开关电源的环路响应问题

在电路系统的单板设计中我们经常用到各种电源，DC/DC是最广泛的一种，比如BUCK降压电路，一般我们都采用的是相关厂家的集成芯片如TI、ADI、Linear等，总的来说应用还是比较简单的，按照参考电路配置外围器件即可，然后按照布局布线原则完成单板设计。但是如果仅仅是知道基本原理却不知所以然，导致的结果就是在出现问题时完全摸不着头脑，比如最近遇到一个问题就是DC/DC在空载时电压异常的现象。

这个问题是偶然出现的：该芯片已在其他单板上使用正常，但是最新的一块板子却出现电压异常波动。对比二者原理图发现都一样，但是检查完PCB后检查原理图发现输出电容配置有问题，改过电容后电压正常。那么为何同样的设计之前的没有问题，现在的有问题呢?进一步发现，新的问题板子在未使用时是空载的，而之前的板子都是一直带载，于是不改变电容插上负载，输出电压也正常了。这是一个典型的开关电源的环路响应问题。

我们在学习运放的时候就研究过运放的闭环反馈特性，也就是幅频特性和相频特性。

那么对于DC/DC而言，环路同样具有类似特性，下图是一个同步BUCK电路。

基本的传输拓扑为：

传输函数可简化为下图，S为频率参数。

对于BUCK电路而言，我们可以得到输出的零极点分析

LC为环路的主极点，而输出电容和ESR则为环路的一个零点。

我们知道如图的相位裕度是反映环路稳定性的重要指标，因此环路设计中重要的就是如何保证合适的参数。下面就介绍几种补偿方式，目的是前推零点，提高相位裕度。

我们由极点公式看到L和Cout决定了环路的带宽，这个参数其实也代表着环路的响应速度。

Fs是开关电源的频率，那么电源设计中就需要进行补偿设计。

两种补偿方式，具体的计算公式就不贴了。

PI方式：

PID方式：

我们非电源单板硬件设计中考虑环路补偿的情况比较少，实际应用中我们按照推荐的参数设计一般没有问题，但是像这次遇到的这种设计错误时，能够从输出电压的特性上判断出可能的原因，输出电容设计错误导致环路异常出现电压波动，而带载同样影响了环路，因此在设计错误的情况下同样正常工作。总之环路的频率特性与环路的响应、噪声等相关，我们在遇到问题时最好能够从一定基础角度出发才能尽快解决问题，是以为记。

审核编辑：汤梓红