【導讀】本文解釋了為何要利用波特圖來展示電源環(huán)路的傳遞函數(shù)。雖然存在時域負載瞬態(tài)測試，但這種測試并不能揭示波特圖所能提供的其他重要信息。讀者將了解二者的區(qū)別，并認識到波特圖計算、仿真與測量的實際意義。
引言
電源應當產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。為了評估電源電路，可在不同負載電流下和不同輸入電壓下測量輸出電壓，判斷所產(chǎn)生的輸出電壓是否在期望的容差范圍內(nèi)。對電源進行此類基本檢查固然重要，但這只能揭示部分實際情況。如果負載電流或電源電壓在運行過程中發(fā)生變化，所產(chǎn)生的輸出電壓應盡可能保持穩(wěn)定。圖1為負載瞬態(tài)和輸入電壓變化條件下的電源(LT8642S)框圖。
圖1：負載瞬態(tài)和輸入電壓變化（線路瞬態(tài)）條件下的電源
為了對電源進行動態(tài)評估，可在不同負載瞬態(tài)和不同輸入電壓變化下檢查所產(chǎn)生的輸出電壓。圖2展示了典型的輸出電壓曲線。電源輸出端的負載電流在500ns的轉(zhuǎn)換時間內(nèi)從1A變?yōu)?A。圖中紅色曲線為負載瞬態(tài)曲線。輸出電壓曲線以藍色顯示。如圖所示，在零時刻的正負載瞬態(tài)下，所產(chǎn)生的輸出電壓下降了33.2mV。電源的控制環(huán)路隨即在大約10μs后，再次使輸出電壓穩(wěn)定下來。在100μs時再次發(fā)生負載瞬變，負載電流從7A變回1A，如圖2所示。輸出電壓出現(xiàn)短暫過沖，比標稱輸出電壓高出約31.4mV。
圖2：典型電源的負載瞬態(tài)測試，利用LTpowerAnalyzer?硬件進行測量
對電源控制環(huán)路進行此類評估十分有必要，可提供很多關(guān)于控制行為的信息。然而，僅憑負載瞬態(tài)測量往往還不夠。例如，無法明確判斷輸出電壓曲線的行為主要取決于輸出電容的大小，還是取決于控制環(huán)路傳遞函數(shù)的速度。增加輸出電容可以部分補償控制環(huán)路緩慢的問題。
此外，負載瞬態(tài)測試無法提供有關(guān)控制環(huán)路穩(wěn)定性的明確信息。圖2所示的測量結(jié)果可能來自一個控制環(huán)路。這個環(huán)路勉強保持穩(wěn)定，如果因元件的容差范圍、溫度影響或工作條件輕微波動等原因，導致參數(shù)稍有變化，環(huán)路就會失穩(wěn)。此時，所產(chǎn)生的輸出電壓將不再保持固定值，而是會以較大幅度振蕩。
然而，圖2中的電壓曲線也可能來自一個具有高穩(wěn)定性裕度的電源。在這種情況下，即使電路出現(xiàn)前述的微小變化，也不會引發(fā)振蕩。
圖3：波特圖可用于深入分析電源控制環(huán)路的行為
圖3為圖1中電源的實測波特圖。其中，紅色增益曲線與0dB線相交的點，直接反映了控制環(huán)路的速度。此穿越頻率越高，控制環(huán)路的速度就越快。通常，目標是讓0dB交越頻率介于開關(guān)頻率的十分之一到五分之一之間。圖3顯示交越頻率約為100kHz。除穿越頻率外，直流增益（低頻增益）也會影響控制環(huán)路的速度。直流增益越高，控制環(huán)路速度越快。
此外，波特圖還提供了有關(guān)電源穩(wěn)定性裕度的信息。在0dB穿越頻率處，通過藍色曲線可以讀取相位偏移，即所謂的相位裕度。在上面的例子中，相位裕度約為59°。一般認為相位裕度大于45°的系統(tǒng)是穩(wěn)定的。
結(jié)論
波特圖提供了有關(guān)控制環(huán)路行為的重要信息，可得出控制環(huán)路的速度，且便于與其他電源進行橫向比較。此外，電源的穩(wěn)定性也能通過可用裕度指標直觀反映。而簡單的負載瞬態(tài)測試無法直接獲取此類關(guān)鍵信息。
作者簡介
Frederik Dostal是一名擁有20多年行業(yè)經(jīng)驗的電源管理專家。他畢業(yè)于德國埃爾蘭根大學微電子學專業(yè)，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔任現(xiàn)場應用工程師，幫助客戶在項目中實施電源管理解決方案，并積累了豐富經(jīng)驗。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔任應用工程師，負責開關(guān)電源產(chǎn)品。他于2009年加入ADI公司，先后擔任多個產(chǎn)品線和歐洲技術(shù)支持職位，具備廣泛的設計和應用知識，目前擔任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。
