【導(dǎo)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(shí)域負(fù)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(rèn)識到波特圖計(jì)算、仿真與測量的實(shí)際意義。
引言
電源應(yīng)當(dāng)產(chǎn)生穩(wěn)定的輸出電壓。為了評估電源電路，可在不同負(fù)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(jìn)行此類基本檢查固然重要，但這只能揭示部分實(shí)際情況。如果負(fù)載電流或電源電壓在運(yùn)行過程中發(fā)生變化，所產(chǎn)生的輸出電壓應(yīng)盡可能保持穩(wěn)定。圖1為負(fù)載瞬態(tài)和輸入電壓變化條件下的電源(LT8642S)框圖。
圖1：負(fù)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(jìn)行動(dòng)態(tài)評估，可在不同負(fù)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(fù)載電流在500ns的轉(zhuǎn)換時(shí)間內(nèi)從1A變?yōu)?A。圖中紅色曲線為負(fù)載瞬態(tài)曲線。輸出電壓曲線以藍(lán)色顯示。如圖所示，在零時(shí)刻的正負(fù)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(shí)再次發(fā)生負(fù)載瞬變，負(fù)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(biāo)稱輸出電壓高出約31.4mV。
圖2：典型電源的負(fù)載瞬態(tài)測試，利用LTpowerAnalyzer?硬件進(jìn)行測量
對電源控制環(huán)路進(jìn)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(fù)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(bǔ)償控制環(huán)路緩慢的問題。
此外，負(fù)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(gè)控制環(huán)路。這個(gè)環(huán)路勉強(qiáng)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(dòng)等原因，導(dǎo)致參數(shù)稍有變化，環(huán)路就會(huì)失穩(wěn)。此時(shí)，所產(chǎn)生的輸出電壓將不再保持固定值，而是會(huì)以較大幅度振蕩。
然而，圖2中的電壓曲線也可能來自一個(gè)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(huì)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(shí)測波特圖。其中，紅色增益曲線與0dB線相交的點(diǎn)，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(biāo)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(huì)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(lán)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(rèn)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(jìn)行橫向比較。此外，電源的穩(wěn)定性也能通過可用裕度指標(biāo)直觀反映。而簡單的負(fù)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(yàn)的電源管理專家。他畢業(yè)于德國埃爾蘭根大學(xué)微電子學(xué)專業(yè)，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔(dān)任現(xiàn)場應(yīng)用工程師，幫助客戶在項(xiàng)目中實(shí)施電源管理解決方案，并積累了豐富經(jīng)驗(yàn)。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔(dān)任應(yīng)用工程師，負(fù)責(zé)開關(guān)電源產(chǎn)品。他于2009年加入ADI公司，先后擔(dān)任多個(gè)產(chǎn)品線和歐洲技術(shù)支持職位，具備廣泛的設(shè)計(jì)和應(yīng)用知識，目前擔(dān)任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。
