電源設(shè)計：如何利用波特圖來滿足動態(tài)控制行為的要求

本文介紹如何利用波特圖來快速評估您的電源設(shè)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。

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)V_OUT。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。

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?？梢缘玫皆鲆娴扔?（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(shè)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。

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(shè)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(shè)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(shè)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。