芯耀
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在開關電源設計中，環(huán)路補償如同汽車的懸掛系統(tǒng)——調校得當才能保證系統(tǒng)穩(wěn)定運行。BUCK轉換器的穩(wěn)定性直接決定了輸出是否紋波小、響應快、抗干擾強，而環(huán)路補償是實現(xiàn)穩(wěn)定性的關鍵環(huán)節(jié)。通過合理的環(huán)路補償設計，可以有效避免系統(tǒng)振蕩，提高電源的可靠性和性能。
01系統(tǒng)穩(wěn)定性設計的工程哲學
開關電源的閉環(huán)控制本質上是動態(tài)平衡的藝術。
功率級電路作為能量傳輸?shù)摹案咚俟贰?，?a class="article-link" target="_blank" href="/baike/1559843.html">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。這種相位滯后會導致系統(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)目焖夙憫忠S持系統(tǒng)的動態(tài)平衡。這種矛盾統(tǒng)一的關系，使得環(huán)路補償設計成為連接功率硬件與控制算法的關鍵橋梁。
02?為什么需要環(huán)路補償？
參考[?如何學習開關電源？從“大”到“小”學習開關電源...?]，我們將開關電源分為“大”功率傳輸和“小”環(huán)路控制。
BUCK電路本質上是一個閉環(huán)系統(tǒng)，也包含功率級（開關管、電感、電容）和環(huán)路控制 。由于電路中存在電感和電容等儲能元件，系統(tǒng)的頻率響應會存在極點和零點，可能導致相位裕度不足，引發(fā)振蕩。
補償電路的作用就是，通過調整反饋環(huán)路的增益和相位特性，使系統(tǒng)在目標頻率（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。
03?環(huán)路補償?shù)脑O計流程
3.1. 確認系統(tǒng)參數(shù)：設計前的“體檢報告”
在開始環(huán)路補償設計之前，需要確認系統(tǒng)參數(shù)。這包括輸入電壓范圍、輸出電壓、開關頻率、電感和電容參數(shù)等，這些參數(shù)將直接影響環(huán)路補償?shù)脑O計。
3.2. 分析功率級特性：找到電路的“敏感點”
- BUCK電路功率級（具體來說是LC濾波器）會自帶“LC雙極點”和“ESR零點”，這就是會導致系統(tǒng)不穩(wěn)定的“敏感頻率點”。
- 參考圖 4.5，BUCK電路“被控對象”的傳遞函數(shù)，如下所示：
- 極點頻率和零點頻率：
ω_LC 就是“LC濾波器”產生的雙極點（共軛極點），ω_ESR 就是輸出電容ESR產生的高頻零點。
- LC濾波器的頻率響應特性，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）是開關電源控制環(huán)路中增益曲線首次穿越0dB線的頻率點，相當于環(huán)路的“有效帶寬”。它決定了電源系統(tǒng)對負載變化的響應速度，同時直接影響穩(wěn)定性，是環(huán)路設計的核心指標之一。一般來說，交越頻率的選擇應滿足以下條件：
- 交越頻率應低于開關頻率的1/5，以避免開關噪聲的影響。
- 交越頻率應高于LC濾波器的諧振頻率，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。
3.4. 選擇補償器類型：針對“敏感點”的“殺手锏”
- Type II，提供1個零點用于抵消LC雙極點中的一個，提供1個極點用于濾波
- Type III，提供2個零點用于抵消LC雙極點，提供2個極點用于降噪
3.5. 參數(shù)計算與驗證：對“癥”下“藥”
- 步驟1：計算零點FZ1、FZ2補償LC雙極點相位滯后
- 步驟2：極點FP2抵消FESR，F(xiàn)P3抑制高頻噪聲
- 步驟3：代入公式計算R、C值，優(yōu)先選標準件
04?避坑指南：這些錯誤千萬別犯！
- 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。
- 帶寬過高：交越頻率F0過高（超過開關頻率的1/5）可能導致系統(tǒng)振蕩，影響穩(wěn)定性。設計時應合理選擇交越頻率在1/10到1/5的開關頻率范圍內。
- 盲目堆電容：過多電容降低LC雙極點頻率FLC，需重新設計補償網絡。
- 忽略布局：補償網絡應遠離開關節(jié)點，避免噪聲耦合。合理的PCB布局對環(huán)路穩(wěn)定性至關重要。
05 總結：“環(huán)路設計=醫(yī)生開藥方”
- 環(huán)路設計可以類比為醫(yī)生開藥方：
診斷（參數(shù)測量或理論計算）→ 開藥（補償器選型）→ 復查（波特圖驗證）→ 沒問題，結束；有問題，繼續(xù)修復，直到系統(tǒng)穩(wěn)定。
- 工具推薦
LTspice仿真：用于模擬和驗證環(huán)路補償設計。
廠商設計工具（如IR的SupIRBuck工具鏈）：提供自動化設計和優(yōu)化功能。
- 關鍵點提示
相位裕量：應大于45°，以確保系統(tǒng)穩(wěn)定性。
增益裕量：應大于10dB，以確保系統(tǒng)在不同工作條件下的穩(wěn)定性。
交越頻率：應選擇在開關頻率的1/5以下，以避免開關噪聲的影響。
一句話記牢：相位裕量>45°，斜率-20dB/Dec過零點，閉環(huán)穩(wěn)如泰山！
