上一篇分析了BUCK的输出端SW节点产生脉冲电压电感将它转换为连续但带有三角形纹波的电流输出电容再吸收电感电流与负载电流之间的差值。经过电感和输出电容后输出电压已经比较平稳但它还不能自动保持在设定值。输入电压可能变化负载会突然增大或减小MOSFET、电感和PCB走线也会产生损耗与压降。如果控制器始终采用固定的开关动作输出电压就会随工作条件改变。因此完整的BUCK还需要持续观察输出并根据观察结果调整后续开关周期VOUT变化 → FB采样 → 与内部基准比较 → COMP形成控制量 → 功率级改变能量传递 → VOUT恢复FB负责把输出状态送回控制器COMP决定控制器怎样响应误差。一、BUCK纠正输出偏差在理想连续导通模式下BUCK的平均输出电压可以近似表示为VOUT ≈ D × VIN其中D为占空比。这个关系描述的是理想稳态。实际电路还存在MOSFET导通压降、电感直流电阻、PCB铜皮压降和器件参数偏差。例如控制器已经在某个输入电压和负载电流下找到合适的占空比。负载电流增加后MOSFET、电感和走线上的压降随之增大。控制器如果仍然保持原来的占空比输出电压就会下降。反过来输入电压升高或负载突然减小时原来的开关动作可能向输出传递过多能量使输出电压升高。所以控制器需要持续测量输出再根据偏差调整功率级电路。FB怎样获取输出电压BUCK通常通过两个电阻对输出电压进行分压分压关系为VFB VOUT × RBOT / (RTOP RBOT)稳态时控制器调节功率级使FB电压接近内部基准电压VREFVFB ≈ VREF由此得到设定输出电压VOUT ≈ VREF × (RTOP RBOT) / RBOT假设内部基准为0.8 V希望得到3.3 V输出并选择RBOT为10 kΩ那么RTOP的计算值约为31.25 kΩ。实际设计会从标准阻值中选择相近数值再核对输出误差、分压电流和芯片推荐范围。FB引脚本身的输入电流通常很小但分压电阻中始终存在电流IDIV VOUT / (RTOP RBOT)因此把FB理解为完全没有电流并不严谨。FB网络不承载负载功率电流FB输入电流通常也远小于分压电流。分压电阻不能无限增大。阻值过小会增加静态功耗影响轻载效率阻值过大时FB节点的等效阻抗上升输入偏置电流、漏电流、寄生电容和PCB表面污染带来的误差会更加明显。分压电阻的选择本质上是在静态功耗、采样误差和抗干扰能力之间取舍。具体数值应优先采用芯片数据手册的推荐范围。控制器怎样根据FB调整输出芯片内部通常有一个误差放大器用来比较VFB和VREF。可以把误差信号理解为VE VREF - VFB当负载突然增大时电感电流无法瞬间上升输出电容先向负载补充电流VOUT开始下降VOUT下降 → VFB下降 → VE增大误差放大器随之提高控制量使功率级在后续周期传递更多能量。电感电流逐渐上升输出电容得到补充VOUT向设定值恢复。当负载突然减小时电感电流同样无法瞬间下降多余电流先流入输出电容VOUT上升VOUT上升 → VFB上升 → VE减小控制器随之降低功率级传递的能量。二、COMP的作用COMP把误差变成控制命令误差放大器不会直接驱动负载也不会直接向电感提供能量。它输出的是一个低功率控制信号这个节点经常被命名为COMP、VC、ITH或EAOUT。COMP可以理解为控制器根据当前误差形成的控制命令。不过COMP怎样影响功率级取决于具体控制架构。1. 电压模式控制电压模式控制通常在每个开关周期生成一条周期性斜坡电压。在常见的后沿调制方式中每个周期开始时高侧MOSFET导通斜坡电压随时间上升。PWM比较器持续比较斜坡电压和VCOMP斜坡电压达到VCOMP↓PWM比较器翻转↓高侧MOSFET关断如果VCOMP升高斜坡需要更长时间才能达到VCOMP高侧MOSFET便会在本周期导通更久占空比增大。如果VCOMP降低斜坡会更早达到VCOMP高侧MOSFET提前关断占空比减小。2. 峰值电流模式控制峰值电流模式控制通常在每个周期开始时打开高侧MOSFET同时检测电感电流。当电流检测信号达到COMP设定的阈值时高侧MOSFET关断。其控制过程可以简化为COMP升高 → 允许更高的峰值电感电流 → 功率级传递更多能量因此在峰值电流模式中COMP首先影响峰值电感电流命令。占空比还会受到输入电压、输出电压、电感值和电流斜率的共同影响。TI对峰值电流模式BUCK的统一模型也将COMP定义为误差放大器输出并用它与电流检测信号及斜坡补偿信号共同决定开关关断时刻。3. 内部补偿控制器很多小型BUCK已经把补偿网络集成在芯片内部外部只能看到FB引脚。这类芯片仍然存在环路补偿只是补偿参数由芯片内部电路确定。为了保证稳定性数据手册通常会规定可用的电感范围、输出电容量、ESR范围或推荐器件。输出电压低了就增加能量输出电压高了就减少能量这个方向没有问题。真正的难点在于纠正的速度和强度。电源系统中的能量状态不能瞬间改变。电感满足diL/dt VL / L电感两端施加电压后电流只能按照有限斜率变化。电容满足dvC/dt iC / C电容获得净电流后端电压同样需要经过一段时间才能变化。控制器发出纠正命令后能量要依次经过MOSFET、电感、输出电容和负载VOUT才会表现出结果。采样、误差放大、PWM更新和开关周期还会带来额外延迟。如果控制器在结果尚未完全出现时继续大幅纠正输出就可能越过目标值。随后误差反向控制器再次纠正最终出现过冲和振铃严重时形成持续振荡。如果纠正力度过弱输出会比较平缓但负载变化后的恢复时间会很长。补偿网络让控制器根据变化速度采用不同的纠正强度对持续时间较长的偏差保持较高增益使稳态误差尽量小。在决定动态响应的中频范围提供合适的增益和相位使输出恢复得足够快。在接近开关噪声的高频范围降低增益减少尖峰和纹波进入控制过程。三、常见补偿电路与FB、COMP的分工峰值电流模式BUCK常见的一种外部补偿网络如下1. CC的作用在低频范围CC使补偿器具有积分特性。只要VFB与VREF之间长期存在微小差异误差放大器就会持续改变COMP电压推动输出进一步接近设定值。这使系统获得较高的低频环路增益从而减小稳态误差。2. RC的作用RC与CC共同形成一个零点。频率上升到一定范围后RC开始主导这条支路的阻抗使补偿器的增益斜率和相位发生变化。合理放置这个零点可以抵消功率级的部分相位滞后提高交越频率附近的相位裕量。3. CP的作用CP在较高频率下逐渐降低COMP节点阻抗并与网络中的等效电阻形成高频极点。它用于限制高频增益减少开关噪声继续进入PWM控制链。CP过大也会降低环路带宽和响应速度因此不能把它当作普通旁路电容随意加大。这类网络通常称为Type II补偿。它包含低频积分作用、一个用于相位提升的零点以及一个限制高频增益的极点。FB和COMP有什么区别对比项FBCOMP所在位置误差放大器输入侧误差放大器输出侧主要任务获取输出电压信息保存并塑造控制命令主要风险采样点错误、参考地偏移、噪声注入寄生参数改变补偿特性、噪声改变控制量PCB重点正确取样、分压中点短、参考地安静补偿元件紧靠引脚、局部连接短、远离开关区域受干扰的结果控制器看到错误的输出电压控制器采用错误的纠正强度或时序FB与COMP共同构成控制小信号区域布局时适合一起考虑。先确定主输出电容和VOUT采样点再根据芯片引脚位置安排反馈分压与补偿网络。两组器件都需要靠近芯片但靠近的对象不同分压电阻的中点靠近FB引脚。补偿电阻和电容靠近COMP引脚及其指定参考地。FB附近的几种电容反馈网络中的电容同样会改变环路的频率响应不能只根据直流原理图判断其作用。1. Cff前馈电容Cff通常跨接在上分压电阻RTOP两端Cff会改变反馈网络在不同频率下的增益并形成额外的零点和极点。合适的Cff可能提高交越频率附近的相位裕量或改善负载瞬态也可能把更多输出高频噪声传入FB。因此Cff需要纳入完整环路计算。把它只理解为普通滤波电容会遗漏它对环路增益和相位的影响。2. FB对地电容有些芯片允许在FB处增加小电容以降低高频噪声。这颗电容会与分压电阻形成极点直接改变反馈网络的增益和相位。四、负载变化的完整过程现在可以重新观察一次负载电流增加负载电流突然增加。电感电流来不及立即上升。输出电容先释放电荷VOUT下降。反馈分压使VFB下降。误差放大器检测到VFB低于VREF。COMP电压按照补偿网络设定的速度变化。调制器提高允许的峰值电感电流或改变开关脉宽。电感电流逐渐增加。输出电容得到补充VOUT恢复。VFB重新接近VREF系统进入新的稳态。电感和输出电容决定能量怎样变化FB决定控制器观察到什么COMP决定控制器以多大的增益和速度响应PWM与功率开关再把控制量转换成实际的能量传递。FB采样点出现偏差控制器就会围绕有偏差的信息进行调节。COMP参数或寄生参数不合适控制器可能响应过慢、过冲、振铃甚至振荡。五、从底层理解反馈控制前面的电路和公式解释了FB与COMP怎样工作。继续向下拆解可以得到几条适用于电源设计、控制系统和PCB布局的共同原则。1. 稳压的根本是能量平衡负载每秒消耗一定能量功率级也在每秒向输出传递能量。当输入输出的平均能量相等时输出电容储存的能量保持稳定VOUT也保持稳定。负载突然增加后短时间内输出能量大于输入能量缺少的部分先由输出电容提供于是电容电压下降。控制环路检测到这个结果后提高后续周期的能量传递直到新的平均能量再次平衡。所以稳压可以归结为一个持续进行的过程检测能量失衡留下的电压结果再调节后续能量流动。2. FB传递信息功率级传递能量从输入电容、MOSFET、电感到输出电容主要处理的是能量。FB、误差放大器和COMP主要处理的是信息。FB走线中的电流很小却可以控制数安培甚至更大的功率电流因为FB并不提供负载所需能量。它影响MOSFET的开关时刻真正的能量仍然来自输入电源。3. COMP解决的是因果关系带来的延迟任何真实系统都遵循因果关系。控制器先改变开关动作电感电流随后变化输出电容再充电或放电最后才看到VOUT变化。这段时间无法被消除。补偿网络所做的工作是在存在延迟的条件下分配纠正力度让控制器在结果尚未充分出现时保持克制在长期偏差存在时确定一个稳定的输出补偿。4. 带宽是一种需要分配的资源提高带宽可以加快响应但控制器也会看到更多高频噪声、寄生效应和延迟。降低带宽可以增强高频抗干扰能力却会延长输出恢复时间。因此控制环路追求的是合适的带宽。低频偏差需要被充分纠正中频变化需要及时响应高频开关成分则应主要交给电感、电容和PCB局部回路处理。这种按频率分工的思想也解释了为什么单纯增加输出电容、提高COMP电容或扩大环路带宽都很难解决所有问题。5. PCB也是控制环路的一部分原理图中的电阻和电容决定计划中的极点与零点PCB走线、过孔、参考地和相邻铜皮又会引入额外的电阻、电感、电容和耦合路径。对于FB布局的核心是让采样电压真实代表希望稳压的位置对于COMP布局的核心是让实际补偿网络尽量接近计算模型。功率路径负责传递能量反馈路径负责传递信息。布局时缩小高频功率回路、让FB和COMP远离SW与电感、减少共享地阻抗最终都指向同一个目标避免功率路径产生的快速变化污染控制器获得的信息。结语BUCK稳压的本质是不断调整从输入端传向输出端的能量使输出端获得的平均能量与负载消耗重新平衡。输出电容暂时承担输入输出之间的能量差FB把输出状态送回控制器COMP决定控制器怎样随频率和时间响应误差功率级再执行这个控制命令。FB与COMP周围的电阻、电容和细走线虽然不承载负载功率却掌握着整个功率级的控制方向。理解能量流动、信息传递、系统延迟和频率分工之后许多看似零散的设计规则都会得到统一解释。