了解电源环路稳定性和环路补偿
——第3部分：简单三步完成环路设计
作者：Henry Zhang，ADI公司院士
摘要
本系列文章的第三部分阐述了一种用于电流模式控制开关电源的简单环路补偿设计方法。这种控制架构广泛用于电源管理解决方案，包括ADI公司的许多电源产品。支持使用简单的2型补偿网络来设计和优化电源反馈回路，可确保瞬态响应迅速且稳定性裕量充足。本文介绍了基本环路设计概念，清晰地解释了2型补偿网络，并探讨了每个补偿元件的作用。环路设计过程可以简化为三个直截了当的步骤。此外，LTpowerCAD®设计工具还能进一步简化环路设计和优化过程。
简介 - 基本概念
开关模式电源广泛应用于现代电子系统，能够实现高效率和高功率密度。对于经验不足的系统工程师而言，电源环路补偿设计优化可能是一项十分重要但又充满挑战的任务。ADI公司的大部分开关模式稳压器采用电流模式控制架构来实现高性能和高可靠性。例如，图1为一种常用电流模式控制降压转换器的基本反馈环路框图1。该架构包含了内部电流检测环路和外部输出电压调节环路。内部电流检测环路强制电感电流跟随ITH节点处的补偿网络输出电压，这样，电感在概念上就变成了由电压环路误差放大器输出VITH控制的电流源。相应地，包括电流环路在内的降压转换器功率级在低于电流环路带宽的较低频率下表现为单极点系统。因此，简单的2型补偿网络足以优化电源环路稳定性和瞬态性能。在图1中，2型补偿网络示例就是误差运算放大器输出ITH引脚上的RTH、CTH和CTHP网络。
图1.峰值电流模式降压转换器框图，包含内部电流环路、外部电压调节环路和ITH引脚上的2型补偿网络。
图2.电源环路增益示意图。
图2为电源环路增益概念图。KREF是从电源输出VO到FB引脚的反馈电阻分压器网络增益。A(s)是从FB引脚到ITH引脚的电压环路补偿误差放大器网络增益。GCV(s)是从误差放大器输出节点VITH到电源输出电压Vo的功率级转换函数，包括内部电流环路。因此，总电源环路增益T(s)可通过公式1计算：
开关电源环路设计和优化目标
优化的电源环路设计应具有高环路带宽，以实现快速瞬态响应，同时保持足够的稳定性裕量。此外，对于开关电源而言，必须衰减反馈环路中的开关噪声，以尽量减少开关波形抖动。总的来说，电源环路设计的关键目标如下：
环路带宽(fBW )：为了获得快速瞬态响应，我们希望环路带宽越高越好，但在实际应用中，它受到开关频率(fSW)的限制。通常，最大带宽设置为fSW的1/10或1/5。
相位裕量：通常要求相位裕量大于45°，建议大于60°。
增益裕量：增益裕量定义为环路相位为–180°处的增益衰减，它至少应为8 dB至10 dB。
开关噪声衰减裕量：对于电流模式控制开关电源，必须衰减反馈环路中的开关噪声，以尽量减少开关节点波形的抖动。在实际应用中，fSW/2处的衰减最好大于8 dB。
2型补偿网络的直观理解
为了设计和优化补偿网络，电源设计人员首先需要了解每个补偿元件的R或C值对环路增益和负载瞬态响应的影响。如图3所示，2型补偿网络包括：一个典型跨导误差放大器（即电压控制电流源），其增益为gm；放大器寄生输出电阻R0；以及包含RTH、CTH和CTHP的补偿网络。这三个关键的ITH引脚R/C元件用于调整补偿增益A(s)，从而决定电源环路增益带宽、稳定性裕量和瞬态响应性能。
图3.2型补偿网络及其增益A(s)。
补偿增益A(s)的定义如公式2所示。
