電源設計：如何利用波特圖來滿足動態控制行為的要求

作者：ADI公司現場應用工程師Frederik Dostal

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控制行為要求。電源通常通過控制環路保持固定的輸出電壓。這個控制環路可能穩定，也可能不穩定；可以快速調節，也可以慢速調節。在大多數情況下，都可以使用波特圖來描述控制環路。通過使用波特圖，您可以查看控制環路的速度，特別是其調節穩定性。

圖1.使用控制環路（以綠色顯示）來調節其輸出電壓的開關穩壓器示例

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

圖2.顯示控制環路增益的波特圖（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所示的控制環路，這個所謂的交越頻率出現在約80 kHz處。根據經驗，此頻率不得超過開關模式電源的設定開關頻率的十分之一。否則，可能會導致電路不穩定。圖中顯示的第二條重要信息是增益曲線下方的區域，即函數積分。直流增益和交越頻率越高，控制環路就能更好地讓輸出電壓保持恒定。

圖3.控制環路的相位曲線，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值是相位裕量。通過這個數值可以判斷控制環路的穩定性。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°即被視為不穩定。當相位裕量在40°和70°之間時，控制環路設置良好。在此范圍內，能夠較好地同時兼顧調節速度和穩定性。相位裕量高于70°時，系統非常穩定，但是調節速度非常慢。

開關穩壓器的數據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。他于2001年開始工作，涉足電源管理業務，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場應用工程師。聯系方式：frederik.dostal@analog.com。

關鍵詞： 相位裕量 輸出電壓 動態控制 輸入電壓 增益曲線