利用波特图显示控制环路特性

摘要

本文解释了为何要利用波特图来展示电源环路的传递函数。虽然存在时域负载瞬态测试，但这种测试并不能揭示波特图所能提供的其他重要信息。读者将了解二者的区别，并认识到波特图计算、仿真与测量的实际意义。

引言

电源应当产生稳定的输出电压。为了评估电源电路，可在不同负载电流下和不同输入电压下测量输出电压，判断所产生的输出电压是否在期望的容差范围内。对电源进行此类基本检查固然重要，但这只能揭示部分实际情况。如果负载电流或电源电压在运行过程中发生变化，所产生的输出电压应尽可能保持稳定。图1为负载瞬态和输入电压变化条件下的电源(LT8642S)框图。

图1：负载瞬态和输入电压变化（线路瞬态）条件下的电源

为了对电源进行动态评估，可在不同负载瞬态和不同输入电压变化下检查所产生的输出电压。图2展示了典型的输出电压曲线。电源输出端的负载电流在500ns的转换时间内从1A变为7A。图中红色曲线为负载瞬态曲线。输出电压曲线以蓝色显示。如图所示，在零时刻的正负载瞬态下，所产生的输出电压下降了33.2mV。电源的控制环路随即在大约10μs后，再次使输出电压稳定下来。在100μs时再次发生负载瞬变，负载电流从7A变回1A，如图2所示。输出电压出现短暂过冲，比标称输出电压高出约31.4mV。

图2：典型电源的负载瞬态测试，利用LTpowerAnalyzer™硬件进行测量

对电源控制环路进行此类评估十分有必要，可提供很多关于控制行为的信息。然而，仅凭负载瞬态测量往往还不够。例如，无法明确判断输出电压曲线的行为主要取决于输出电容的大小，还是取决于控制环路传递函数的速度。增加输出电容可以部分补偿控制环路缓慢的问题。

此外，负载瞬态测试无法提供有关控制环路稳定性的明确信息。图2所示的测量结果可能来自一个控制环路。这个环路勉强保持稳定，如果因元件的容差范围、温度影响或工作条件轻微波动等原因，导致参数稍有变化，环路就会失稳。此时，所产生的输出电压将不再保持固定值，而是会以较大幅度振荡。

然而，图2中的电压曲线也可能来自一个具有高稳定性裕度的电源。在这种情况下，即使电路出现前述的微小变化，也不会引发振荡。

图3：波特图可用于深入分析电源控制环路的行为

图3为图1中电源的实测波特图。其中，红色增益曲线与0dB线相交的点，直接反映了控制环路的速度。此穿越频率越高，控制环路的速度就越快。通常，目标是让0dB交越频率介于开关频率的十分之一到五分之一之间。图3显示交越频率约为100kHz。除穿越频率外，直流增益（低频增益）也会影响控制环路的速度。直流增益越高，控制环路速度越快。

此外，波特图还提供了有关电源稳定性裕度的信息。在0dB穿越频率处，通过蓝色曲线可以读取相位偏移，即所谓的相位裕度。在上面的例子中，相位裕度约为59°。一般认为相位裕度大于45°的系统是稳定的。

结论

波特图提供了有关控制环路行为的重要信息，可得出控制环路的速度，且便于与其他电源进行横向比较。此外，电源的稳定性也能通过可用裕度指标直观反映。而简单的负载瞬态测试无法直接获取此类关键信息。