不穩定的電源會導致嚴重的系統問題，例如無源組件的可聽噪聲，開關頻率的意外抖動，負載瞬態事件期間輸出電壓的極端振蕩以及半導體開關的故障。盡管出于各種原因會導致不穩定，但未調整的補償網絡會解決開關電源中的大部分不穩定問題。本文為如何確定不穩定源是否為未調整的補償網絡提供了指導，并提供了一些快速技巧來提高不穩定電源的穩定性。

瞬態響應：電源穩定性的一種量度

開關電源的瞬態性能具有兩個主要標準：帶寬（BW）和相位裕量（PM）。較高的帶寬導致更快的瞬態響應。另一方面，較高的PM意味著更好的穩定性。為了獲得可接受的瞬態性能，需要高BW和高PM。但是，BW和PM之間需要權衡取舍。增加帶寬的技術通常會降低PM，反之亦然。

圖1顯示了具有高BW和低PM的電源的典型瞬態響應。當發生負載轉換時，輸出電壓會經歷幾次振蕩，然后再穩定在穩定電壓上。負載過渡期間輸出電壓的振蕩次數是衡量電源穩定性的好方法。振蕩次數與PM直接相關，因此與電源的穩定性直接相關。

圖1：電源的典型瞬態響應

開關穩壓器中的補償網絡

通常，有兩種類型的補償網絡廣泛用于開關穩壓器：II型和III型。II型補償網絡采用零極點集來實現所需的帶寬和PM。為了進一步改善調節器的瞬態響應，采用了III型補償網絡。III型補償網絡增加了一個額外的零極點集，這有助于實現更高的帶寬和/或更高的PM。圖2顯示了III型補償網絡原理圖。

圖2：III型補償網絡

本文的目的是說明如何使用簡單的技術來穩定不穩定的電源。注意，所提出的技術僅在不穩定源是未調整的補償網絡時才有效。

從補償網絡實現的角度來看，以下描述的兩種類型的開關調節器。這兩種類型是：具有外部補償網絡的開關穩壓器和具有內部補償網絡的開關穩壓器。圖3顯示了這兩種電源類型的典型應用電路。

圖3：電源中的兩種補償網絡

可用旋鈕穩定電源不穩定

如前所述，可以通過查看開關穩壓器對負載變化的瞬態響應來驗證其不穩定性。

圖1顯示了一個不穩定電源的示例，當發生負載轉換時，該電源在輸出電壓上會出現幾次振蕩。圖4顯示了圖1中電源的波德圖。在此示例中，BW為65kHz，而PM僅為16°。為了使電源具有可接受的瞬態性能，建議其帶寬不超過開關頻率的10％，且PM應當大于60°。圖1電源中的開關頻率為400kHz。這將允許的帶寬限制為<40kHz。在圖4中，高65kHz的BW導致較小的PM（僅16°）。

請注意，在對噪聲敏感的應用中，帶寬必須進一步限制為小于開關頻率的5％。

圖4：圖1中電源的波特圖

圖4顯示，當相位曲線（紅色）已經下降時，幅度曲線（藍色）達到0dB。為了獲得適當的PM和良好的穩定性，必須在幅度曲線開始下降之前在幅度曲線上出現0dB點。

下面介紹的技術將使讀者能夠快速修復不穩定的開關電源，同時提供一些方法來查看降低BW是否可以提高穩定性。如果隨著BW的顯著降低而提高了穩定性，則可以確認不穩定的根源是未調整的補償網絡。

請注意，減少BW可以提高穩定性。首先，它會使控制循環變慢。較慢的控制回路可防止或限制輸出上的尖峰和/或振蕩。其次，降低BW可以增加PM，從而提高穩定性。

帶有外部補償網絡的穩壓器

在具有外部補償網絡的電源中，補償網絡位于COMP引腳處。在這種情況下，查看輸出振蕩是否由未調整的補償網絡引起的快速方法是在COMP引腳上放置一個大電容。COMP引腳上的大電容器將一個低頻極點引入控制環路，這極大地限制了帶寬。該電容器越大，BW越低。圖5顯示了在COMP引腳上增加一個大電容的效果。COMP引腳上電容器的典型范圍為100nF至1μF。

圖5：在COMP引腳上添加大電容的效果

具有內部補償網絡的監管機構

對于具有內部補償網絡的穩壓器，COMP引腳不可用。因此，必須使用外部旋鈕來減小BW并提高穩定性。用內部補償網絡限制開關穩壓器帶寬的最有效方法是使用與反饋引腳串聯的電阻（稱為FB串聯電阻）。

圖6顯示了添加FB系列電阻器的影響。該電阻器將幅度曲線向下移動，對相位曲線的影響很小。因此，它有效地限制了帶寬，并提高了電源的穩定性。FB系列電阻越大，BW降低越大。典型的FB系列電阻器的范圍應在5kΩ至100kΩ之間。

圖6：與FB引腳串聯添加電阻的效果

驗證對不穩定電源進行故障排除的建議技術

本文在此示例中將使用兩部分。所述MPM3530是55V / 3A降壓功率模塊從外部補償網絡單片電力系統（MPS）。圖7（a）顯示了MPM3530的典型應用原理圖。圖7（b）顯示了MPQ4420，它是來自MPS的具有內部補償網絡的36V / 2A同步降壓穩壓器。

圖7：示例典型應用原理圖

為了顯示在COMP引腳上添加一個大電容的有效性，請考慮使用MPM3530。在此示例中，選擇補償網絡組件以使調節器變得不穩定。這是通過將圖7（a）中的R3從2.53kΩ增加到16kΩ來完成的。圖8顯示了MPM3530的瞬態響應及其波德圖。輸出上的大量振蕩表示穩定性較低。波特圖上只有2°的小PM證實了其低穩定性。

圖8：具有未調整補償網絡的MPM3530瞬態響應和波特圖

圖9顯示了在COMP引腳上添加一個1μF電容器后瞬態響應的變化。輸出上的高振蕩得到抑制，這意味著穩定性得到了改善。波特圖表明，BW顯著降低，正如預期的那樣。降低BW會導致PM大幅增加，從而提高穩定性。

然而，穩定性的提高是以較慢的響應為代價的。輸出電壓建立時間從300μs大幅增加到2ms。還應注意，由于對負載變化的響應較慢，因此最大電壓下沖增加至700mV，而圖8中為15mV。

圖9：MPM3530的COMP引腳上的大電容改善穩定性的效果

如圖7（b）所示，COMP引腳在具有內部補償網絡的調節器（例如MPQ4420）中不可用。圖10顯示了沒有任何FB系列電阻器的MPQ4420的瞬態響應（例如，圖7（a）中的R3設置為0Ω）。負載過渡期間輸出電壓的高振蕩表明穩定性很低。從波特圖可以看出，BW為72kHz，而PM僅為11°。由于MPQ4420的默認開關頻率為410kHz，因此必須將BW限制在41kHz以下。

圖10：沒有FB系列電阻的MPQ4420瞬態響應和波特圖

圖11顯示了如何將R3從0Ω更改為51kΩ，如何顯著降低瞬態響應期間的振蕩。不出所料，引入FB系列電阻器會降低幅度曲線，這意味著較低的BW和較高的PM。在這種情況下，新的帶寬為21kHz，并且PM從11°改善到43.5°。

圖11：具有FB系列電阻的MPQ4420瞬態響應和波特圖

電源瞬態響應的進一步改進

盡管圖12所示的輸出具有更高的穩定性和更少的振蕩，但PM仍低于60°目標。進一步降低帶寬將不會為PM提供任何額外的提升，并且會進一步降低響應時間。如前所述，較低的BW也會增加電壓下沖的幅度。

可以使用一個附加旋鈕來提高PM，而不會通過犧牲BW來使調節器變慢。該解決方案是前饋電容器（CFF）。

因為這是II型內部補償網絡，所以它不提供任何相位提升。如果需要相位提升，則在反饋網絡上添加CFF（見圖12）。CFF向補償網絡添加另一個零，這可以在不降低帶寬的情況下提高PM。實際上，如果正確選擇電容器，則可以提高PM并提高BW，以實現更快的瞬態響應。

圖12：具有前饋電容器的MPQ4420原理圖

圖13顯示了具有19kΩFB系列電阻和220pF CFF的MPQ4420的瞬態響應和波德圖。如圖所示，帶寬增加到40kHz，恰好是開關頻率的10％，并且PM達到78°，這與目標PM> 60°一致。

圖13：具有FB系列電阻器和CFF的MPQ4420瞬態性能

圖13顯示，輸出電壓只有一個下沖，這表明該器件具有良好的穩定性。響應時間也已縮短至約60μs，下沖電壓已降至僅8mV。

結論

本文探討了一些快速的技巧來診斷和解決開關電源中的不穩定問題。提出了單獨的技術來穩定具有內部補償網絡的穩壓器與具有外部補償網絡的穩壓器。通過將所提出的技術應用于MPS的MPM3530和MPQ4420，驗證了所提出技術的有效性，并且本文演示了前饋電容器如何進一步改善開關穩壓器的瞬態響應。

編輯：hfy