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/ 开关调节器设计中的频率补偿 第一部分：正向通道补偿 对于经验尚不丰富的工程师而言，在所有与开关调节器电路设计有关的方面当 中，最令人沮丧的一方面当属频率补偿问题了。不过，无需大量的数学计算仍然 可以实现稳定的运行和卓越的性能。本系列文章 （共两部分）的第一部分对正向 通道进行了探讨。 作者：Nigel Smith，德州仪器 (TI) 便携式电源业务开发经理 无论何种电路拓扑结构，所有进行频率补偿的负反馈开关调节器都可用图 1 中 的控制环路结构图来表示。从 VIN 到 VOUT 的正向通道中，根据对控制信号 VC 的响应，输入电压被转换成输出电压。然后。这一输出电压将与参考电压 VREF 进行比较，并根据需要调整 VC 以校正误差。这就是反馈通道。 图 1 控制环路结构图 在实际应用中，正向通道的增益和相位随频率的变化而不同，因此可能在某一频 率 （或某些频率）时，输出电压响应太慢，从而导致性能不佳；或响应太快，从 而导致振荡或振铃。 频率补偿对充分考虑了正向通道频率响应的反馈路径进行了描述，并确保反馈信 号补偿的方式能使系统提供良好性能并保持稳定。 负反馈系统稳定的基本要求是当环路的相位变化为 360º 时，环路增益必须小于 / 0dB 。实际应用中若太接近理论限值，即使系统稳定，也可能造成振铃过大。因 此，在实际应用中经常有意使反馈系统设计存在一定的内置裕度。相位裕度是指 环路增益为 0dB 的频率处的环路相位，增益裕度则是指环路相位为 360º 的频 率处的环路增益 （见图 2 ）。图 1 和图 2 均描述了负反馈系统的性能优点。一 般来说，增益和相位裕度越大，系统就越稳定。实际应用中，能最好平衡性能和 稳定性的最小增益和相位裕度分别为 10dB 和 45º 。 / 图 2 增益和相位裕度 对开关转换器进行补偿的第一步是计算出正向通道（通常包含一个功率级和一个 输出滤波器）的增益和相位响应。 功率级根据拓扑结构，通过控制开关占空比 D 将输入电压转化到期望的输出电 压。最常见的三种拓扑结构（降压、升压和反相）的理想传输函数是： VOUT = VIN XD VOUT = VIN X 1/1-D VOUT = -VIN X D/1-D 可以不同方式控制占空比以获得期望的输出电压。 在直接占空比控制中，开关的占空比通过将控制电压 VC 与一个固定振幅的锯 齿波电压VRAMP （见图 3 ）进行比较得出。得出的 PWM 信号占空比如下： D = V /V C RAMP 图 3 脉宽调制方案 知道这一数值以后，现在就可以计算出从输入到输出的增益。对于一款简单的降 压转换器而言，该增益为： G2 (S)= VIN(S)/VRAMP(S) / 在此种情况下，增益随着电压变化而变化，对环路进行补偿时必须考虑到这一点。 采用直接占空比控制的开关转换器对线路变化的响应相对较慢，因为只有在 VOUT 处出现误差后，反馈环路才能进行相应校正。 一种更出色的控制方法（亦即电压前馈）克服了这一问题。该方法生成了一个斜 坡波形，其振幅与输入电压成比例，使 V = KXV 。G (S) 的计算结果独 RAMP IN 2 立于 VIN，可由下式得出： G2 (S)= 1/K 功率级增益现在是一个恒定值，这简化了环路补偿。使用电压前馈的开关转换器 对输入电压的变化可以进行更快地响应，因为占空比自动调整适应了 VIN 的变 化，而无需等待输出端误差的出现（因为正向通道中有低通输出滤波器，所以等 待会消耗一定的时间）。 另一个自动校正线路变化的控制方法是电流模式控制。使用这一方法时正向通道 中某处的电流由一个内部控制环路进行控制，并由一个外部控制环路对输出电压 进行调整。因此，自动完成了对 VIN 变化的补偿，而无需等待输出端误