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透過評估頻率特性來確認輸出穩定性和響應性

在設計階段最佳化DC/DC轉換器的頻率特性

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Keyword
  • 輸出電壓的穩定性和負載暫態響應特性
  • DC/DC轉換器的頻率特性、輸出的響應性
  • 負載電流暫態響應性、輸出的穩定性
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  • 穩定性趨於提高
  • 響應性變差
  • 穩定性和響應性之間存在此消彼長關係
  • 穩定性和響應性的最佳化
  • 頻率特性分析儀(FRA:Frequency Response Analyzer)
  • 為了測量實機電路板而進行加工並非易事
  • 模擬

在DC/DC轉換器的設計中,為了使DC/DC轉換器的設計電路在實際使用條件下能夠穩定運行,並完成滿足裝置性能和規格的電源設計,除靜態特性外還需要評估動態特性。其中,DC/DC轉換器的輸出電壓的穩定性和響應性是重要的確認點,因此有必要瞭解DC/DC轉換器的頻率特性以進行相對應的確認和調整。此次我們就DC/DC轉換器的頻率特性和評估方法諮詢了應用工程師愛宕 崇之先生。

首先,請介紹一下為什麼要評估和瞭解DC/DC轉換器的頻率特性?

我認為所有設計都是相同的,都需要在完成桌面上的電路設計後,試作並評估是否達到了設計目標。對於DC/DC轉換器來說,除了要確認作為電源的基本工作(例如輸出電壓精度和最大輸出電流)外,確認輸出電壓的穩定性和負載暫態響應特性也是非常重要的。由於穩定性和響應性基本上都涉及到設計的DC/DC轉換器的頻率特性,因此有必要確認頻率特性並根據確認結果進行最佳化。

您能具體解釋一下輸出電壓的穩定性和暫態響應性嗎?

我想使用這張圖來對每個概念進行說明。

DC/DC轉換器輸出電壓的穩定性和暫態響應特性示意圖

首先,讓我們從只能用此圖解釋的響應性開始。在這張示意圖中,使用切換DC/DC轉換器將12V電池電壓降至5V,並用作微控制器的電源。此外,該5V電壓由電壓監控IC(通常也稱為“復位IC”)監測,當電壓低於設定值時,會將重置訊號發送到微控制器。這是一個很常見的電路範例。

輸出電壓的響應性是將因負載電流的急遽變化而瞬間波動的輸出電壓復原的動作。通常,期望在電壓波動盡可能小的期間內就做出響應,並在盡可能短的時間內將電壓穩定在設定電壓。

在該圖中有兩個範例,一個是負載電流急遽上升,5V輸出電壓瞬間下降;另一個是負載電流急遽下降,輸出電壓瞬間上升到5V以上。如果因負載電流的突然增加而下降的輸出電壓超過了重置IC的閾值,則會發出不必要的重置訊號,從而使微控制器復位。此外,如果因負載電流的突然降低而導致輸出電壓突然升高,並且超過微控制器的電源電壓額定值,則微控制器可能會發生誤動作甚至損壞。這對於從休眠狀態瞬間全負載運行的裝置(例如微控制器和CPU)的電源來說,這是必不可少的確認項目,反之對於從全負載運行狀態瞬間休眠的裝置來說亦然。

透過調整DC/DC轉換器的暫態響應特性,可以對這些項目進行最佳化和處理,以使電壓波動不超過重置IC的閾值或後段元件的電源額定值。

原來如此。如果暫態響應特性未得到最佳化,在某些情況下可能會引發致命問題吧。

是的。下面我們來介紹輸出電壓的穩定性。這裡所說的輸出電壓的穩定,指的是在輸出中不會發生過度振鈴振盪。振盪的波形範例如下。DC/DC轉換器的輸出電壓包含由切換引起的漣波電壓,不是理想的DC電壓,但振盪是與漣波不同的一種異常現象。這個波形圖是當外加負載時就會出現明顯振盪狀態的DC/DC轉換器範例。

表示輸出電壓振盪的波形

一提到振盪,就會想到使用了運算放大器的電路,原來DC/DC轉換器也會發生振盪啊。

DC/DC轉換器振盪是因為它使用回饋電路來控制輸出電壓以使之保持恒定。因此,振盪的原理和條件與運算放大器相同。順便說一下,由於LDO等線性穩壓器也使用回饋控制方式,因此它們也會在某些條件下發生振盪。理解了發生振盪的原理有助於瞭解頻率特性,因此我會稍微詳細地對其進行說明。

DC/DC轉換IC的內部電路大致配置如下。紅色箭頭的A點和B點最初是連接在一起的,但是故意將用來輸出控制的回饋訊號B和基於該回饋訊號的控制訊號A(輸出)分開了。

輸出電壓透過由R1和R2組成的分壓電阻回饋到IC內部的誤差放大器輸入。誤差放大器對基準電壓與輸出電壓進行比較,如果輸出電壓高於設定電壓,將進行降低的控制;如果低於設定電壓,將進行升高的控制,以保持輸出電壓恒定。

DC/DC轉換器的回饋路徑示意圖

由於該回饋控制是負反饋,所以控制訊號A的相位相對於回饋訊號B的相位有180度的偏差。從波形圖中可以看到相位的關係。

然而實際上,在IC內部處理並輸出訊號之前是需要花費時間的,會產生延遲時間。因此,隨著頻率變得更快,相位會因延遲時間而越來越滯後。當相位接近0度時,將處於不穩定狀態,如果滯後到0度,則負反饋將變為正回饋,並發生異常振盪。

負反饋相位滯後的說明圖

當運算放大器電路發生振盪時,是否意味著“相位餘裕不足”?

基本上是的。剛剛我只提到了“相位延遲”,但實際上,穩定性是可以透過基於相位特性和增益特性的“波特圖”來看出的。

說到波特圖,也就是說頻率特性與DC/DC轉換器的穩定性和響應性能是息息相關的,對吧?

是的。接下來我來具體解釋一下穩定性、響應性和頻率特性之間的關係。我們邊整理之前提到的內容邊進行解釋說明。

穩定性是“輸出電壓相對於振盪條件具有多少餘裕”,響應性是“當輸出電壓波動時,直到輸出電壓恢復到設定值時的響應時間”。而相位餘裕、增益(Gain)餘裕、穿越頻率是用作來確認這些特性的參數。這些參數可以從其DC/DC轉換器的波特圖中讀取。看下面這張圖,圖中包括波特圖和各個參數、以及穩定性和響應性之間關係。

表示DC/DC轉換器頻率特性的波特圖和確認點

首先,我在表格中總結了各個參數的測量點、穩定性和響應性之間的關係、以及數值和特性的趨勢,我們根據這份表格來看波特圖。

相位餘裕度 增益為0dB時的相位 關係到穩定性 越大越穩定
增益餘裕度 相位為0deg(度)時的增益 關係到穩定性 越大越穩定
穿越頻率 增益為0db時的頻率 關係到響應性 越高響應越快

如表格和圖片中的藍色、紅色和綠色框內的說明所示,相位餘裕度是增益為0db時的相位,增益餘裕度是相位為0deg(度)時的增益,穿越頻率是增益為0db時的頻率。

相位餘裕度和增益餘裕度與穩定性息息相關,並且它們越大,穩定性越高,發生振鈴或振盪的可能性就越小。另外,穿越頻率與響應性息息相關,穿越頻率越高,響應性越好,並且由於負載暫態而導致的輸出波動越小。

在這張波特圖上,繪有表示相位特性的曲線(藍色)和表示三種類型的增益特性的曲線(增益1:紅色,增益2:粉紅色,增益3:橙色)。

增益1是標準範例。增益1為0dB時的頻率,即穿越頻率約為85kHz(綠色圓點),此時的相位餘裕度約為55deg(淺藍色圓點/藍色雙向箭頭①)。當相位為0deg時,增益餘裕度約為15dB(紅餘裕色圓點)。圖中的說明中給出了每個參數的參考值,可以作為參考。

增益2是假設增益較低時的範例。由於增益低於增益1,因此穿越頻率降低至大約9kHz,並且相位餘裕度超過了100deg(藍色雙向箭頭②)。增益餘裕度(增益2曲線上的紅色正方形點)也達到30dB以上,並且隨著相位餘裕度的增加而增加,穩定性趨於提高。但是,隨著穿越頻率的下降,響應速度會降低

增益3是假設增益較高時的範例。由於增益高於增益1,穿越頻率上升到了約180kHz,相位餘裕度減小到了約20deg(藍色雙向箭頭③)。增益餘裕度(增益3曲線上的紅色正方形點)也降低到了5dB左右。在該範例中,較高的穿越頻率實現了更好的響應性,但是相位餘裕度和增益餘裕度都減少了,穩定性降低

正如您可能已經注意到的,在穩定性和響應性之間存在此消彼長的關係,這個提高那個就會降低。因此,在設計過程中,需要根據電路條件最佳化穩定性和響應性

我們已經瞭解了要確認DC/DC轉換器的穩定性和響應性就需要評估頻率特性這一點。那麼如何獲得DC/DC轉換器的頻率特性呢?

要測量頻率特性,使用頻率特性分析儀(FRA:Frequency Response Analyzer)既簡單又可靠。下面是實際的FRA和測量電路。實際上您前面看到的波特圖就是使用FRA獲得的。

使用了頻率特性分析儀(FRA)的頻率特性檢測電路範例/頻率特性分析儀(FRA)

要測量DC/DC轉換器的頻率特性,需要斷開回饋環路的輸出和分壓電阻(如測量電路圖中所示),插入預定的電阻(注入電阻),並將FRA連接於該電阻兩端。之後,幾乎可以自動測量相位餘裕度和增益餘裕度,並以佈局顯示出來。

看起來比較簡單,但是在實機確認時是不是需要加工電路板?

實際上確實如此。雖然使用FRA可以輕鬆測量頻率特性,但這當中並非沒有課題。您剛才提出的問題便是其中的一個課題,由於元件的小型化和高密度安裝,如今常常很難加工實機電路板以對其進行測量。另外,即使可以測量頻率特性,也需要反復更改相應電阻和電容的值並重新測量頻率特性以進行調整和最佳化的工作。一遍又一遍地更換實機電路板上小小的晶片是一項相當艱巨的工作。

也就是說,最佳化頻率特性需要反覆更改相應零件的常數並重新測量來反覆試驗,這對於零件日益小型化和安裝日益高密度化的電路板而言並非易事。

的確如此。而且,很多情況下,一開始並沒有昂貴的FRA。

那麼,如果無法使用FRA該怎麼辦?

我認為作為對實際測量的補充,模擬是非常有用的。近年來,許多模擬器都能夠對頻率特性和負載響應特性進行模擬,並且IC製造商也提供了用於模擬的元件模型和包括週邊電路的模型。

的確,最近經常聽到關於在設計中使用模擬的話題。那麼現在讓我們談談模擬。

<未完待續>

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