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電源設計:如何利用波特圖來滿足動態(tài)控制行為的要求

發(fā)布時間:2022-03-14 來源:ADI公司現(xiàn)場應用工程師 Frederik Dostal 責任編輯:wenwei

【導讀】本文介紹如何利用波特圖來快速評估您的電源設計是否滿足動態(tài)控制行為要求。電源通常通過控制環(huán)路保持固定的輸出電壓。這個控制環(huán)路可能穩(wěn)定,也可能不穩(wěn)定;可以快速調(diào)節(jié),也可以慢速調(diào)節(jié)。在大多數(shù)情況下,都可以使用波特圖來描述控制環(huán)路。通過使用波特圖,您可以查看控制環(huán)路的速度,特別是其調(diào)節(jié)穩(wěn)定性。


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圖1.使用控制環(huán)路(以綠色顯示)來調(diào)節(jié)其輸出電壓的開關(guān)穩(wěn)壓器示例


圖1所示是采用降壓拓撲的典型開關(guān)穩(wěn)壓器。它將較高的輸入電壓轉(zhuǎn)換為較低的輸出電壓。目標是盡可能準確地調(diào)節(jié)輸出電壓VOUT。為此,通過反饋(FB)引腳將控制環(huán)路集成到電路中。它可以檢測到VOUT的電壓變化。控制環(huán)路應能夠快速響應,以便始終盡可能準確地調(diào)節(jié)VOUT。每當輸入電壓或負載電流發(fā)生變化時,都必須重新調(diào)節(jié)輸出電壓。


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圖2.顯示控制環(huán)路增益的波特圖(約80 kHz時,達到0 dB交越點)


圖2所示為波特圖中控制環(huán)路的增益曲線,其中提供了兩條重要信息。可以得到增益等于1(即0 dB)時的頻率。對于圖2所示的控制環(huán)路,這個所謂的交越頻率出現(xiàn)在約80 kHz處。根據(jù)經(jīng)驗,此頻率不得超過開關(guān)模式電源的設定開關(guān)頻率的十分之一。否則,可能會導致電路不穩(wěn)定。圖中顯示的第二條重要信息是增益曲線下方的區(qū)域,即函數(shù)積分。直流增益和交越頻率越高,控制環(huán)路就能更好地讓輸出電壓保持恒定。


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圖3.控制環(huán)路的相位曲線,相位裕量為60°


圖3顯示波特圖中的相位曲線。從該圖中可以讀取的最重要的參數(shù)值是相位裕量。通過這個數(shù)值可以判斷控制環(huán)路的穩(wěn)定性。相位裕量可以從增益圖中的交越頻率處讀取(參見圖2)。在所示的示例中,交越頻率為80 kHz。所以,圖3中的相位裕量約為60°。相位裕量低于約40°即被視為不穩(wěn)定。當相位裕量在40°和70°之間時,控制環(huán)路設置良好。在此范圍內(nèi),能夠較好地同時兼顧調(diào)節(jié)速度和穩(wěn)定性。相位裕量高于70°時,系統(tǒng)非常穩(wěn)定,但是調(diào)節(jié)速度非常慢。


開關(guān)穩(wěn)壓器的數(shù)據(jù)手冊中一般不提供波特圖。原因在于,波特圖在很大程度上取決于電路設計。使用的開關(guān)頻率、選擇的外部元件(例如電感和輸出電容),以及各自的工作條件(例如輸入電壓、輸出電壓和負載電流)都會產(chǎn)生巨大影響。所以,一般使用計算工具(例如LTpowerCAD?)或仿真工具(例如LTspice?)生成波特圖。借助這些工具生成波特圖,您就可以快速判斷設計的電路是否能夠滿足動態(tài)控制行為要求。


作者簡介


Frederik Dostal曾就讀于德國埃爾蘭根大學微電子學專業(yè)。他于2001年開始工作,涉足電源管理業(yè)務,曾擔任各種應用工程師職位,并在亞利桑那州鳳凰城工作了4年,負責開關(guān)模式電源。他于2009年加入ADI公司,并在慕尼黑ADI公司擔任電源管理現(xiàn)場應用工程師。聯(lián)系方式:frederik.dostal@analog.com。



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