【短视频】MPS 电源小课堂第六话: 巧用RT电阻和前馈电容改善动态问题
三年前一个月黑风高的夜晚，小编一边追着《我的前半生》一边关灯准备省点儿电，结果明亮的手机屏幕和漆黑的环境立刻产生了鲜明的对比刺痛了眼睛，过了很久手机屏幕才慢慢自动暗下来，这个差点“亮瞎狗眼”的经历让小编印象深刻。
最近，小编换了一部手机。因为《这就是街舞》看得太过入迷，又一次无意识地一边看手机一边关灯。但这次手机屏幕很快就感受到环境的变化迅速地暗下来了，整个过程眼睛基本上没有感受到刺痛。
屏幕的光线随着外界环境的变化而调节，保护小编的眼睛，这就是一种动态响应。调节得越快，眼睛感受到刺痛的时间就越短，这种调节的快慢就是动态性能。
MPS 电源小课堂
第六话 ：巧用RT电阻和前馈电容改善动态问题
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视频文字部分
在电源领域里面，动态响应是电源的输出电压随着负载电流突变而变化，如果输出电压能够尽量保持稳定，变化幅值小，收敛快，我们认为它动态性能好，反之我们认为有动态问题。
图1：动态性能差的表现
以输出电流突然上升为例，电感电流不能及时抬升，负载会从输出电容中抽取电荷，导致输出电压下跌。EA感知到下跌，在一段时间内Vcomp信号会上升，增大占空比，使得电压抬升。整个过程时间越短，正过冲和负过冲的幅值就越小。
图2：系统调节的流程
图3：各信号的变化
改善的方法是：增大输出电容、增大开关频率、改变comp引脚的配置等等。
但是通常开关频率是不可调整的，而comp脚也被越来越多的厂家集成进芯片内部，所以如何使得电源的调控速度更快便成了问题。
图4：越来越多的厂家把comp脚集成进芯片内部
于是，我们提出两种简单而有效的方法：调节RT电阻和调整前馈电容。
调节FB引脚和Vout分压桥臂之间的电阻。改变它之所以可以调节动态性能可以从两个方面分析：
图5：调节RT电阻
对分压桥臂和误差放大器进行小信号建模，我们可以得到这样的算式。由算式可知，减小RT电阻相当于增大了增益，系统的开环幅频曲线上移，截止频率右移，带宽增加，系统中更多的高频信号不被衰减，从而提升动态性能。
图6：系统Bode图
减小RT电阻导致Vcomp信号对负载变化的响应更为迅速，因此能量从电源到负载传递的速度加快，从而提升系统的动态性能。
然而过宽的带宽会增加对高频噪声的敏感度。使得系统具有较低的相位裕量，会引发稳定性问题，反映在动态响应的波形上便是振荡。一般来说我们希望系统的相位裕度能够达到45°，带宽设置为开关频率的1/10~1/5。
图7：系统Bode图
调节前馈电容是调整与上分压电阻并联的电容。
图8：调节前馈电容
对加上前馈电容后的电路进行小信号分析，得到Vc和Vo之间的关系。相比于未加前馈电容时，增益不变，但是会引入了一个零点和一个极点，造成系统的幅频曲线和相频曲线在新增的零极点附近有所抬升。
图9：引入了一个零点和一个极点
这样可以增加带宽，提升系统的动态特性。在一定区域内下也可以提升相位裕度，提升系统稳定性，这个方法往往对抑制输出电压振铃有奇效。
以MPS公司的MP1657为例，MP1657是一颗12V 2A的降压芯片，在光猫、路由器等消费类领域使用较多。我们使用MPS公司的仿真软件MPSmart对MP1657进行仿真建模验证，这款软件也可以免费在MPS官网上下载。改变R1电阻值，观察系统的输出电压以及Bode图。
图10：MP1657仿真电路
RT电阻越小，带宽越大，系统动态性能越好，正过冲和负过冲越小。然而相位裕度减小，对于系统稳定性有一定牺牲。
图11：调整RT输出电压动态仿真结果
|
RT电阻 |
截止频率 |
相位裕度 |
幅值裕度 |
|
0k |
202.52kHz |
11.1° |
45.16dB |
|
47k |
115kHz |
57.09° |
17.07dB |
|
100k |
77.7kHz |
65° |
21.6dB |
前馈电容越大，截止频率右移，带宽增加，但是增大到一定程度就效果不明显了。同时前馈电容在某些合适的取值下，相位裕度可以增大，不过取值过大相位裕度反而会减小。
图12：调整前馈电容输出电压动态仿真结果
|
Cff前馈电容 |
截止频率 |
相位裕度 |
幅值裕度 |
|
NC |
113.2kHz |
47.178° |
19.52dB |
|
33pF |
151.7kHz |
69.28° |
12.68dB |
|
220pF |
322.7kHz |
18.09° |
2.076dB |
|
1nF |
342.8kHz |
9.416° |
0.989dB |
在MPS公司的MP1657的评估板上进行实测，减小RT电阻，看到正过冲和负过冲在不断减小，与仿真结果吻合，验证了RT电阻减小对于动态问题的改善是有好处的。
图13：评估板原理图
图14：调整RT电阻评估板实测结果
在评估板上增大前馈电容，由于带宽增加，正过冲和负过冲都略微减小。并联68pF时有明显有改善，但是继续增大前馈电容，改善不明显。并且加到220pF，由于相位裕度持续下降，反而性能恶化，与仿真结果吻合。
图15：调整前馈电容评估板实测结果
到此，改善动态问题的小妙招已经给大家介绍完毕，希望对大家有所帮助。