為使電源穩(wěn)定，需要一定的增益和相位裕量。通常，電源若具有至少45°的相位裕量和至少10 dB的增益裕量，便可視為穩(wěn)定。為了測(cè)量這些值，通常要在 VOUT節(jié)點(diǎn)和頂部反饋電阻之間插入一個(gè)小電阻，然后在這個(gè)增加的電阻兩端施加一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)，并在期望的頻率范圍內(nèi)測(cè)量環(huán)路響應(yīng)。如果用戶能夠接觸到頂部反饋電阻，這種常規(guī)方法會(huì)很簡(jiǎn)便，因此很常用。

但是，如果用戶無(wú)法接觸模塑模塊內(nèi)的頂部反饋電阻，該如何測(cè)量環(huán)路響應(yīng)？如果器件不需要頂部反饋電阻，而是使用輸出電壓檢測(cè)引腳，又該如何測(cè)量環(huán)路響應(yīng)？對(duì)于這兩個(gè)問題，通過(guò)比較常規(guī)測(cè)量方法和新型測(cè)量方法的環(huán)路響應(yīng)波特圖，可以給出解答。

頂部反饋電阻位于何處？

如圖1所示，測(cè)量環(huán)路響應(yīng)的常規(guī)方法是在 VOUT節(jié)點(diǎn)和頂部反饋電阻之間插入一個(gè)小值電阻。只有用戶可以接觸到頂部反饋電阻時(shí)，才能使用這種方法。

圖1. 原理圖：使用LT8608測(cè)量環(huán)路響應(yīng)時(shí)，需要外加電阻。

許多電源模塊的頂部反饋電阻位于電源封裝內(nèi)部，無(wú)法接觸。若將頂部反饋電阻硬連線到VOUT節(jié)點(diǎn)，則輸出電壓絕不會(huì)超過(guò)反饋電阻分壓器設(shè)定的電壓。如果頂部反饋電阻不是硬連線，在降壓型穩(wěn)壓器中，一旦該電阻連接不當(dāng)或發(fā)生故障，則VOUT節(jié)點(diǎn)電壓可能會(huì)升高到與輸入電壓一樣高。ADI公司的許多μModule器件都將頂部反饋電阻模塑在模塊內(nèi)部，以提供額外的保護(hù)。但這樣一來(lái)，便無(wú)法用常規(guī)方法測(cè)量環(huán)路響應(yīng)。圖2顯示了LTM8074及其無(wú)法接觸的頂部反饋電阻。

圖2. 示例電路：用戶無(wú)法接觸頂部反饋電阻。

另一種特殊情況是模塊使用輸出電壓檢測(cè)引腳(VOSNS)來(lái)調(diào)節(jié)VOUT電壓。如圖3中的簡(jiǎn)化框圖所示，由于該設(shè)置使用基準(zhǔn)電流源，而不是通常的基準(zhǔn)電壓源，因此沒有頂部反饋電阻。LTM4702使用該基準(zhǔn)電流電路來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。

圖3. 顯示VOSNS電路的簡(jiǎn)化框圖。

負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)還是波特圖？

如果沒有辦法測(cè)量電源的環(huán)路響應(yīng)，就必須完全依靠系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)來(lái)確定穩(wěn)定性。瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試用于檢查在 VOUT節(jié)點(diǎn)施加負(fù)載階躍時(shí)VOUT的電壓響應(yīng)。瞬態(tài)響應(yīng)示例如圖4所示。根據(jù)波形，通過(guò)測(cè)量從施加負(fù)載階躍到輸出電壓開始恢復(fù)的時(shí)間，可以估算帶寬(?BW)。控制環(huán)路的帶寬等于該恢復(fù)時(shí)間(tr)與∏乘積的倒數(shù)。在此示例中，恢復(fù)時(shí)間約為4 μs，帶寬為80 kHz。

圖4. 瞬態(tài)響應(yīng)示例。

此外，通過(guò)觀察波形的形狀也可以評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果在波形中看到振鈴（綠色響應(yīng)曲線），則表示系統(tǒng)具有欠阻尼響應(yīng)。這意味著系統(tǒng)可能不穩(wěn)定，相位裕量較低。但相位裕量有多低呢？

如果波形的恢復(fù)時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，則可以認(rèn)為系統(tǒng)具有過(guò)阻尼響應(yīng)（藍(lán)色響應(yīng)曲線）。系統(tǒng)輸出電壓的恢復(fù)時(shí)間可能比預(yù)期時(shí)間要長(zhǎng)得多。由于電壓下降持續(xù)時(shí)間超過(guò)預(yù)期，下游電路可能會(huì)受到影響。

雖然通過(guò)瞬態(tài)響應(yīng)可以了解有關(guān)系統(tǒng)環(huán)路響應(yīng)的一些信息，但確切的相位裕量和增益裕量只能通過(guò)測(cè)量來(lái)確定。

測(cè)量環(huán)路穩(wěn)定性的新方法

對(duì)于使用輸出電壓檢測(cè)引腳的情形，環(huán)路響應(yīng)測(cè)量與常規(guī)測(cè)量方法類似。只需在 VOUT節(jié)點(diǎn)和 VOSNS引腳之間放置一個(gè)小值電阻即可。如圖3所示，將擾動(dòng)信號(hào)施加于該電阻，然后測(cè)量環(huán)路響應(yīng)。

對(duì)于頂部反饋電阻位于模塊內(nèi)部而無(wú)法接觸的情形，采用新型環(huán)路測(cè)量技術(shù)時(shí)需要格外小心。如圖5所示，必須安裝一個(gè)并聯(lián)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，并將擾動(dòng)信號(hào)置于底部反饋電阻和地之間插入的電阻上。務(wù)必使并聯(lián)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)盡可能靠近反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，以盡量減少誤差。

圖5. 新型環(huán)路響應(yīng)測(cè)量方法

第1步：

在R2和地之間插入20 Ω RPERT電阻。將擾動(dòng)信號(hào)施加于 RPERT。

第2步：

選擇R4，其值應(yīng)在500 Ω至1 kΩ范圍內(nèi)。見注釋1。

第3步：

計(jì)算并聯(lián)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)比率。n = R2/R4。

第4步：

使用第3步中的比率n計(jì)算R3和CFF2。

第5步：

重新構(gòu)建包括前饋電容和電容CM的并聯(lián)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，以消除擾動(dòng)信號(hào)帶來(lái)的附加電容的影響。見注釋2。

公式：

1. n = R2/R4

2. R3 = R1/n

3. CFF2= n × CFF1

4. CM= n × CPERT

注釋1：

選擇R4，使得R2比R4大40到100倍。這樣，由R2和R3組成的電阻網(wǎng)絡(luò)將在反饋環(huán)路的測(cè)量中起主導(dǎo)作用。

注釋2：

如果無(wú)法可靠地測(cè)量擾動(dòng)信號(hào)的寄生電容，可以通過(guò)迭代試驗(yàn)的方式，憑借經(jīng)驗(yàn)確定CM電容。

新型測(cè)量方法產(chǎn)生的環(huán)路響應(yīng)與常規(guī)方法相同，如圖6所示。

圖6. 常規(guī)測(cè)量方法和新型方法的波特圖比較。

結(jié)語(yǔ)

借助這種新型測(cè)量方法，用戶現(xiàn)在無(wú)需接觸頂部反饋電阻即可確定環(huán)路響應(yīng)。用戶不再需要使用帶寬有限且誤差較大的低效方法，也不必僅依賴負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)來(lái)評(píng)估環(huán)路穩(wěn)定性。