【導(dǎo)讀】電源環(huán)路的增益裕量與相位裕量是判定其穩(wěn)定性的核心指標(biāo)，常規(guī)測(cè)量方法需在輸出節(jié)點(diǎn)與頂部反饋電阻間插入小電阻并施加擾動(dòng)信號(hào)，但該方案的適用性受限于能否接觸到頂部反饋電阻。針對(duì)兩類(lèi)特殊場(chǎng)景 —— 電源模塊將頂部反饋電阻內(nèi)置封裝無(wú)法接觸、器件采用輸出電壓檢測(cè)引腳（VOSNS）無(wú)頂部反饋電阻，本文對(duì)比常規(guī)與新型測(cè)量方案的環(huán)路響應(yīng)波特圖，提出適配性測(cè)量方法，并補(bǔ)充負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試在環(huán)路穩(wěn)定性評(píng)估中的應(yīng)用，為不同架構(gòu)電源的環(huán)路特性測(cè)量提供技術(shù)參考。
為使電源穩(wěn)定，需要一定的增益和相位裕量。通常，電源若具有至少45°的相位裕量和至少10 dB的增益裕量，便可視為穩(wěn)定。為了測(cè)量這些值，通常要在VOUT節(jié)點(diǎn)和頂部反饋電阻之間插入一個(gè)小電阻，然后在這個(gè)增加的電阻兩端施加一個(gè)擾動(dòng)信號(hào)，并在期望的頻率范圍內(nèi)測(cè)量環(huán)路響應(yīng)。如果用戶能夠接觸到頂部反饋電阻，這種常規(guī)方法會(huì)很簡(jiǎn)便，因此很常用。
但是，如果用戶無(wú)法接觸模塑模塊內(nèi)的頂部反饋電阻，該如何測(cè)量環(huán)路響應(yīng)？如果器件不需要頂部反饋電阻，而是使用輸出電壓檢測(cè)引腳，又該如何測(cè)量環(huán)路響應(yīng)？對(duì)于這兩個(gè)問(wèn)題，通過(guò)比較常規(guī)測(cè)量方法和新型測(cè)量方法的環(huán)路響應(yīng)波特圖，可以給出解答。
頂部反饋電阻位于何處？
如圖1所示，測(cè)量環(huán)路響應(yīng)的常規(guī)方法是在VOUT節(jié)點(diǎn)和頂部反饋電阻之間插入一個(gè)小值電阻。只有用戶可以接觸到頂部反饋電阻時(shí)，才能使用這種方法。
圖1.原理圖：使用LT8608測(cè)量環(huán)路響應(yīng)時(shí)，需要外加電阻
圖2.示例電路：用戶無(wú)法接觸頂部反饋電阻
圖3.顯示VOSNS電路的簡(jiǎn)化框圖
許多電源模塊的頂部反饋電阻位于電源封裝內(nèi)部，無(wú)法接觸。若將頂部反饋電阻硬連線到VOUT節(jié)點(diǎn)，則輸出電壓絕不會(huì)超過(guò)反饋電阻分壓器設(shè)定的電壓。如果頂部反饋電阻不是硬連線，在降壓型穩(wěn)壓器中，一旦該電阻連接不當(dāng)或發(fā)生故障，則VOUT節(jié)點(diǎn)電壓可能會(huì)升高到與輸入電壓一樣高。ADI公司的許多μModule?器件都將頂部反饋電阻模塑在模塊內(nèi)部，以提供額外的保護(hù)。但這樣一來(lái)，便無(wú)法用常規(guī)方法測(cè)量環(huán)路響應(yīng)。圖2顯示了LTM8074及其無(wú)法接觸的頂部反饋電阻。
另一種特殊情況是模塊使用輸出電壓檢測(cè)引腳(VOSNS)來(lái)調(diào)節(jié)VOUT電壓。如圖3中的簡(jiǎn)化框圖所示，由于該設(shè)置使用基準(zhǔn)電流源，而不是通常的基準(zhǔn)電壓源，因此沒(méi)有頂部反饋電阻。LTM4702使用該基準(zhǔn)電流電路來(lái)調(diào)節(jié)輸出電壓。
負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)還是波特圖？
如果沒(méi)有辦法測(cè)量電源的環(huán)路響應(yīng)，就必須完全依靠系統(tǒng)的瞬態(tài)響應(yīng)來(lái)確定穩(wěn)定性。瞬態(tài)響應(yīng)測(cè)試用于檢查在VOUT節(jié)點(diǎn)施加負(fù)載階躍時(shí)VOUT的電壓響應(yīng)。瞬態(tài)響應(yīng)示例如圖4所示。根據(jù)波形，通過(guò)測(cè)量從施加負(fù)載階躍到輸出電壓開(kāi)始恢復(fù)的時(shí)間，可以估算帶寬(?BW)?？刂骗h(huán)路的帶寬等于該恢復(fù)時(shí)間(tr)與Π乘積的倒數(shù)。在此示例中，恢復(fù)時(shí)間約為4 μs，帶寬為80 kHz。
此外，通過(guò)觀察波形的形狀也可以評(píng)估系統(tǒng)的穩(wěn)定性。如果在波形中看到振鈴（綠色響應(yīng)曲線），則表示系統(tǒng)具有欠阻尼響應(yīng)。這意味著系統(tǒng)可能不穩(wěn)定，相位裕量較低。但相位裕量有多低呢？
如果波形的恢復(fù)時(shí)間相當(dāng)長(zhǎng)，則可以認(rèn)為系統(tǒng)具有過(guò)阻尼響應(yīng)（藍(lán)色響應(yīng)曲線）。系統(tǒng)輸出電壓的恢復(fù)時(shí)間可能比預(yù)期時(shí)間要長(zhǎng)得多。由于電壓下降持續(xù)時(shí)間超過(guò)預(yù)期，下游電路可能會(huì)受到影響。
圖4.瞬態(tài)響應(yīng)示例
雖然通過(guò)瞬態(tài)響應(yīng)可以了解有關(guān)系統(tǒng)環(huán)路響應(yīng)的一些信息，但確切的相位裕量和增益裕量只能通過(guò)測(cè)量來(lái)確定。
測(cè)量環(huán)路穩(wěn)定性的新方法
對(duì)于使用輸出電壓檢測(cè)引腳的情形，環(huán)路響應(yīng)測(cè)量與常規(guī)測(cè)量方法類(lèi)似。只需在VOUT節(jié)點(diǎn)和VOSNS引腳之間放置一個(gè)小值電阻即可。如圖3所示，將擾動(dòng)信號(hào)施加于該電阻，然后測(cè)量環(huán)路響應(yīng)。
對(duì)于頂部反饋電阻位于模塊內(nèi)部而無(wú)法接觸的情形，采用新型環(huán)路測(cè)量技術(shù)時(shí)需要格外小心。如圖5所示，必須安裝一個(gè)并聯(lián)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，并將擾動(dòng)信號(hào)置于底部反饋電阻和地之間插入的電阻上。務(wù)必使并聯(lián)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)盡可能靠近反饋電阻網(wǎng)絡(luò)，以盡量減少誤差。
第1步：
在R2和地之間插入20 Ω RPERT電阻。將擾動(dòng)信號(hào)施加于RPERT。
第2步：
選擇R4，其值應(yīng)在500 Ω至1 kΩ范圍內(nèi)。見(jiàn)注釋1。
第3步：
計(jì)算并聯(lián)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)比率。n = R2/R4。
第4步：
使用第3步中的比率n計(jì)算R3和CFF2。
第5步：
重新構(gòu)建包括前饋電容和電容CM的并聯(lián)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)，以消除擾動(dòng)信號(hào)帶來(lái)的附加電容的影響。見(jiàn)注釋2。
公式：
1. n = R2/R4
2. R3 = R1/n
3. CFF2 = n × CFF1
4. CM = n × CPERT
圖5.新型環(huán)路響應(yīng)測(cè)量方法
注釋1：
選擇R4，使得R2比R4大40到100倍。這樣，由R2和R3組成的電阻網(wǎng)絡(luò)將在反饋環(huán)路的測(cè)量中起主導(dǎo)作用。
注釋2：
如果無(wú)法可靠地測(cè)量擾動(dòng)信號(hào)的寄生電容，可以通過(guò)迭代試驗(yàn)的方式，憑借經(jīng)驗(yàn)確定CM電容。
圖6.常規(guī)測(cè)量方法和新型方法的波特圖比較
新型測(cè)量方法產(chǎn)生的環(huán)路響應(yīng)與常規(guī)方法相同，如圖6所示。
總結(jié)
電源穩(wěn)定性的精準(zhǔn)評(píng)估離不開(kāi)環(huán)路增益與相位裕量的直接測(cè)量，常規(guī)方法的局限性催生了適配特殊架構(gòu)的新型測(cè)試方案。本文提出的新型測(cè)量方案，對(duì)于反饋電阻內(nèi)置的模塑電源模塊，通過(guò)搭建并聯(lián)電阻分壓網(wǎng)絡(luò)并補(bǔ)償寄生參數(shù)，可實(shí)現(xiàn)與常規(guī)方法一致的測(cè)量精度；針對(duì)采用 VOSNS 引腳的器件，只需在輸出節(jié)點(diǎn)與檢測(cè)引腳間引入擾動(dòng)電阻，即可完成環(huán)路響應(yīng)測(cè)試。盡管負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)可輔助判斷系統(tǒng)阻尼特性與帶寬范圍，但僅能提供定性參考，無(wú)法替代波特圖對(duì)相位裕量和增益裕量的定量分析。
