【導讀】本文解釋了為何要利用波特圖來展示電源環路的傳遞函數。雖然存在時域負載瞬態測試，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別，并認識到波特圖計算、仿真與測量的實際意義。
引言
電源應當產生穩定的輸出電壓。為了評估電源電路，可在不同負載電流下和不同輸入電壓下測量輸出電壓，判斷所產生的輸出電壓是否在期望的容差范圍內。對電源進行此類基本檢查固然重要，但這只能揭示部分實際情況。如果負載電流或電源電壓在運行過程中發生變化，所產生的輸出電壓應盡可能保持穩定。圖1為負載瞬態和輸入電壓變化條件下的電源(LT8642S)框圖。
圖1：負載瞬態和輸入電壓變化（線路瞬態）條件下的電源
為了對電源進行動態評估，可在不同負載瞬態和不同輸入電壓變化下檢查所產生的輸出電壓。圖2展示了典型的輸出電壓曲線。電源輸出端的負載電流在500ns的轉換時間內從1A變為7A。圖中紅色曲線為負載瞬態曲線。輸出電壓曲線以藍色顯示。如圖所示，在零時刻的正負載瞬態下，所產生的輸出電壓下降了33.2mV。電源的控制環路隨即在大約10μs后，再次使輸出電壓穩定下來。在100μs時再次發生負載瞬變，負載電流從7A變回1A，如圖2所示。輸出電壓出現短暫過沖，比標稱輸出電壓高出約31.4mV。
圖2：典型電源的負載瞬態測試，利用LTpowerAnalyzer?硬件進行測量
對電源控制環路進行此類評估十分有必要，可提供很多關于控制行為的信息。然而，僅憑負載瞬態測量往往還不夠。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，還是取決于控制環路傳遞函數的速度。增加輸出電容可以部分補償控制環路緩慢的問題。
此外，負載瞬態測試無法提供有關控制環路穩定性的明確信息。圖2所示的測量結果可能來自一個控制環路。這個環路勉強保持穩定，如果因元件的容差范圍、溫度影響或工作條件輕微波動等原因，導致參數稍有變化，環路就會失穩。此時，所產生的輸出電壓將不再保持固定值，而是會以較大幅度振蕩。
然而，圖2中的電壓曲線也可能來自一個具有高穩定性裕度的電源。在這種情況下，即使電路出現前述的微小變化，也不會引發振蕩。
圖3：波特圖可用于深入分析電源控制環路的行為
圖3為圖1中電源的實測波特圖。其中，紅色增益曲線與0dB線相交的點，直接反映了控制環路的速度。此穿越頻率越高，控制環路的速度就越快。通常，目標是讓0dB交越頻率介于開關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）也會影響控制環路的速度。直流增益越高，控制環路速度越快。
此外，波特圖還提供了有關電源穩定性裕度的信息。在0dB穿越頻率處，通過藍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°。一般認為相位裕度大于45°的系統是穩定的。
結論
波特圖提供了有關控制環路行為的重要信息，可得出控制環路的速度，且便于與其他電源進行橫向比較。此外，電源的穩定性也能通過可用裕度指標直觀反映。而簡單的負載瞬態測試無法直接獲取此類關鍵信息。
作者簡介
Frederik Dostal是一名擁有20多年行業經驗的電源管理專家。他畢業于德國埃爾蘭根大學微電子學專業，并于2001年加入National Semiconductor公司，擔任現場應用工程師，幫助客戶在項目中實施電源管理解決方案，并積累了豐富經驗。在此期間，他還在美國亞利桑那州鳳凰城工作了4年，擔任應用工程師，負責開關電源產品。他于2009年加入ADI公司，先后擔任多個產品線和歐洲技術支持職位，具備廣泛的設計和應用知識，目前擔任電源管理專家。Frederik在ADI的德國慕尼黑分公司工作。
