如何合理的测试DCDC电源第八部分，电源相位和增益裕度

相位和增益裕度是用于确定控制回路稳定性的行业标准测量值。如前所述，稳压电源使用控制回路来监视和控制其输出特性。与任何控制回路一样，如果设计不当，它会很快变得不稳定，从而导致振荡、过冲、下垂和其他导致系统故障的不良特性。

当存在增益大于 1 且相位延迟为 0 度的反馈回路时，就会发生振荡。我们在这里不涉及控制回路理论，而是关注使用相位和增益裕度的概念来建立稳定和安全设计的标准。

电源的反馈放大器提供负增益。随着输入电压的增加，正向环路增益降低。换言之，随着输出电压降低(负载增加)，正向增益增加。这在直流或低频操作时很容易理解。但是，负反馈必须对一些合理的频率响应做出反应，否则输出电压会发生变化(下降或过冲)。这可能会导致潜在的系统问题。

环路频率响应或控制环路仍具有正增益的频率必须足够高以支持预期的系统变化(负载阶跃、线路变化等)。但是，当环路的相位延迟接近 360 度(同相)时，它不能太高。电源控制环路通常采用滤波器(称为补偿滤波器)来衰减环路增益并控制环路频率响应低于 1(或 0 dB 输入/输出)的位置。这个频率称为环路的交叉频率。为电源设置理想的交叉频率超出了本文的范围，但可以说它取决于系统特性和要求，其中一些我在上面提到过。

如前所述，控制环路增益以既定速率衰减，并在某个已确定的“交叉”频率处超过一 (0 dB) 的增益。控制回路相位延迟必须充分保持，直到达到交叉频率。相位裕度是与交叉频率下的误差放大器输入相关的测量输出相位延迟(相位输出 - 相位输入)。特定设计的足够相位裕度取决于系统要求，包括工作裕度、负载响应要求、设计容差等。

一些行业专家使用 45 度的相位裕度作为安全的系统目标规范，但其他专家可能建议低至 30 度。较低的相位裕度通常会导致更快的环路响应时间，这在某些情况下是可取的。一般来说，低于这些值的相位裕度可能会导致控制回路不稳定。

如果控制回路输入到输出增益超过零 dB，但在回路相位延迟达到零度(同相)之前没有充分降低，则控制回路有振荡和/或其他不良特性的风险。增益裕度是输出增益幅度除以输入增益的绝对值。

一些行业专家使用 10 dB 的增益裕度作为安全值，尽管低至 5 dB 已被安全使用。一般来说，低于这些值的相位裕度可能会导致控制回路不稳定。相位和增益裕度目标之间存在关系。通常，相位裕度越低，预期的增益裕度就越低。

存在许多关于控制回路理论和现实世界系统中的安全裕度的论文和书籍。建议读者参考外部工作，以便为您的特定系统要求建立足够的相位和增益裕度。

电磁干扰

传导和辐射电磁干扰 (EMI) 通常在系统级别进行测试，但通常与电源噪声相关。存在用于确定电源内 EMI 来源的行业技术，但超出了本文的范围。

结论

如今，可以借助自动化仿真工具来设计电源。例如，TI 的WEBENCH或TINA-TI等工具可以在打开烙铁之前设计和模拟电源，直至进行热分析。通常设计按预期工作。然而，由于所有模拟器都做出假设，模拟器的结果将与实际系统运行有所不同。良好的工程实践总是包括对实际系统操作的全面实践分析。

本系列概述了一些(但不是所有)测试应该计划以确保可靠的电源设计。作者敦促设计人员制定全面的电源测试规范和测试计划并执行该计划，以确保您的系统按预期运行，并且在产品的预期寿命之后继续这样做。