无法接触顶部反馈电阻时的环路响应测量方案

摘要

本文将详细介绍在没有明显注入点（即无法接触或缺少顶部反馈电阻）的情况下，如何测量电源的环路响应。这种情况存在两种情形：电源模块内部的顶部反馈电阻无法接触，或者电源模块使用输出检测引脚，而没有顶部反馈电阻。

引言

为使电源稳定，需要一定的增益和相位裕量。通常，电源若具有至少45°的相位裕量和至少10 dB的增益裕量，便可视为稳定。为了测量这些值，通常要在VOUT节点和顶部反馈电阻之间插入一个小电阻，然后在这个增加的电阻两端施加一个扰动信号，并在期望的频率范围内测量环路响应。如果用户能够接触到顶部反馈电阻，这种常规方法会很简便，因此很常用。

但是，如果用户无法接触模塑模块内的顶部反馈电阻，该如何测量环路响应？如果器件不需要顶部反馈电阻，而是使用输出电压检测引脚，又该如何测量环路响应？对于这两个问题，通过比较常规测量方法和新型测量方法的环路响应波特图，可以给出解答。

如图1所示，测量环路响应的常规方法是在VOUT节点和顶部反馈电阻之间插入一个小值电阻。只有用户可以接触到顶部反馈电阻时，才能使用这种方法。

图1.原理图：使用LT8608测量环路响应时，需要外加电阻

图2.示例电路：用户无法接触顶部反馈电阻

图3.显示VOSNS电路的简化框图

许多电源模块的顶部反馈电阻位于电源封装内部，无法接触。若将顶部反馈电阻硬连线到VOUT节点，则输出电压绝不会超过反馈电阻分压器设定的电压。如果顶部反馈电阻不是硬连线，在降压型稳压器中，一旦该电阻连接不当或发生故障，则VOUT节点电压可能会升高到与输入电压一样高。ADI公司的许多µModule®器件都将顶部反馈电阻模塑在模块内部，以提供额外的保护。但这样一来，便无法用常规方法测量环路响应。图2显示了LTM8074及其无法接触的顶部反馈电阻。

另一种特殊情况是模块使用输出电压检测引脚(VOSNS)来调节VOUT电压。如图3中的简化框图所示，由于该设置使用基准电流源，而不是通常的基准电压源，因此没有顶部反馈电阻。LTM4702使用该基准电流电路来调节输出电压。

负载瞬态响应还是波特图？

如果没有办法测量电源的环路响应，就必须完全依靠系统的瞬态响应来确定稳定性。瞬态响应测试用于检查在VOUT节点施加负载阶跃时VOUT的电压响应。瞬态响应示例如图4所示。根据波形，通过测量从施加负载阶跃到输出电压开始恢复的时间，可以估算带宽(ƒBW)。控制环路的带宽等于该恢复时间(tr)与Π乘积的倒数。在此示例中，恢复时间约为4 µs，带宽为80 kHz。

此外，通过观察波形的形状也可以评估系统的稳定性。如果在波形中看到振铃（绿色响应曲线），则表示系统具有欠阻尼响应。这意味着系统可能不稳定，相位裕量较低。但相位裕量有多低呢？

如果波形的恢复时间相当长，则可以认为系统具有过阻尼响应（蓝色响应曲线）。系统输出电压的恢复时间可能比预期时间要长得多。由于电压下降持续时间超过预期，下游电路可能会受到影响。

图4.瞬态响应示例

虽然通过瞬态响应可以了解有关系统环路响应的一些信息，但确切的相位裕量和增益裕量只能通过测量来确定。

测量环路稳定性的新方法

对于使用输出电压检测引脚的情形，环路响应测量与常规测量方法类似。只需在VOUT节点和VOSNS引脚之间放置一个小值电阻即可。如图3所示，将扰动信号施加于该电阻，然后测量环路响应。

对于顶部反馈电阻位于模块内部而无法接触的情形，采用新型环路测量技术时需要格外小心。如图5所示，必须安装一个并联电阻分压网络，并将扰动信号置于底部反馈电阻和地之间插入的电阻上。务必使并联电阻分压网络尽可能靠近反馈电阻网络，以尽量减少误差。

第1步：

在R2和地之间插入20 Ω RPERT电阻。将扰动信号施加于RPERT。

第2步：

选择R4，其值应在500 Ω至1 kΩ范围内。见注释1。

第3步：

计算并联电阻分压网络比率。n = R2/R4。

第4步：

使用第3步中的比率n计算R3和CFF2。

第5步：

重新构建包括前馈电容和电容CM的并联电阻分压网络，以消除扰动信号带来的附加电容的影响。见注释2。

公式：

n = R2/R4

R3 = R1/n

CFF2 = n × CFF1

CM = n × CPERT

图5.新型环路响应测量方法

注释1：

选择R4，使得R2比R4大40到100倍。这样，由R2和R3组成的电阻网络将在反馈环路的测量中起主导作用。

注释2：

如果无法可靠地测量扰动信号的寄生电容，可以通过迭代试验的方式，凭借经验确定CM电容。

图6.常规测量方法和新型方法的波特图比较

新型测量方法产生的环路响应与常规方法相同，如图6所示。

结语

借助这种新型测量方法，用户现在无需接触顶部反馈电阻即可确定环路响应。用户不再需要使用带宽有限且误差较大的低效方法，也不必仅依赖负载瞬态响应来评估环路稳定性。

参考文献

Henry Zhang，“应用笔记149：开关模式电源的模型和环路补偿设计”，凌力尔特，2015年1月。