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(wěn)定運行，并完成滿足設備性能和規(guī)格的電源設計，除靜態(tài)特性外還需要評估動態(tài)特性。其中，DC/DC轉換器的輸出電壓的穩(wěn)定性和響應性是重要的確認點，因此有必要了解DC/DC轉換器的頻率特性以進行相應的確認和調整。此次我們就DC/DC轉換器的頻率特性和評估方法咨詢了應用工程師愛宕 崇之先生。

首先，請介紹一下為什么要評估和了解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后，試制并評估是否達到了設計目標。對于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(wěn)定性和負載瞬態(tài)響應特性也是非常重要的。由于穩(wěn)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并根據確認結果進行優(yōu)化。

您能具體解釋一下輸出電壓的穩(wěn)定性和瞬態(tài)響應性嗎？

我想使用這張圖來對每個概念進行說明。

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，使用開關DC/DC轉換器將12V電池電壓降至5V，并用作微控制器的電源。此外，該5V電壓由電壓監(jiān)控IC（通常也稱為“復位IC”）監(jiān)測，當電壓低于設定值時，會將復位信號發(fā)送到微控制器。這是一個很常見的電路示例。

輸出電壓的響應性是將因負載電流的急劇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，并在盡可能短的時間內將電壓穩(wěn)定在設置電壓。

在該圖中有兩個示例，一個是負載電流急劇上升，5V輸出電壓瞬間下降；另一個是負載電流急劇下降，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復位IC的閾值，則會發(fā)出不必要的復位信號，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，并且超過微控制器的電源電壓額定值，則微控制器可能會發(fā)生誤動作甚至損壞。這對于從休眠狀態(tài)瞬間全負荷運行的設備（例如微控制器和CPU）的電源來說，這是必不可少的確認項目，反之對于從全負荷運行狀態(tài)瞬間休眠的設備來說亦然。

通過調整DC/DC轉換器的瞬態(tài)響應特性，可以對這些項目進行優(yōu)化和處理，以使電壓波動不超過復位IC的閾值或后段元器件的電源額定值。

原來如此。如果瞬態(tài)響應特性未得到優(yōu)化，在某些情況下可能會引發(fā)致命問題吧。

是的。下面我們來介紹輸出電壓的穩(wěn)定性。這里所說的輸出電壓的穩(wěn)定，指的是在輸出中不會發(fā)生過度振鈴和振蕩。振蕩的波形示例如下。DC/DC轉換器的輸出電壓包含由開關引起的紋波電壓，不是理想的DC電壓，但振蕩是與紋波不同的一種異常現象。這個波形圖是當施加負載時就會出現明顯振蕩狀態(tài)的DC/DC轉換器示例。

一提到振蕩，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(fā)生振蕩啊。

DC/DC轉換器振蕩是因為它使用反饋電路來控制輸出電壓以使之保持恒定。因此，振蕩的原理和條件與運算放大器相同。順便說一下，由于LDO等線性穩(wěn)壓器也使用反饋控制方式，因此它們也會在某些條件下發(fā)生振蕩。理解了發(fā)生振蕩的原理有助于了解頻率特性，因此我會稍微詳細地對其進行說明。

DC/DC轉換器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反饋信號B和基于該反饋信號的控制信號A（輸出）分開了。

輸出電壓通過由R1和R2組成的分壓電阻反饋到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，如果輸出電壓高于設定電壓，將進行降低的控制；如果低于設定電壓，將進行升高的控制，以保持輸出電壓恒定。

由于該反饋控制是負反饋，所以控制信號A的相位相對于反饋信號B的相位有180度的偏差。從波形圖中可以看到相位的關系。

然而實際上，在IC內部處理并輸出信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后。當相位接近0度時，將處于不穩(wěn)定狀態(tài)，如果滯后到0度，則負反饋將變?yōu)檎答仯l(fā)生異常振蕩。

當運算放大器電路發(fā)生振蕩時，是否意味著“相位裕度不足”？

基本上是的。剛剛我只提到了“相位滯后”，但實際上，穩(wěn)定性是可以通過基于相位特性和增益特性的“波特圖”來鑒別的。

說到波特圖，也就是說頻率特性與DC/DC轉換器的穩(wěn)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(wěn)定性、響應性和頻率特性之間的關系。我們邊整理之前提到的內容邊進行解釋說明。

穩(wěn)定性是“輸出電壓相對于振蕩條件具有多少余量”，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”。相位裕度、增益（Gain）裕度、穿越頻率是用作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(wěn)定性和響應性之間關系。

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

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

相位裕度和增益裕度與穩(wěn)定性息息相關，并且它們越大，穩(wěn)定性越高，發(fā)生振鈴或振蕩的可能性就越小。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，并且由于負載瞬態(tài)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是標準示例。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，增益裕度約為15dB（紅色圓點）。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示例。由于增益低于增益1，因此穿越頻率降低至大約9kHz，并且相位裕度超過了100deg（藍色雙向箭頭②）。增益裕度（增益2曲線上的紅色正方形點）也達到30dB以上，并且隨著相位裕度的增加而增加，穩(wěn)定性趨于提高。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示例。由于增益高于增益1，穿越頻率上升到了約180kHz，相位裕度減小到了約20deg（藍色雙向箭頭③）。增益裕度（增益3曲線上的紅色正方形點）也降低到了5dB左右。在該示例中，較高的穿越頻率實現了更好的響應性，但是相位裕度和增益裕度都減少了，穩(wěn)定性降低。

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

我們已經了解了要確認DC/DC轉換器的穩(wěn)定性和響應性就需要評估頻率特性這一點。那么如何獲得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。

要測量DC/DC轉換器的頻率特性，需要斷開反饋環(huán)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），并將FRA連接于該電阻兩端。之后，幾乎可以自動測量相位裕度和增益裕度，并以圖形顯示出來。

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可以輕松測量頻率特性，但這當中并非沒有課題。您剛才提出的問題便是其中的一個課題，由于元器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器的值并重新測量頻率特性以進行調整和優(yōu)化的工作。一遍又一遍地更換實機電路板上小小的芯片是一項相當艱巨的工作。

也就是說，優(yōu)化頻率特性需要反復更改相應部件的常數并重新測量來反復試驗，這對于部件日益小型化和安裝日益高密度化的電路板而言并非易事。

的確如此。而且，很多情況下，一開始并沒有昂貴的FRA。

那么，如果無法使用FRA該怎么辦？

我認為作為對實際測量的補充，仿真非常是有用的。近年來，許多仿真器都能夠對頻率特性和負載響應特性進行仿真，并且IC制造商也提供了用于仿真的器件模型和包括外圍電路的模型。

的確，最近經常聽到關于在設計中使用仿真的話題。那么現在讓我們談談仿真。

＜未完待續(xù)＞

審核編輯：湯梓紅