DC-DC開關電壓轉換器（或“開關穩壓器”）控制環路的特征在于其頻率響應。頻率響應會影響開關穩壓器對瞬態變化，精度和穩定性的反應時間，進而影響在輸入電壓，負載和占空比變化下保持設定電壓輸出的程度。

工程師可以通過添加補償器網絡來改善開關穩壓器的頻率響應。目標是調整頻率響應，使開關穩壓器的交叉頻率最佳定位（提供高帶寬），但該單元具有足夠的相位和增益余量，以實現良好的動態響應，線路和負載調節以及穩定性。如果工作做得好，最終結果是一個開關穩壓器，它在很寬的頻率范圍內穩定但沒有過度補償，因此其動態響應很差。

本文介紹了用于開關穩壓器的補償器網絡的基礎知識，并解釋了網絡類型如何影響電源的頻率響應和最終性能。

應對不穩定性

設計工程師經常會發現開關穩壓器的初始電路布局不穩定。不穩定性可能導致磁性元件或陶瓷電容器產生噪聲，開關波形抖動，輸出電壓振蕩，功率場效應晶體管（FET）過熱以及其他不良副作用。圖1顯示了不穩定降壓（“降壓”）開關穩壓器的典型輸出波形。

圖1：不穩定的電流和電壓輸出開關調節器。 （由Linear Technology提供）

雖然存在許多不穩定的原因 - 例如，PCB產生的噪聲 - 一個常見的罪魁禍首是電源控制回路的補償不足。為解決此問題，工程師必須添加補償網絡。正確實施后，補償網絡（A（s））的輸出和反饋電壓（VFB）分頻器將調整控制環路特性，以確保DC（零頻率）增益高，交叉頻率（或帶寬）（fc）高，良好的相位和增益裕度導致開關穩壓器具有良好的動態響應，線路和負載調節以及穩定性。

開關穩壓器控制環路的性能由環路帶寬和環路穩定裕度量化。帶寬由交叉頻率定義，環路增益等于1（0 dB）。較高的帶寬有助于快速瞬態響應，但代價是環路穩定裕度和控制環路對開關噪聲的敏感性。環路穩定裕度通常由相位裕度和增益裕度量化。相位裕度定義為總相位延遲與交叉頻率下的-180°之間的差值，而增益裕度是相位滯后180°時的增益。

假設增益曲線超過0 dB僅一次（對于在輸出級具有低通濾波器的電壓調節器實際上總是如此），如果交叉頻率處的相位滯后小于180°，則系統將是穩定的。經驗豐富的工程師旨在實現大于45°（且小于315°）的相位裕度。通常，45°的相位裕度是瞬態響應和阻尼之間的良好折衷。對于升壓或降壓開關穩壓器，增益裕度應高于10 dB。

補償網絡類型

開關穩壓器采用閉合反饋回路來調節輸出電壓。圖2顯示了降壓控制器典型的電壓模式控制方案。補償網絡形成誤差放大器的反饋電路。自開關調節器引入以來，工程師開發了三種常用的補償網絡（以它們引入控制回路的零和極數的名稱命名），類型I，II和III。

圖2：降壓開關穩壓器控制環路，誤差放大器增加了補償網絡。 （由Linear Technology提供）

類型1補償可最大化電路的直流增益，從而最大限度地降低直流調節誤差。通過在誤差放大器的輸出端增加一個電容（Cth）來實現補償。電容器的添加在A（s）內產生具有無限高DC增益的積分項。添加電容器的缺點是它引入了-90度的相位滯后，與其他反饋環路相位滯后相結合，可能會使電路接近不穩定狀態。

制造商在其模塊上有助于提供誤差放大器輸出引腳（例如凌力爾特公司的LTC3851上的“ITH”引腳，這是一種同步降壓開關穩壓控制器，最大開關頻率為810 kHz）。通過將大電容（例如0.1μF）連接到該引腳，可以進行快速測試以檢查控制環路是否是電源不穩定的根源。如果缺乏補償是電路不穩定的原因，電容器通常會將電源帶寬降低到低頻誘導穩定性。如果電容沒有影響，建議工程師到其他地方尋找不穩定源。

可以在原電容上串聯一個電阻（Rth），以提高穩定性。電阻器的作用是增加“零”（Sthz），提供+90相位超前。訣竅是選擇正確的電阻值，以便在交叉頻率之前引入相位超前，從而在該頻率處顯著增加相位，從而改善電壓環的相位裕度和穩定性。圖3示出了這種補償網絡的小信號模型和其頻率響應的波特圖（疊加在單獨的電容器的效果上（藍色虛線））。注意附加零點如何提高交叉頻率處的相位裕度。

圖3：顯示誤差放大器和電阻/電容補償網絡及相關波特圖的小信號模型。 （由凌力爾特公司提供）

不幸的是，電阻不僅僅能提供相位超前;它還可以提高高頻增益。這種副作用增加了開關調節器工作頻率（通常很高）下功率元件產生的噪聲會影響輸出的可能性。

解決方案是添加第二個電容（Cthp），其值遠低于Cth，盡可能靠近電源模塊的ITH引腳，將引腳連接到地。這個第二個電容的引入在波特圖中引入了一個高頻“極點”，理想情況下應位于交叉頻率和開關頻率（fs）之間。極點的作用是降低開關頻率附近的增益。 （該組件也可能會降低交叉頻率的相位，因此必須仔細選擇其值以抵消相位裕度的噪聲抗擾度。）這種二（II）極，零補償網絡稱為II型。

圖4顯示了推薦與Intersil ISL85415降壓開關穩壓器一起使用的II型補償網絡。該器件的開關頻率為500 kHz，輸入電壓為3至36 V，輸出電壓為0.6至34 V，最高電壓為500 mA。

圖4：Intersil降壓轉換器的II型補償網絡。

圖5顯示了使用圖4所示補償網絡的降壓轉換器的波特圖。使用此補償網絡，開關轉換器具有75 kHz帶寬，61°相位裕度和6 dB增益裕度。

圖5：使用補償網絡的Intersil降壓轉換器的波特圖，如圖4所示。

雖然II型補償網絡可以工作好吧，電源頻率響應的進一步細化可以通過實現更復雜的補償網絡來實現，該補償網絡以類似于II型網絡的方式對增益的頻率進行整形，但稍微進一步。該網絡具有三個（III）極和兩個（或三個）零，稱為III型。

與上述II型網絡一樣，低頻極點提供高DC增益以最小化DC調節誤差，并且第一個高頻極點用于抵消輸出濾波器產生的零點電容器的等效串聯電阻（ESR）為零（fESR）。與II型網絡一樣，第二個高頻極點位于交叉頻率之后，以衰減反饋環路中的開關噪聲，而不會顯著影響相位裕量。電感和電容會在功率級產生其他零點。

III型補償既復雜又耗時，因為它需要找到6個R/C值的最佳組合。電源模塊制造商Intersil在參考文獻[3]中為這些值的初始計算提供了一些指導。圖6顯示了III型補償網絡。電路會產生圖7所示轉換器的頻率響應。重要的是補償網絡增益不要超過誤差放大器的開環增益。

圖6：III型補償網絡。 （由Linear Technology提供）

圖7：使用圖6所示的補償網絡切換調節器頻率響應（藍色），頻率響應為A（ s）（紅色）。 （由Linear Technology提供）

分析軟件

III類補償網絡值的初始計算應僅作為指導，建議生成實際增益和相位圖通過使用具有繪圖能力的商業分析軟件包。生成增益和相位圖后，可能需要稍微更改元件值以獲得更好的響應。

所有主要的電源模塊制造商都提供軟件包，使補償網絡設計成為一個相對簡單的過程。例如，凌力爾特公司提供其LTpowerCAD，該公司稱其為“完整的電源設計工具程序，可以顯著簡化電源設計任務?！蓖瑯?，Intersil提供其PowerNavigator軟件（主要用于數字電源），Fairchild半導體供應電源WebDesigner和德州儀器（TI）功率級設計工具“幫助設計最常用的開關模式電源的功率級?！?/p>

另一種可以讓工程師的生活更輕松的選擇是選擇具有內部補償功能的芯片。缺點是缺乏靈活性，因為設計人員堅持使用芯片供應商的補償方案，這可能不適合他或她的應用，但優點是設計更簡單，外部元件更少，材料清單減少（BOM） ）。

具有內部補償的芯片示例是TI的LM46000降壓穩壓器。該芯片能夠在3.5至60 V的輸入電壓范圍內為1至28 V輸出驅動高達500 mA的負載電流。 LM46000具有200 kHz至2.2 MHz的可調開關頻率。

尋求幫助

設計基于半導體制造商的電源模塊的開關穩壓器看起來很簡單。所有主要供應商都為其產品提供應用電路，以確保電源在給定的條件下運行。但是，最終產品可以呈現應用程序信息未涵蓋的一組獨特的操作條件。這樣的操作條件可能暴露初始設計中的不穩定性并且需要補償網絡形式的附加電路。

補償網絡設計的細節并非易事，需要對控制理論有一個合理的理解，包括分析S平面中的極點和零點。由于缺乏經驗，過度補償可能太容易導致帶寬受限且瞬態響應差的設計。這種設計需要過大的輸出電容，以改善瞬態響應，增加材料清單（BOM）和電源尺寸。

建議沒有經驗的工程師訪問電源模塊供應商的在線資源，如凌力爾特公司，飛兆半導體，Intersil和TI的指導。此外，這些制造商都提供軟件包以減輕環路補償網絡設計的復雜性。