測試降壓轉換器穩定性的簡單方法
AN075
本應用筆記提供了一個詳盡的指南，討論如何評估轉換器的穩定性。對設計者來說，考慮對轉換器應用快速負載階躍，並監控輸出電壓響應以識別潛在問題非常重要。實際上，具有不同補償網絡的不同降壓轉換器，可能有不同的方式來解決負載階躍回應中的振鈴問題。在本文的最後，將介紹一個簡單且實用的，由鋰離子電池驅動的自製工具，用於量測快速負載。
1 時間域分析
檢查轉換器穩定性的常見方法是通過頻率域分析，通過測量開環頻率響應，並觀察交叉點的控制迴路交叉頻率，和相位裕量。這是一種複雜的測量，需要專門的昂貴設備。快速檢查轉換器穩定性的簡單方法，是通過將一個快速變化的階躍負載施加到轉換器，並觀察負載階躍期間的輸出電壓響應進行時間域分析：這個方法將突顯出可能的迴路穩定性、輸入供應穩定性、斜率補償問題、負載調節和佈局問題。
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圖1
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圖1中的階躍負載回應顯示了幾種轉換器迴路穩定性情況，從非常穩定（相位裕量75°）到非常不穩定（相位裕量36°）。可以看到，階躍負載回應中的任何振鈴都表示相位裕量過低，這增加了向振蕩的傾向。
重要的是，負載階躍的速度（上升時間）應該比轉換器的控制迴路速度快得多，以便看到這些不穩定性效應。上升/下降時間為200至500nsec的階躍負載將足以測試大多數降壓轉換器的穩定性。
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圖2
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圖2展示了一種簡單的工具，用於對轉換器產生快速負載階躍：由脈衝發生器驅動的MOSFET在轉換器輸出處打開和關閉一個負載電阻。固定電阻提供靜態負載。通過電流探頭測量負載電流，並直接在轉換器輸出電容器上測量轉換器輸出電壓。使用此設置，可以輕鬆達到500nsec的負載階躍上升和下降時間。
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圖3
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圖3顯示了一個帶有過多振鈴的快速負載階躍回應的例子。通過測量階躍負載振鈴頻率，可以估計轉換器的交叉頻率。這對於找出不穩定性的原因可能有幫助。
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2 如何改善振鈴
具有Gm類型誤差放大器的電流模式降壓轉換器具有連接到地的補償網絡。
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圖4
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轉換器迴路帶寬大約為：
 , 其中fC 通常為1/10 – 1/20的切換頻率。
如果測量的交叉頻率遠高於公式計算的值，則必須找出偏差的原因。
在許多情況下，由於DC偏置較高或ACRMS漣波電壓較低導致電容量下降，MLCC輸出電容器的值可能低於額定值。如果是這種情況，可以增加輸出電容（添加更多電容器）或減小RCOMP，這兩種方法都會降低轉換器的帶寬。請參見圖4。
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圖5
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具有OPAMP類型誤差放大器的電流模式降壓轉換器有連接補償網絡，如圖5所示。
迴路帶寬由以下公式給出：
具有內部補償的降壓轉換器IC經常使用此配置。
重要的是，要瞭解到反饋電阻R1的值在轉換器穩定性中會造成影響。R1的值過低將導致交叉頻率過高，並造成相位裕量低和階躍負載回應中的振鈴。
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圖6
Richtek新一代18V ACOT®產品，例如RT6252A/RT6252B、RT6253A/RT6253B、RT6262A/RT6262B、RT6263A/RT6263B、RT6264A/RT6264B，調整穩定度方式與RT7277相同。
2.1 立錡ACOT®轉換器穩定度
立錡ACOT®轉換器沒有誤差放大器，因為它們以基於漣波的滯後控制模式運行。由於滯後控制迴路的阻尼不足，ACOT®轉換器可能會在負載階躍中顯示振鈴。這種情況經常出現在輸出電壓較高或占空比較高的應用中。較大的輸出電容也會增加輸出振鈴的機會。要增加控制迴路的阻尼，請添加Cff，如圖6所示。
Cff的最佳值可以從振鈴頻率推導出來：
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下面的測量結果顯示了一個5V應用與不同Cff值的例子。
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5V application: Cout = 44µF
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Cff = 0pF
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Cff = 33pF
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Cff = 82pF
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階躍負載回應中振鈴的其他原因：輸入供應振鈴。
轉換器輸出處的負載階躍也將導致轉換器輸入處的負載階躍。如果輸入供應存在穩定性問題，或者輸入供應線中存在電感，則輸入供應的不穩定或共振也可能在輸出軌道上可見。輸入供應的共振問題可以通過在轉換器MLCC輸入電容器中，平行添加一個電解電容器來解決。它將充當RC抑制電路並進行平抑。
3 簡單的自製便攜式負載瞬變工具範例
圖7中的原理圖顯示了一種實用的靈活快速瞬變工具的解決方案。
圖7
IC1是一種電壓控制的PWM生成器IC。MOD腳上的電壓設定了PWM的占空比，DIV腳上的電壓設定了頻率範圍，並且連接到SET腳的電阻值設定了精確的頻率。OUT腳具有足夠的驅動能力，可以驅動上升時間和下降時間快的小型MOSFET。占空比通常設定在較低的水平，大約為5%。這使得在限制脈衝負載電阻和MOSFET中的總功率的同時，可以吸引較大的脈衝電流。大約150µsec的脈衝寬度就足以在大多數DC/DC轉換器中看到完整的電壓下降和恢復，因此PWM頻率可以設定在大約330Hz。
最方便的是通過鋰離子電池為電路供電；這使得電路完全隔離，避免了接地設備之間的地面反彈。這種電路的設計中，電池電壓變化不會影響頻率或占空比設定，並且由於電流消耗僅為0.4mA，因此電池的壽命非常長。
如需獲得更多資訊，請閱讀完整的應用說明：降壓轉換器穩定性測試
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