【R课堂】来自工程师的声音⑥优化DC/DC转换器的频率特性

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在DC/DC转换器的设计中，为了使DC/DC转换器的设计电路在实际使用条件下能够稳定运行，并完成满足设备性能和规格的电源设计，除静态特性外还需要评估动态特性。其中，DC/DC转换器的输出电压的稳定性和响应性是重要的确认点，因此有必要了解DC/DC转换器的频率特性以进行相应的确认和调整。此次我们就DC/DC转换器的频率特性和评估方法咨询了应用工程师爱宕 崇之先生。

首先，请介绍一下为什么要评估和了解DC/DC转换器的频率特性？
我认为所有设计都是相同的，都需要在完成桌面上的电路设计后，试制并评估是否达到了设计目标。对于DC/DC转换器来说，除了要确认作为电源的基本工作（例如输出电压精度和最大输出电流）外，确认输出电压的稳定性和负载瞬态响应特性也是非常重要的。由于稳定性和响应性基本上都涉及到设计的DC/DC转换器的频率特性，因此有必要确认频率特性并根据确认结果进行优化。

您能具体解释一下输出电压的稳定性和瞬态响应性吗？
我想使用这张图来对每个概念进行说明。

DCDC转换器输出电压的稳定性和瞬态响应特性示意图

首先，让我们从只能用此图解释的响应性开始。在这张示意图中，使用开关DC/DC转换器将12V电池电压降至5V，并用作微控制器的电源。此外，该5V电压由电压监控IC（通常也称为“复位IC”）监测，当电压低于设定值时，会将复位信号发送到微控制器。这是一个很常见的电路示例。

输出电压的响应性是将因负载电流的急剧变化而瞬间波动的输出电压复原的动作。通常，期望在电压波动尽可能小的期间内就做出响应，并在尽可能短的时间内将电压稳定在设置电压。

在该图中有两个示例，一个是负载电流急剧上升，5V输出电压瞬间下降；另一个是负载电流急剧下降，输出电压瞬间上升到5V以上。如果因负载电流的突然增加而下降的输出电压超过了复位IC的阈值，则会发出不必要的复位信号，从而使微控制器复位。此外，如果因负载电流的突然降低而导致输出电压突然升高，并且超过微控制器的电源电压额定值，则微控制器可能会发生误动作甚至损坏。这对于从休眠状态瞬间全负荷运行的设备（例如微控制器和CPU）的电源来说，这是必不可少的确认项目，反之对于从全负荷运行状态瞬间休眠的设备来说亦然。通过调整DC/DC转换器的瞬态响应特性，可以对这些项目进行优化和处理，以使电压波动不超过复位IC的阈值或后段元器件的电源额定值。

原来如此。如果瞬态响应特性未得到优化，在某些情况下可能会引发致命问题吧。
是的。下面我们来介绍输出电压的稳定性。这里所说的输出电压的稳定，指的是在输出中不会发生过度振铃和振荡。振荡的波形示例如下。DC/DC转换器的输出电压包含由开关引起的纹波电压，不是理想的DC电压，但振荡是与纹波不同的一种异常现象。这个波形图是当施加负载时就会出现明显振荡状态的DC/DC转换器示例。

表示输出电压振荡的波形

一提到振荡，就会想到使用了运算放大器的电路，原来DC/DC转换器也会发生振荡啊。DC/DC转换器振荡是因为它使用反馈电路来控制输出电压以使之保持恒定。因此，振荡的原理和条件与运算放大器相同。顺便说一下，由于LDO等线性稳压器也使用反馈控制方式，因此它们也会在某些条件下发生振荡。理解了发生振荡的原理有助于了解频率特性，因此我会稍微详细地对其进行说明。

DC/DC转换器IC的内部电路大致配置如下。红色箭头的A点和B点最初是连接在一起的，但是故意将用来输出控制的反馈信号B和基于该反馈信号的控制信号A（输出）分开了。输出电压通过由R1和R2组成的分压电阻反馈到IC内部的误差放大器输入。误差放大器对基准电压与输出电压进行比较，如果输出电压高于设定电压，将进行降低的控制；如果低于设定电压，将进行升高的控制，以保持输出电压恒定。

DC/DC转换器的反馈路径示意图

由于该反馈控制是负反馈，所以控制信号A的相位相对于反馈信号B的相位有180度的偏差。从波形图中可以看到相位的关系。
然而实际上，在IC内部处理并输出信号之前是需要花费时间的，会产生延迟时间。因此，随着频率变得更快，相位会因延迟时间而越来越滞后。

负反馈相位滞后的说明图

有奖问答：当相位接近0度时，将处于不稳定状态，如果滞后到0度，则_________，并发生异常振荡。

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