巧用RT电阻和前馈电容改善电源动态问题

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

有动态问题意味着负载电流变化时，系统调节速度不够快。

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。

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调节RT电阻

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

从频域分析：

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

从时域分析：

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

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调整前馈电容

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威廉希尔官方网站 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仿真威廉希尔官方网站

仿真实验证明：

• 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

• 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

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