楊 辰

（上海中興易聯(lián)通訊股份有限公司，上海 201203）

0 引 言

隨著現(xiàn)代通信行業(yè)技術(shù)的飛速發(fā)展，為適應(yīng)大量數(shù)據(jù)處理的實(shí)際需求，核心器件供電電壓日益降低，所消耗的功率、電流不斷增大。同時(shí)，因系統(tǒng)時(shí)鐘頻率升高、邊沿切換時(shí)間縮短，以及同步開關(guān)噪聲、地彈噪聲等愈發(fā)容易通過電源分布網(wǎng)絡(luò)影響電源質(zhì)量，從而嚴(yán)重威脅系統(tǒng)的安全正常運(yùn)行。鑒于上述行業(yè)現(xiàn)狀，電源穩(wěn)定性設(shè)計(jì)已成為硬件設(shè)計(jì)中不容忽視的關(guān)鍵點(diǎn)。此外，為了縮短研發(fā)周期，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的小型化，同步降壓轉(zhuǎn)換器因其高集成度、高靈活度及相對低成本，在實(shí)際硬件設(shè)計(jì)中日漸成為電源方案的設(shè)計(jì)優(yōu)選。本文將從影響電源穩(wěn)定性的因素入手，闡述對應(yīng)的控制方案，并結(jié)合應(yīng)用實(shí)例說明如何高效便捷地實(shí)現(xiàn)基于同步降壓轉(zhuǎn)換器的電源穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。

1 電源穩(wěn)定性的設(shè)計(jì)目標(biāo)

理想的電源設(shè)計(jì)要求電源在任何負(fù)載、輸入、溫度或元器件參數(shù)離散條件下，都能有一個(gè)穩(wěn)定低噪聲的電壓輸出，重點(diǎn)在于當(dāng)輸入電壓發(fā)生擾動(dòng)或負(fù)載發(fā)生躍變時(shí)可保持穩(wěn)定并快速響應(yīng)?；谕浇祲恨D(zhuǎn)換器的電源設(shè)計(jì)利用閉環(huán)負(fù)反饋改善開環(huán)系統(tǒng)的響應(yīng)，以達(dá)到所期望的電源調(diào)整率、負(fù)載調(diào)整率和瞬態(tài)響應(yīng)等要求。

2 影響電源穩(wěn)定性的因素及對應(yīng)的控制方案

如圖1所示，基于同步降壓轉(zhuǎn)換器的電源對輸出電壓VO緩慢或直流變化，閉環(huán)是穩(wěn)定的。當(dāng)輸入電壓Vdc或負(fù)載變化引起VO變化時(shí)，經(jīng)R1和R2采樣獲得輸入誤差放大器EA的反相輸入端，再與加在EA的同相輸入端參考電壓Vref比較，從而引起EA的輸出直流電平Vea的變化，并送入脈沖寬度調(diào)制器PWM的輸入端A；在PWM中，Vea與輸入端B 0～3 V三角波Vt比較，產(chǎn)生一個(gè)矩形脈沖輸出，其寬度ton等于三角波開始時(shí)間t0到三角波與Vea的相交時(shí)間t1。此脈沖寬度決定了輸出晶體管導(dǎo)通時(shí)間和控制晶體管Q1的導(dǎo)通時(shí)間。若Vdc上升引起Vy上升，因也隨之上升；然后，VO上升引起VS上升，導(dǎo)致Vea下降。從三角波開始到t1的ton相應(yīng)減少，VO恢復(fù)初始值；反之，亦然。[1]由此可證，基于同步降壓轉(zhuǎn)換器的電路是負(fù)反饋且低頻穩(wěn)定。

圖1 基于同步降壓轉(zhuǎn)換器電源模型

然而，環(huán)路內(nèi)存在低電平噪聲和含有豐富連續(xù)頻譜的瞬態(tài)電壓，都可能觸發(fā)電源穩(wěn)定性問題。因此，設(shè)計(jì)實(shí)踐中需著重考慮的如下方面。

第一，根據(jù)奈奎斯特環(huán)路穩(wěn)定性判據(jù)，電路要穩(wěn)定工作必須在開環(huán)增益是1的頻率，所通過元器件的開環(huán)相移小于360°?；谕浇祲恨D(zhuǎn)換器的電源為閉環(huán)負(fù)反饋系統(tǒng)，本身存在180°相移。又因?yàn)樵骷?shù)離散性問題的存在，如果相移接近180°，則可能進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，通過調(diào)整外部補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)插入適當(dāng)?shù)臉O點(diǎn)與零點(diǎn)，可確保電源的穩(wěn)定性。

第二，因輸出電容等效串聯(lián)電阻ESR引起的紋波電壓，經(jīng)過采樣并被誤差放大器放大后，會(huì)影響脈寬調(diào)制器工作[2]。由可知，紋波電壓與ESR正相關(guān)。實(shí)際設(shè)計(jì)中，在LC輸出電路共振峰值可控的情況下，選擇ESR較小的LC，可有效降低其產(chǎn)生的紋波電壓。

第三，由誤差放大器引入的高頻噪聲經(jīng)放大后耦合至放大器輸出端[2]。實(shí)際設(shè)計(jì)中，可通過在誤差放大器輸出端對地增加一個(gè)合理的RC電路起到低通濾波器的作用，以消除或抑制高頻噪聲。

第四，除小信號模型外的其他因素包括EMC、布線、接地和屏蔽等，也會(huì)影響電源穩(wěn)定性。吸納成熟設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，有助于保持電源穩(wěn)定性。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

本節(jié)以TI公司的同步降壓轉(zhuǎn)換器TPS54620為例，實(shí)現(xiàn)基于同步降壓轉(zhuǎn)換器的電源設(shè)計(jì)，并說明確保電源穩(wěn)定性的元器件選擇方案。參照TPS54620數(shù)據(jù)手冊，可得TPS54620及其外圍電路拓?fù)?，如圖2所示。

圖2 TPS54620及其外圍電路

圖1中，L1與C3組成LC輸出電路。為使電感上的直流壓降盡可能小，一般選擇微亨級的電感。同時(shí)，應(yīng)充分考慮電流承受能力，限流過低會(huì)導(dǎo)致負(fù)載躍變時(shí)輸出電壓跌落。由L1感抗Z=2πfsL可知C3的ESR與紋波電壓負(fù)相關(guān)。因此，C3應(yīng)選ESR較小的電解電容，以提高系統(tǒng)的噪聲容限。

圖1中，COMP管腳對地的RC電路被稱為2A型頻率補(bǔ)償電路。它的設(shè)計(jì)需注意以下幾個(gè)關(guān)鍵。

（1）穿越頻率。根據(jù)采樣定理，穿越頻率必須小于開關(guān)頻率的1/2。但是，實(shí)際應(yīng)用中，穿越頻率必須遠(yuǎn)小于開關(guān)頻率的1/2，否則輸出中將產(chǎn)生較大的開關(guān)紋波。TPS54620開關(guān)頻率為200 kHz～1.6 MHz，一般穿越頻率選擇在40 kHz左右較為合理。

（2）相位裕量。如果相移接近180°，環(huán)路可能進(jìn)入不穩(wěn)定狀態(tài)。過小的相位裕量易使環(huán)路不穩(wěn)定，如負(fù)載躍變時(shí)可能產(chǎn)生過激、振鈴和震蕩的情況；相反，相位裕量過大則容易導(dǎo)致系統(tǒng)上升時(shí)間長、瞬態(tài)響應(yīng)速度低。根據(jù)設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)，取相位裕量大于45°。

（3）增益帶寬。需要保證單位增益帶寬遠(yuǎn)大于工作頻率，此時(shí)環(huán)路的瞬態(tài)響應(yīng)速度遠(yuǎn)大于工作頻率才能保證反饋控制速度。

綜上所述，通過2A型頻率補(bǔ)償電路，加入零點(diǎn)使相位裕量大于45°，加入極點(diǎn)使增益曲線保持適當(dāng)斜率。假設(shè)Vout=3.8 V，Iout=2.2 A，利用計(jì)算工具對RC進(jìn)行取值，通過SwithPro軟件可得仿真波特圖，如圖3所示。在一般應(yīng)用場景中，2A型頻率補(bǔ)償電路足以保持電源系統(tǒng)穩(wěn)定。另外，還有3型頻率補(bǔ)償電路可進(jìn)一步增加增益帶寬，改善電流模式控制的瞬態(tài)響應(yīng)。

圖3 環(huán)路波特圖

除了以上提到的元器件選擇問題，優(yōu)化布局合理布線亦不容忽視。實(shí)際生產(chǎn)后，可使用環(huán)路分析儀查看該電源系統(tǒng)的開環(huán)增益相位曲線，以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的合理性。

4 結(jié) 論

可見，LC輸出電路中電感和電容選擇應(yīng)謹(jǐn)慎。較低的等效ESR能夠降低輸出紋波電壓，提高系統(tǒng)的噪聲容限。通過調(diào)整頻率補(bǔ)償電路RC的取值，可有效增加相位裕量，提高系統(tǒng)穩(wěn)定性，但也應(yīng)同時(shí)注意對瞬態(tài)響應(yīng)的影響?？傊瑧?yīng)根據(jù)應(yīng)用場景的客觀需要，合理設(shè)計(jì)系統(tǒng)參數(shù)，從而實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的基于同步降壓轉(zhuǎn)換器的電源穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。