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来自工程师的声音

在设计阶段优化DC/DC转换器的频率特性

通过评估频率特性来确认输出稳定性和响应性

关键词
  • 输出电压的稳定性和负载瞬态响应特性
  • DC/DC转换器的频率特性、输出的响应性
  • 负载电流瞬态响应性、输出的稳定性
  • 振铃
  • 振荡
  • 反馈电路
  • 负反馈
  • 负反馈变为正反馈
  • 伯德图
  • 相位滞后
  • 相位裕度
  • 增益(Gain)裕度
  • 穿越频率
  • 稳定性趋于提高
  • 响应性变差
  • 稳定性和响应性之间存在此消彼长关系
  • 稳定性和响应性的优化
  • 频率特性分析仪(FRA:Frequency Response Analyzer)
  • 为了测量实机电路板而进行加工并非易事
  • 仿真

在DC/DC转换器的设计中,为了使DC/DC转换器的设计电路在实际使用条件下能够稳定运行,并完成满足设备性能和规格的电源设计,除静态特性外还需要评估动态特性。其中,DC/DC转换器的输出电压的稳定性和响应性是重要的确认点,因此有必要了解DC/DC转换器的频率特性以进行相应的确认和调整。此次我们就DC/DC转换器的频率特性和评估方法咨询了应用工程师爱宕 崇之先生。

首先,请介绍一下为什么要评估和了解DC/DC转换器的频率特性?

我认为所有设计都是相同的,都需要在完成桌面上的电路设计后,试制并评估是否达到了设计目标。对于DC/DC转换器来说,除了要确认作为电源的基本工作(例如输出电压精度和最大输出电流)外,确认输出电压的稳定性和负载瞬态响应特性也是非常重要的。由于稳定性和响应性基本上都涉及到设计的DC/DC转换器的频率特性,因此有必要确认频率特性并根据确认结果进行优化。

您能具体解释一下输出电压的稳定性和瞬态响应性吗?

我想使用这张图来对每个概念进行说明。

DC/DC转换器输出电压的稳定性和瞬态响应特性示意图

首先,让我们从只能用此图解释的响应性开始。在这张示意图中,使用开关DC/DC转换器将12V电池电压降至5V,并用作微控制器的电源。此外,该5V电压由电压监控IC(通常也称为“复位IC”)监测,当电压低于设定值时,会将复位信号发送到微控制器。这是一个很常见的电路示例。

输出电压的响应性是将因负载电流的急剧变化而瞬间波动的输出电压复原的动作。通常,期望在电压波动尽可能小的期间内就做出响应,并在尽可能短的时间内将电压稳定在设置电压。

在该图中有两个示例,一个是负载电流急剧上升,5V输出电压瞬间下降;另一个是负载电流急剧下降,输出电压瞬间上升到5V以上。如果因负载电流的突然增加而下降的输出电压超过了复位IC的阈值,则会发出不必要的复位信号,从而使微控制器复位。此外,如果因负载电流的突然降低而导致输出电压突然升高,并且超过微控制器的电源电压额定值,则微控制器可能会发生误动作甚至损坏。这对于从休眠状态瞬间全负荷运行的设备(例如微控制器和CPU)的电源来说,这是必不可少的确认项目,反之对于从全负荷运行状态瞬间休眠的设备来说亦然。

通过调整DC/DC转换器的瞬态响应特性,可以对这些项目进行优化和处理,以使电压波动不超过复位IC的阈值或后段元器件的电源额定值。

原来如此。如果瞬态响应特性未得到优化,在某些情况下可能会引发致命问题吧。

是的。下面我们来介绍输出电压的稳定性。这里所说的输出电压的稳定,指的是在输出中不会发生过度振铃振荡。振荡的波形示例如下。DC/DC转换器的输出电压包含由开关引起的纹波电压,不是理想的DC电压,但振荡是与纹波不同的一种异常现象。这个波形图是当施加负载时就会出现明显振荡状态的DC/DC转换器示例。

表示输出电压振荡的波形

一提到振荡,就会想到使用了运算放大器的电路,原来DC/DC转换器也会发生振荡啊。

DC/DC转换器振荡是因为它使用反馈电路来控制输出电压以使之保持恒定。因此,振荡的原理和条件与运算放大器相同。顺便说一下,由于LDO等线性稳压器也使用反馈控制方式,因此它们也会在某些条件下发生振荡。理解了发生振荡的原理有助于了解频率特性,因此我会稍微详细地对其进行说明。

DC/DC转换器IC的内部电路大致配置如下。红色箭头的A点和B点最初是连接在一起的,但是故意将用来输出控制的反馈信号B和基于该反馈信号的控制信号A(输出)分开了。

输出电压通过由R1和R2组成的分压电阻反馈到IC内部的误差放大器输入。误差放大器对基准电压与输出电压进行比较,如果输出电压高于设定电压,将进行降低的控制;如果低于设定电压,将进行升高的控制,以保持输出电压恒定。

DC/DC转换器的反馈路径示意图

由于该反馈控制是负反馈,所以控制信号A的相位相对于反馈信号B的相位有180度的偏差。从波形图中可以看到相位的关系。

然而实际上,在IC内部处理并输出信号之前是需要花费时间的,会产生延迟时间。因此,随着频率变得更快,相位会因延迟时间而越来越滞后。当相位接近0度时,将处于不稳定状态,如果滞后到0度,则负反馈将变为正反馈,并发生异常振荡。

负反馈相位滞后的说明图

当运算放大器电路发生振荡时,是否意味着“相位裕度不足”?

基本上是的。刚刚我只提到了“相位滞后”,但实际上,稳定性是可以通过基于相位特性和增益特性的“波特图”来鉴别的。

说到波特图,也就是说频率特性与DC/DC转换器的稳定性和响应性能是息息相关的,对吧?

是的。接下来我来具体解释一下稳定性、响应性和频率特性之间的关系。我们边整理之前提到的内容边进行解释说明。

稳定性是“输出电压相对于振荡条件具有多少余量”,响应性是“当输出电压波动时,直到输出电压恢复到设定值时的响应时间”。相位裕度增益(Gain)裕度穿越频率是用作确认这些特性的参数。这些参数可以从其DC/DC转换器的波特图中读取。看下面这张图,图中包括波特图和各个参数、以及稳定性和响应性之间关系。

表示DC/DC转换器频率特性的伯德图和确认点

首先,我在表格中总结了各个参数的测量点、稳定性和响应性之间的关系、以及数值和特性的趋势,我们根据这份表格来看波特图。

相位裕度 增益为0dB时的相位 关系到稳定性 越大越稳定
增益裕度 相位为0deg(度)时的增益 关系到稳定性 越大越稳定
穿越频率 增益为0db时的频率 关系到响应性 越高响应越快

如表格和图片中的蓝色、红色和绿色框内的说明所示,相位裕度是增益为0db时的相位,增益裕度是相位为0deg(度)时的增益,穿越频率是增益为0db时的频率。

相位裕度和增益裕度与稳定性息息相关,并且它们越大,稳定性越高,发生振铃或振荡的可能性就越小。另外,穿越频率与响应性息息相关,穿越频率越高,响应性越好,并且由于负载瞬态而导致的输出波动越小。

在这张波特图上,绘有表示相位特性的曲线(蓝色)和表示三种类型的增益特性的曲线(增益1:红色,增益2:粉红色,增益3:橙色)。

增益1是标准示例。增益1为0dB时的频率,即穿越频率约为85kHz(绿色圆点),此时的相位裕度约为55deg(浅蓝色圆点/蓝色双向箭头①)。当相位为0deg时,增益裕度约为15dB(红色圆点)。图中的说明中给出了每个参数的参考值,可以作为参考。

增益2是假设增益较低时的示例。由于增益低于增益1,因此穿越频率降低至大约9kHz,并且相位裕度超过了100deg(蓝色双向箭头②)。增益裕度(增益2曲线上的红色正方形点)也达到30dB以上,并且随着相位裕度的增加而增加,稳定性趋于提高。但是,随着穿越频率的下降,响应速度会降低

增益3是假设增益较高时的示例。由于增益高于增益1,穿越频率上升到了约180kHz,相位裕度减小到了约20deg(蓝色双向箭头③)。增益裕度(增益3曲线上的红色正方形点)也降低到了5dB左右。在该示例中,较高的穿越频率实现了更好的响应性,但是相位裕度和增益裕度都减少了,稳定性降低

正如您可能已经注意到的,在稳定性和响应性之间存在此消彼长的关系,这个提高那个就会降低。因此,在设计过程中,需要根据电路条件优化稳定性和响应性

我们已经了解了要确认DC/DC转换器的稳定性和响应性就需要评估频率特性这一点。那么如何获得DC/DC转换器的频率特性呢?

要测量频率特性,使用频率特性分析仪(FRA:Frequency Response Analyzer)既简单又可靠。下面是实际的FRA和测量电路。实际上您前面看到的波特图就是使用FRA获得的。

使用了频率特性分析仪(FRA)的频率特性检测电路示例/频率特性分析仪(FRA)

要测量DC/DC转换器的频率特性,需要断开反馈环路的输出和分压电阻(如测量电路图中所示),插入预定的电阻(注入电阻),并将FRA连接于该电阻两端。之后,几乎可以自动测量相位裕度和增益裕度,并以图形显示出来。

看起来比较简单,但是在实机确认时是不是需要加工电路板?

实际上确实如此。虽然使用FRA可以轻松测量频率特性,但这当中并非没有课题。您刚才提出的问题便是其中的一个课题,由于元器件的小型化和高密度安装,如今常常很难加工实机电路板以对其进行测量。另外,即使可以测量频率特性,也需要反复更改相应电阻和电容器的值并重新测量频率特性以进行调整和优化的工作。一遍又一遍地更换实机电路板上小小的芯片是一项相当艰巨的工作。

也就是说,优化频率特性需要反复更改相应部件的常数并重新测量来反复试验,这对于部件日益小型化和安装日益高密度化的电路板而言并非易事。

的确如此。而且,很多情况下,一开始并没有昂贵的FRA。

那么,如果无法使用FRA该怎么办?

我认为作为对实际测量的补充,仿真非常是有用的。近年来,许多仿真器都能够对频率特性和负载响应特性进行仿真,并且IC制造商也提供了用于仿真的器件模型和包括外围电路的模型。

的确,最近经常听到关于在设计中使用仿真的话题。那么现在让我们谈谈仿真。

<未完待续>

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