阻器的范圍應在5kΩ至100kΩ之間。

圖6：與FB引腳串聯添加電阻的效果

驗證對不穩(wěn)定電源進行故障排除的建議技術

本文在此示例中將使用兩部分。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(tǒng)（MPS）。圖7（a）顯示了MPM3530的典型應用原理圖。圖7（b）顯示了MPQ4420，它是來自MPS的具有內部補償網絡的36V / 2A同步降壓穩(wěn)壓器。

圖7：示例典型應用原理圖

為了顯示在COMP引腳上添加一個大電容的有效性，請考慮使用MPM3530。在此示例中，選擇補償網絡組件以使調節(jié)器變得不穩(wěn)定。這是通過將圖7（a）中的R3從2.53kΩ增加到16kΩ來完成的。圖8顯示了MPM3530的瞬態(tài)響應及其波德圖。輸出上的大量振蕩表示穩(wěn)定性較低。波特圖上只有2°的小PM證實了其低穩(wěn)定性。

圖8：具有未調整補償網絡的MPM3530瞬態(tài)響應和波特圖

圖9顯示了在COMP引腳上添加一個1μF電容器后瞬態(tài)響應的變化。輸出上的高振蕩得到抑制，這意味著穩(wěn)定性得到了改善。波特圖表明，BW顯著降低，正如預期的那樣。降低BW會導致PM大幅增加，從而提高穩(wěn)定性。

然而，穩(wěn)定性的提高是以較慢的響應為代價的。輸出電壓建立時間從300μs大幅增加到2ms。還應注意，由于對負載變化的響應較慢，因此最大電壓下沖增加至700mV，而圖8中為15mV。

圖9：MPM3530的COMP引腳上的大電容改善穩(wěn)定性的效果

如圖7（b）所示，COMP引腳在具有內部補償網絡的調節(jié)器（例如MPQ4420）中不可用。圖10顯示了沒有任何FB系列電阻器的MPQ4420的瞬態(tài)響應（例如，圖7（a）中的R3設置為0Ω）。負載過渡期間輸出電壓的高振蕩表明穩(wěn)定性很低。從波特圖可以看出，BW為72kHz，而PM僅為11°。由于MPQ4420的默認開關頻率為410kHz，因此必須將BW限制在41kHz以下。

圖10：沒有FB系列電阻的MPQ4420瞬態(tài)響應和波特圖

圖11顯示了如何將R3從0Ω更改為51kΩ，如何顯著降低瞬態(tài)響應期間的振蕩。不出所料，引入FB系列電阻器會降低幅度曲線，這意味著較低的BW和較高的PM。在這種情況下，新的帶寬為21kHz，并且PM從11°改善到43.5°。

圖11：具有FB系列電阻的MPQ4420瞬態(tài)響應和波特圖

電源瞬態(tài)響應的進一步改進

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

可以使用一個附加旋鈕來提高PM，而不會通過犧牲BW來使調節(jié)器變慢。該解決方案是前饋電容器（CFF）。

因為這是II型內部補償網絡，所以它不提供任何相位提升。如果需要相位提升，則在反饋網絡上添加CFF（見圖12）。CFF向補償網絡添加另一個零，這可以在不降低帶寬的情況下提高PM。實際上，如果正確選擇電容器，則可以提高PM并提高BW，以實現更快的瞬態(tài)響應。

圖12：具有前饋電容器的MPQ4420原理圖

圖13顯示了具有19kΩFB系列電阻和220pF CFF的MPQ4420的瞬態(tài)響應和波德圖。如圖所示，帶寬增加到40kHz，恰好是開關頻率的10％，并且PM達到78°，這與目標PM> 60°一致。

圖13：具有FB系列電阻器和CFF的MPQ4420瞬態(tài)性能

圖13顯示，輸出電壓只有一個下沖，這表明該器件具有良好的穩(wěn)定性。響應時間也已縮短至約60μs，下沖電壓已降至僅8mV。

結論

本文探討了一些快速的技巧來診斷和解決開關電源中的不穩(wěn)定問題。提出了單獨的技術來穩(wěn)定具有內部補償網絡的穩(wěn)壓器與具有外部補償網絡的穩(wěn)壓器。通過將所提出的技術應用于MPS的MPM3530和MPQ4420，驗證了所提出技術的有效性，并且本文演示了前饋電容器如何進一步改善開關穩(wěn)壓器的瞬態(tài)響應。

編輯：hfy