如何使用智能、宽带宽内部补偿缩小电源解决方案

系统工程师努力采用更小的电源解决方案尺寸，以便在PCB上为其产品的独特功能留出足够的空间。内部补偿是一种减小电源解决方案尺寸的技术;但是，这种方法确实有一些权衡。本应用笔记探讨了不同的内部补偿技术，并重点介绍了最有效的方法。

介绍

用于当今设计的PCB已经非常拥挤，特别是为了适应最终产品的关键功能。这是 为什么系统工程师努力缩小电源解决方案的尺寸。有多种技术可以减少 电源解决方案的大小。其中一种技术是内部补偿，其中繁琐的外部反馈 补偿网络集成到IC中。

然而，内部补偿并非没有缺点。此方法会影响电源解决方案环路的带宽和 稳定性。让我们仔细看看各种内部补偿技术，其中一种提供宽环路带宽 实现高集成度，无需牺牲环路的带宽和稳定性。

简单的内部补偿

图1所示为典型电源威廉希尔官方网站 及其反馈环路和外部补偿威廉希尔官方网站 。补偿 威廉希尔官方网站 针对特定工作条件（输入电压、输出电压、开关频率和输出）进行了优化 电容器）。当一个或多个威廉希尔官方网站 工作参数发生变化时，补偿威廉希尔官方网站 值必须 根据新的威廉希尔官方网站 工作条件进行了更改以优化回路性能。

图1.显示外部补偿的降压转换器原理图。

简单的内部补偿基本上集成了该补偿威廉希尔官方网站 ，该威廉希尔官方网站 针对一个特定的 工作状态，进入IC。带有此内部补偿威廉希尔官方网站 的IC工作正常，直到一个或多个 操作参数更改。图2所示为具有简单内部补偿的电源解决方案。

图2.显示简单内部补偿的降压转换器原理图。

内部补偿针对一种特定的工作条件进行了优化。在这种特定的操作条件下， 这个转换器效果很好。但是，它也仅限于这种操作条件。当 工作条件变化（例如，改变 VO， F西 南部和/或 CO值）。

智能、宽带宽内部补偿

图3所示为采用智能、宽带宽内部补偿的降压转换器原理图。这 技术允许调整以适应不同的威廉希尔官方网站 条件，并保留优化的环路带宽 广泛的工作威廉希尔官方网站 参数。它还最大限度地减少了外部元件的数量，从而产生了高度 集成式紧凑型电源解决方案。

图3.显示智能、宽带宽内部补偿的降压转换器原理图。

简单的内部补偿示例

在这里，我们举一个降压转换器实现简单内部补偿技术的示例。图4a、图4b和表1提供了原理图、评估板和物料清单（BOM）。

图 4a.显示简单内部补偿的降压转换器原理图。

图 4b.具有简单内部补偿的降压转换器评估板。

表 1.用于具有简单内部补偿的降压转换器的BOM

 

指示器	描述	数量
C04， C05	电容， CERM， 0.022μF， 100V， +/-5%， X7R， 0805	2
加拿大商业协会	电容， CERM， 4.7μF， 50V， +/-10%， X5R， 0805	1
开机式	电容， CERM， 0.47μF， 16V， +/-10%， X7R， 0805	1
CFF	电容， CERM， 100pF， 50V， +/-5%， C0G/NP0， 0603	1
CIN1	电容， CERM， 0.47μF， 100V， +/-10%， X7R， 0805	1
CIN2	电容， CERM， 1μF， 100V， +/-10%， X7R， 1210	1
CIN3	电容， CERM， 10μF， 100V， +/-20%， X7S， 2220	1
二氧化碳1、二氧化碳	电容， CERM， 47μF， 10V， +/-10%， X7R， 1210	2
视场角	电容， CERM， 1μF， 25V， +/-10%， X5R， 0805	1
.CSS	电容， CERM， 0.047μF， 50V， +/-10%， X7R， 0603	1
CVCC1	电容， CERM， 2.2μF， 10V， +/-10%， X7R， 0603	1
L_60V_HC	电感器， 屏蔽鼓磁芯， 铁氧体， 10μH， 5.35A， 0.0189O， SMD， 线圈电子 DR125-100-R 1®	1
其他电阻器	0603	8
U1	3.5- 60V 2A 降压转换器	1

 

这种特殊的降压转换器采用固定频率峰值电流模式控制。该器件在内部进行补偿。 开关频率可通过一个外部电阻器 RT 在 200kHz 至 2.2MHz 范围内进行设置。它默认为 500kHz，没有 RT。内部补偿针对 24V 输入、3.3V 输出、500kHz 开关频率和 2 x 47μF 陶瓷。虽然该转换器在此特定工作条件下运行良好，但它也仅限于此操作 条件。当工作条件发生变化（例如，改变 VO， F西 南部和/或 CO值）。

通过观察转换器对负载阶跃瞬态的响应，我们可以看到简单内部补偿的局限性。 在各种威廉希尔官方网站 工作条件下。图5a显示了原始配置（2 x 47μF）的测试结果，而 图5b显示了输出电容量两倍（4 x 47μF）的结果。

图 5a.负载瞬态性能 - 简单补偿，原始配置 （CO– 2 x 47μF）。

图 5b.负载瞬态性能 - 补偿简单，输出电容翻倍（CO– 4 x 47μF）。

在图5a和图5b中，紫色迹线是输出负载电流步进从1A到2A，然后回 1A.绿色迹线是输出电压，显示响应负载变化的偏差。理想的转换器没有 负载变化时的电压偏差（即绿线是平坦的）。更快的转换器具有较小的电压偏差。 稳定的转换器具有性能良好的输出电压波形，可以从偏差中平稳恢复。

该原始威廉希尔官方网站 （2 x 47μF）具有150mV峰峰值（pk-pk）电压偏差。当输出电容加倍至 4 x4 7μF，我们预计电压偏差将减小一半。但由于简单内部的限制 补偿，输出电容的增加会因此降低转换器环路带宽，从而对转换器环路带宽产生不利影响 影响转换器性能。因此，我们在本例中测量了134mV pk-pk。

因此，通过简单（有限）的内部补偿，将输出电容加倍只会降低输出负载瞬态 反应PK-PK略微达到89%。这 11% 的减少数字并不能证明增加 输出电容。系统工程师坚持原始转换器性能。尝试提高输出电压 偏差性能进一步导致成本和尺寸呈指数级增长。

智能、宽带宽内部补偿示例

图6a、图6b和表2显示了降压转换器的原理图、评估板和BOM 具有智能、宽带宽内部补偿的转换器。

图 6a.具有宽带宽内部补偿的降压转换器。

图 6b.具有宽带宽内部补偿的降压转换器评估板。

表 2.具有宽带宽内部补偿的降压转换器BOM

 

指示器	描述	数量
C1	2.2μF ±10%， 100V X7R 陶瓷电容器 （1210）	1
C2	2.2μF ±10%， 10V X7R 陶瓷电容器 （0603）	1
C3	5600pF ±10%， 25V X7R 陶瓷电容器 （0402）	1
C4	47μF ±10%， 10V X7R 陶瓷电容器 （1210）	1
C5	0.1μF ±10%， 16V X7R 陶瓷电容器 （0402）	1
C7	47μF、80V 铝电解电容器 （D = 10mm）	1
L1	6.8μH、5A 电感器。线艺MSS1048-682NL。 太阳汤电NS10165T6R8NNA®®	1
其他电阻器	0402	5
U1	4.5V-60V、2.5A、高效率、同步降压型DC-DC转换器，带内部补偿	1

 

该特定转换器也是一种固定频率峰值电流模式控制器件。但是，它具有智能， 宽带宽内部补偿。其评估套件的开关频率默认为450kHz。内部 补偿针对 24V 输入、3.3V 输出、450kHz 开关频率和 47μF 陶瓷输出电容器进行了优化。 请注意，这只是前面讨论的另一块板上输出电容量的一半。此降压转换器 只需一半的输出电容即可获得相当的输出瞬态响应，因为它很宽 环路带宽。

要检查智能、宽带宽内部补偿的性能，请观察转换器对负载阶跃的响应 在各种威廉希尔官方网站 工作条件下瞬态。图7a显示了原始配置（47μF）下的测试结果， 而图7b显示了输出电容量（2 x 47μF）两倍时的结果。

图 7a.负载瞬态性能 - 原始配置中的智能、宽带宽补偿 （Co= 47μF， R3 = 127k， R4 = 47.5k）。

图 7b.负载瞬态性能 - 智能、宽带宽补偿，输出电容翻倍 （Co= 2 x 47μF， R3 = 52.3k， R4 = 19.6k）。

原始威廉希尔官方网站 （47μF）的峰峰值电压偏差为176mV。当输出电容加倍至2 x 47uF时， 在 84mV 峰峰值时，电压偏差降至 48%，这得益于其智能、宽带宽的内部补偿。这 每次偏差后输出电压的良好恢复波形也显示出非常稳定的环路操作。 此外，与简单的内部补偿解决方案相比，该转换器最初只需要一半的量 的输出电容，由于其宽环路带宽，可实现相当的输出瞬态响应。

表3显示了简单内部补偿降压转换器与 智能、宽带宽内部补偿。

表 3.比较两种类型的降压转换器

 

	简单的内部补偿		智能、宽带宽内部补偿
	输出电容	VO偏差，包-包	输出电容	VO偏差，包-包
原始配置	2 x 47μF	150mV	47微呋喃	176mV
输出电容翻倍	4 x 47μF	134mV	2 x 47μF	84mV
VO 偏差百分比降低	-	11%	-	52%

 

请注意，在测量输出电压负载瞬态响应时，应使用低噪声示波器探头。图8显示了用于测量这些电压的方法。本实验中使用的设备包括：

电源： HP6032A

电子负载：安捷伦 6060B®

示波器：泰克TDS3034B®

使用的其他设置：

负载阶跃压摆率：1A/μs

输出电压探头带宽，通道4：20MHz

输出电流探头带宽，通道3：300MHz

图8.用于测量输出电压负载瞬态响应的低噪声探头技术。

总结

对于集成度更高的电源解决方案，内部补偿有助于减少外部元件数量和威廉希尔官方网站 复杂性。简单的内部补偿会降低系统性能，还会导致环路不稳定。 MAX17503以及Maxim的许多Himalaya转换器和功率模块产品均提供智能、宽带宽内部补偿，可实现两全其美：高集成度，同时保持最佳环路带宽和控制环路稳定性，通过最小化外部输出电容要求来减小尺寸和成本。

审核编辑：郭婷