關(guān)注“電源先生”，解析開關(guān)電源

在 開關(guān)電源設(shè)計(jì)中，環(huán)路補(bǔ)償如同汽車的懸掛系統(tǒng)——調(diào)校得當(dāng)才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運(yùn)行。BUCK轉(zhuǎn)換器的穩(wěn)定性直接決定了輸出是否紋波小、響應(yīng)快、抗干擾強(qiáng)，而環(huán)路補(bǔ)償是實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定性的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。通過(guò)合理的環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)，可以有效避免系統(tǒng)振蕩，提高電源的可靠性和性能。 

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/ 系統(tǒng)穩(wěn)定性設(shè)計(jì)的工程哲學(xué) /

開關(guān)電源的閉環(huán)控制本質(zhì)上是動(dòng)態(tài)平衡的藝術(shù)。

功率級(jí)電路作為能量傳輸?shù)?ldquo;高速公路”，其LC濾波器形成的二階系統(tǒng)具有天然的相位滯后特性，圖 4.5所示。這種相位滯后會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)在高頻段出現(xiàn)振蕩，影響穩(wěn)定性 。

控制環(huán)路則扮演著“智能交通系統(tǒng)”的角色，既要保證能量傳輸?shù)目焖夙憫?yīng)，又要維持系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)平衡。這種矛盾統(tǒng)一的關(guān)系，使得環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)成為連接功率硬件與控制算法的關(guān)鍵橋梁。

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/ 為什么需要環(huán)路補(bǔ)償？ /

參考[ 如何學(xué)習(xí)開關(guān)電源？從“大”到“小”學(xué)習(xí)開關(guān)電源... ]，我們將開關(guān)電源分為“大”功率傳輸和“小”環(huán)路控制。

BUCK電路本質(zhì)上是一個(gè)閉環(huán)系統(tǒng)，也包含功率級(jí)（開關(guān)管、電感、電容）和環(huán)路控制 。由于電路中存在電感和電容等儲(chǔ)能元件，系統(tǒng)的頻率響應(yīng)會(huì)存在極點(diǎn)和零點(diǎn)，可能導(dǎo)致相位裕度不足，引發(fā)振蕩。

補(bǔ)償電路的作用就是，通過(guò)調(diào)整反饋環(huán)路的增益和相位特性，使系統(tǒng)在目標(biāo)頻率（交越頻率）處具備足夠的相位裕度（通常>45°），從而確保穩(wěn)定性。

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/ 環(huán)路補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)流程 /

3.1. 確認(rèn)系統(tǒng)參數(shù)：設(shè)計(jì)前的“體檢報(bào)告”

在開始環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)之前，需要確認(rèn)系統(tǒng)參數(shù)。這包括輸入電壓范圍、輸出電壓、開關(guān)頻率、電感和電容參數(shù)等，這些參數(shù)將直接影響環(huán)路補(bǔ)償?shù)脑O(shè)計(jì)。

3.2. 分析功率級(jí)特性：找到電路的“敏感點(diǎn)”

BUCK電路功率級(jí)（具體來(lái)說(shuō)是LC濾波器）會(huì)自帶“LC雙極點(diǎn)”和“ESR零點(diǎn)”，這就是會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)不穩(wěn)定的“敏感頻率點(diǎn)”。

參考圖 4.5，BUCK電路“被控對(duì)象”的傳遞函數(shù)，如下所示：

極點(diǎn)頻率和零點(diǎn)頻率：

ω_LC 就是“LC濾波器”產(chǎn)生的雙極點(diǎn)（共軛極點(diǎn)），ω_ESR 就是輸出電容ESR產(chǎn)生的高頻零點(diǎn)。

LC濾波器的頻率響應(yīng)特性，如圖 4.12所示：

3.3. 選擇交越頻率：速度與穩(wěn)定的“黃金分割”

交越頻率（F0）是開關(guān)電源控制環(huán)路中增益曲線首次穿越0dB線的頻率點(diǎn)，相當(dāng)于環(huán)路的“有效帶寬”。它決定了電源系統(tǒng)對(duì)負(fù)載變化的響應(yīng)速度，同時(shí)直接影響穩(wěn)定性，是環(huán)路設(shè)計(jì)的核心指標(biāo)之一。一般來(lái)說(shuō)，交越頻率的選擇應(yīng)滿足以下條件：

交越頻率應(yīng)低于開關(guān)頻率的1/5，以避免開關(guān)噪聲的影響。

交越頻率應(yīng)高于LC濾波器的諧振頻率，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。

3.4. 選擇補(bǔ)償器類型：針對(duì)“敏感點(diǎn)”的“殺手锏”

Type II，提供1個(gè)零點(diǎn)用于抵消LC雙極點(diǎn)中的一個(gè)，提供1個(gè)極點(diǎn)用于濾波 

Type III，提供2個(gè)零點(diǎn)用于抵消LC雙極點(diǎn)，提供2個(gè)極點(diǎn)用于降噪

3.5. 參數(shù)計(jì)算與驗(yàn)證：對(duì)“癥”下“藥”

步驟1：計(jì)算零點(diǎn)FZ1、FZ2補(bǔ)償LC雙極點(diǎn)相位滯后

步驟2：極點(diǎn)FP2抵消FESR，F(xiàn)P3抑制高頻噪聲

步驟3：代入公式計(jì)算R、C值，優(yōu)先選標(biāo)準(zhǔn)件

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/ 避坑指南：這些錯(cuò)誤千萬(wàn)別犯！ /

忽略ESR變化：陶瓷電容ESR隨溫度/電壓變化，需留20%余量，以確保系統(tǒng)在不同工作條件下的穩(wěn)定性。

帶寬過(guò)高：交越頻率F0過(guò)高（超過(guò)開關(guān)頻率的1/5）可能導(dǎo)致系統(tǒng)振蕩，影響穩(wěn)定性。設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)合理選擇交越頻率在1/10到1/5的開關(guān)頻率范圍內(nèi)。

盲目堆電容：過(guò)多電容降低LC雙極點(diǎn)頻率FLC，需重新設(shè)計(jì)補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)。

忽略布局：補(bǔ)償網(wǎng)絡(luò)應(yīng)遠(yuǎn)離開關(guān)節(jié)點(diǎn)，避免噪聲耦合。合理的PCB布局對(duì)環(huán)路穩(wěn)定性至關(guān)重要。

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/ 總結(jié)：“環(huán)路設(shè)計(jì)=醫(yī)生開藥方” /

環(huán)路設(shè)計(jì)可以類比為醫(yī)生開藥方：

診斷（參數(shù)測(cè)量或理論計(jì)算）→ 開藥（補(bǔ)償器選型）→ 復(fù)查（波特圖驗(yàn)證）→ 沒問(wèn)題，結(jié)束；有問(wèn)題，繼續(xù)修復(fù)，直到系統(tǒng)穩(wěn)定。

工具推薦

LTspice仿真：用于模擬和驗(yàn)證環(huán)路補(bǔ)償設(shè)計(jì)。

廠商設(shè)計(jì)工具（如IR的SupIRBuck工具鏈）：提供自動(dòng)化設(shè)計(jì)和優(yōu)化功能。

關(guān)鍵點(diǎn)提示

相位裕量：應(yīng)大于45°，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。

增益裕量：應(yīng)大于10dB，以確保系統(tǒng)在不同工作條件下的穩(wěn)定性。

交越頻率：應(yīng)選擇在開關(guān)頻率的1/5以下，以避免開關(guān)噪聲的影響。

一句話記牢：相位裕量>45°，斜率-20dB/Dec過(guò)零點(diǎn)，閉環(huán)穩(wěn)如泰山！