Нестабильный импульсный блока питания

---

Нестабильный блок питания может вызвать серьезные системные проблемы, такие как слышимый шум от пассивных компонентов, неожиданное дрожание частоты переключения, сильные колебания выходного напряжения во время переходных процессов нагрузки и отказы в полупроводниковых переключателях.

Нестабильный импульсный блок питания: советы по диагностике и стабилизации

Хотя существуют разные причины нестабильности, не настроенная компенсационная сеть является причиной большинства проблем нестабильности в импульсных блоках питания. В этой статье дается руководство о том, как определить, является ли источником нестабильности не настроенная компенсационная сеть, и предлагаются быстрые советы по повышению стабильности нестабильных источников питания.

Нестабильный переходный отклик: мера стабильности блока питания

Переходные характеристики импульсного блока питания характеризуются двумя основными критериями: полосой пропускания (BW) и запасом по фазе (PM). Более широкая полоса пропускания приводит к быстрой переходной реакции. С другой стороны, высокое значение фазовой модуляции означает лучшую стабильность. Для получения приемлемых переходных характеристик требуются широкая полоса пропускания и высокая PM. Однако существует компромисс между BW и PM. Методы увеличения BW обычно уменьшают PM, и наоборот.

На рис. 1 показан типичный переходной отклик блока питания с широкой полосой пропускания и низкой PM. Когда происходит переход нагрузки, выходное напряжение проходит несколько колебаний, прежде чем установится на регулируемом напряжении. Количество колебаний выходного напряжения во время переключения нагрузки является хорошим показателем стабильности блока питания. Количество колебаний напрямую связано с PM и, следовательно, стабильностью блока питания.

Рисунок 1: Типичная переходная характеристика блока питания

Компенсационные сети в коммутационных регуляторах

Обычно для коммутирующих регуляторов широко используются два типа компенсационных сетей: Тип II и Тип III. В компенсационных сетях типа II применяется установка нулевого полюса для достижения желаемых BW и PM. Для дальнейшего улучшения переходной характеристики регулятора используется компенсационная сеть типа III. В компенсационных сетях типа III добавлен дополнительный набор нулевых полюсов, который помогает достичь более широкой полосы пропускания или более высоких значений PM. На рисунке 2 показана схема компенсационной сети типа III.

Рисунок 2: Компенсационная сеть типа III

Цель этой статьи — показать, как можно использовать простые методы для стабилизации и исправить другие проблемы, которые имеет нестабильный блок питания. Обратите внимание, что предложенные методы будут эффективны только в том случае, если источником нестабильности является не настроенная компенсационная сеть.

Два типа импульсных регуляторов, описанные ниже, относятся к реализации сети компенсации. Это два типа: импульсные регуляторы с внешней компенсационной сетью и импульсные регуляторы с внутренней компенсационной сетью. На рисунке 3 показаны типичные схемы применения для этих двух типов источников питания.

Рисунок 3: Два типа компенсационных сетей в блоках питания

Нестабильный блок питания: наличие регулятора для стабилизации

Как обсуждалось ранее, нестабильность импульсного регулятора можно проверить, посмотрев на его переходную реакцию на изменение нагрузки.

На рис. 1 показан в качестве примера нестабильный блок питания, в котором наблюдается несколько колебаний выходного напряжения при переходе нагрузки. На рис. 4 показан график Боде для блока питания изображенного на рисунке 1. В этом примере полоса пропускания составляет 65 кГц, а PM — только 16°.

Чтобы получить источник питания с приемлемыми переходными характеристиками, рекомендуется полоса пропускания не более 10% от частоты переключения и PM 60°. Частота переключения блока питания на рисунке 1 составляла 400 кГц. Это ограничивает допустимую полосу пропускания до 40 кГц. На рисунке 4 высокая полоса пропускания 65 кГц приводит к небольшой PM (только 16°).

Обратите внимание, что в приложениях, чувствительных к шуму, полоса пропускания должна быть дополнительно ограничена до менее 5% от частоты переключения.

Рисунок 4: График Боде для блока питания изображенного на рисунке 1

На рисунке 4 показано, что кривая амплитуды (синяя) достигает 0 дБ, когда фазовая кривая (красная) уже спускается. Для надлежащей PM и хорошей стабильности точка 0 дБ на кривой амплитуды должна появиться до того, как фазовая кривая начнет снижаться.

Представленные ниже методы позволят читателям быстро исправить нестабильные импульсные источники питания, а также предложат методы, позволяющие увидеть, может ли уменьшение полосы пропускания улучшить стабильность. Если стабильность улучшается по мере того, как BW значительно уменьшается, это подтверждение того, что источником нестабильности была ненастроенная компенсационная сеть.

Обратите внимание, что уменьшение BW делает две вещи для повышения стабильности. Во-первых, это замедляет работу контура управления. Более медленный контур управления предотвращает или ограничивает резкие всплески и колебания на выходе. Во-вторых, уменьшение BW может увеличить PM, что, в свою очередь, улучшает стабильность.

Регулирующие органы с внешними компенсационными сетями

Нестабильный блок питания с внешними компенсационными сетями, цепь которой размещается на выводе COMP. В этом сценарии быстрый способ увидеть, вызваны ли колебания на выходе ненастроенной компенсационной схемой, — для этого нужно установить большой конденсатор на вывод COMP.

Эта емкость на выводе COMP вводит низкочастотный полюс в контур управления, что значительно ограничивает полосу пропускания. Чем больше значение этого конденсатора, тем ниже полоса пропускания. На рисунке 5 показан эффект добавления большой емкости на вывод COMP. Типичный диапазон для конденсатора на выводе COMP составляет от 100 нФ до 1 мкФ.

Рисунок 5: Эффект от добавления большого конденсатора на вывод COMP

Регуляторы с внутренней компенсационной сетью

Для регуляторов с внутренней компенсационной сетью вывод COMP недоступен. Следовательно, необходимо использовать внешние регуляторы, чтобы уменьшить полосу пропускания и улучшить стабильность. Наиболее эффективный метод ограничения полосы пропускания импульсного регулятора с внутренней компенсационной схемой — это использование резистора, последовательно соединенного с выводом обратной связи (называемого резистором серии FB).

На рисунке 6 показано влияние добавления резистора серии FB. Этот резистор сдвигает кривую амплитуды вниз с незначительным влиянием на фазовую кривую. Следовательно, он эффективно ограничивает полосу пропускания и увеличивает стабильность, которой не имеет нестабильный блока питания. Чем больше резистор серии FB, тем больше уменьшение полосы пропускания. Типичные резисторы серии FB должны находиться в диапазоне от 5 кОм до 100 кОм.

Рисунок 6: Эффект от добавления резистора последовательно с выводом FB

Проверка предлагаемых методов поиска и устранения нестабильного блока питания

В этой статье, в этом примере будут использоваться две части. MPM3530 — это понижающий силовой модуль на 55v/3 А с внешней компенсационной сетью от Monolithic Power Systems (MPS). На рисунке 7 (а) показана типовая схема применения MPM3530. На рисунке 7 (b) показан MPQ4420, синхронный понижающий стабилизатор на 36v/2А от MPS с внутренней компенсационной сетью.

Рисунок 7: Пример типовой схемы приложения

Чтобы продемонстрировать эффективность добавления большого конденсатора на вывод COMP, рассмотрим MPM3530. В этом примере компоненты компенсационной сети выбраны так, что регулятор становится нестабильным. Для этого увеличьте сопротивление R3 на рис. 7 (а) с 2,53 кОм до 16 кОм. На рисунке 8 показан переходной отклик MPM3530 и его график Боде. Большое количество колебаний на выходе означает низкую стабильность. Небольшая величина PM всего 2° на графике Боде подтверждает низкую стабильность.

Рисунок 8: Переходная характеристика MPM3530 и график Боде с ненастроенной компенсационной сетью

На рисунке 9 показано, что происходит с переходной характеристикой после добавления конденсатора емкостью 1 мкФ к выводу COMP. Сильные колебания на выходе гаснут, что означает улучшение стабильности. График Боде показывает, что BW, как и ожидалось, значительно снизилась. Уменьшение BW приводит к значительному увеличению PM, что, в свою очередь, улучшает стабильность.

Однако улучшение стабильности достигается за счет более медленного отклика; время установления выходного напряжения значительно увеличилось с 300 мкс до 2 мс. Также обратите внимание, что из-за более медленной реакции на изменение нагрузки максимальное падение напряжения увеличивается до 700 мВ по сравнению с 15 мВ на Рисунке 8.

Рисунок 9: Эффект повышения стабильности большого конденсатора на выводе COMP MPM3530

Как показано на Рисунке 7 (b), вывод COMP недоступен в регуляторах с внутренней компенсационной сетью, таких как MPQ4420. На рисунке 10 показана переходная характеристика MPQ4420 без резистора серии FB (например, R3 установлен на 0 Ом на рисунке 7 (a)). Сильные колебания выходного напряжения при переходе нагрузки демонстрируют низкую стабильность. Глядя на график Боде, полоса пропускания составляет 72 кГц, в то время как PM только 11°. Так как частота переключения MPQ4420 по умолчанию составляет 410 кГц, полоса пропускания должна быть ограничена ниже 41 кГц.

Рисунок 10: Переходная характеристика MPQ4420 и график Боде без резистора серии FB

На рисунке 11 показано, как изменение сопротивления R3 с 0 Ом до 51 кОм значительно снижает колебания во время переходной характеристики. Как и ожидалось, введение резистора серии FB сместило кривую амплитуды вниз, что означает более низкую полосу пропускания и более высокую PM. В этом сценарии новая полоса пропускания составляет 21 кГц, а PM улучшилась с 11° до 43,5°.

Рисунок 11: Переходная характеристика MPQ4420 и график Боде с резистором серии FB

Дальнейшее улучшение переходной характеристики блока питания

Несмотря на более высокую стабильность и меньшее количество колебаний на выходе, показанном на рисунке 12, PM все еще ниже целевого значения 60°. Дальнейшее сокращение полосы пропускания не приведет к дополнительному увеличению PM и еще больше замедлит время отклика. Как было сказано ранее, более низкая полоса пропускания также увеличивает величину провала напряжения.

Дополнительный регулятор можно использовать для улучшения PM, не замедляя работу регулятора, жертвуя BW. Это решение представляет собой конденсатор прямой связи (CFF).

Поскольку это внутренняя компенсационная сеть Типа II, она не обеспечивает повышения фазы. Если требуется повышение фазы, добавьте CFF в сеть обратной связи (см. Рисунок 12). CFF добавляет еще один ноль к компенсационной сети, что может повысить PM без уменьшения BW. Фактически, если конденсатор выбран правильно, PM может быть улучшен, а BW также может быть увеличена для достижения более быстрой переходной характеристики.

Рисунок 12: Схема MPQ4420 с конденсатором прямой связи

На рисунке 13 показаны переходная характеристика и график Боде для MPQ4420 с резистором серии FB 19 кОм и CFF 220 пФ. Как показано здесь, полоса пропускания увеличилась до 40 кГц, что составляет ровно 10% от частоты переключения, а PM достигла 78°, что соответствует целевому PM 60°.

Рисунок 13: Переходные характеристики MPQ4420 с резистором серии FB и CFF

На Рисунке 13 показано, что есть только одно провисание выходного напряжения, что подтверждает хорошую стабильность устройства. Время отклика также сократилось примерно до 60 мкс, а пониженное напряжение уменьшилось до 8 мВ.

Заключение

В этой статье мы предоставили несколько простых советов, чтобы диагностировать и решать проблемы нестабильности в импульсных источников питания. Были предложены отдельные методы стабилизации регуляторов с внешней компенсационной сетью по сравнению с регуляторами с внешней компенсационной сетью. Эффективность предложенных методов была проверена путем их применения к MPM3530 и MPQ4420 от MPS, и в этой статье было продемонстрировано, как конденсатор прямой связи может еще больше улучшить переходную характеристику импульсного стабилизатора.