當(dāng)一系列環(huán)境和電路設(shè)計(jì)變量影響輸出時(shí)，就很難確定具有負(fù)反饋電路的穩(wěn)定性。任何計(jì)算錯(cuò)誤都會(huì)成為怪異電路行為(如振蕩和振鈴)的溫床。這就需要前瞻性的測試程序，以盡量減少產(chǎn)生波動(dòng)的可能性。遺憾的是，這種方法通常是在昂貴的高端電子負(fù)載下執(zhí)行。本文為愛好者介紹了一種經(jīng)濟(jì)型替代方案，即利用MOSFET的線性區(qū)和飽和區(qū)與負(fù)載電阻配對來提供脈沖電流。

　　系統(tǒng)穩(wěn)定性簡介

　　為什么穩(wěn)定性如此重要？能否僅購買現(xiàn)成的知識(shí)產(chǎn)權(quán)(IP)，構(gòu)建或制造電路、測試功能、然后將其用于預(yù)期應(yīng)用？遺憾的是，這種臨時(shí)應(yīng)急的方法充滿風(fēng)險(xiǎn)，還存在著潛在的災(zāi)難性后果。為理解這些風(fēng)險(xiǎn)，必須建立一個(gè)堅(jiān)實(shí)的穩(wěn)定性基礎(chǔ)。

　　根據(jù)閉環(huán)反饋系統(tǒng)的傳遞函數(shù)，系統(tǒng)的不穩(wěn)定條件時(shí)通過分母等于0時(shí)來獲得的。因此，當(dāng)系統(tǒng)以“-1”的增益(即單位增益和180°相位反轉(zhuǎn))運(yùn)行時(shí)，整個(gè)傳遞函數(shù)接近無窮大，從而使此條件成為極點(diǎn)(另一種識(shí)別極點(diǎn)的方法是提取分母的特征值或特征向量)。由于傳遞函數(shù)具有作為因變量的頻率，所以很容易假設(shè)，設(shè)計(jì)具有遠(yuǎn)離極點(diǎn)的工作頻率的電路將解決該問題。但這種預(yù)防措施是不夠的。當(dāng)引入負(fù)載和環(huán)境變量時(shí)，傳遞函數(shù)和極點(diǎn)(或信號或系統(tǒng)更復(fù)雜時(shí)的多個(gè)極點(diǎn))會(huì)發(fā)生變化。系統(tǒng)的復(fù)雜性和應(yīng)用進(jìn)一步模糊了邊界的穩(wěn)定性。例如，電源轉(zhuǎn)換器裝載了大量的非線性電路器件和外部寄生元件，這些元件都對極點(diǎn)的這種轉(zhuǎn)移有影響。如果不借助繁瑣艱澀的理論計(jì)算，對穩(wěn)定和不穩(wěn)定輸出做出清晰界定，我們就不可能預(yù)期合理結(jié)果。然而，這并非一定意味著估計(jì)就不可靠。其實(shí)，單憑理論不一定能夠保證系統(tǒng)的穩(wěn)定性。

　　鑒于上述論點(diǎn)，如果只采用基本功能測試，產(chǎn)品在現(xiàn)場出故障的可能性很大。那么很可能就會(huì)出現(xiàn)顧客抱怨產(chǎn)品故障的情景。最糟糕的情況是，由于其產(chǎn)品不合格，公司將陷入虧損。

　　測試不穩(wěn)定性的方法

　　有各種測量技術(shù)可用于測試電路是否會(huì)在特定條件下振蕩。首選項(xiàng)取決于可用的資源，將在下面詳細(xì)討論各個(gè)選項(xiàng)。

　　方法＃1：從波特圖獲取增益和相位裕度。該方法通過觀察電路在頻域中的特性響應(yīng)來進(jìn)行判斷。需要價(jià)格不菲的網(wǎng)絡(luò)分析儀或頻率響應(yīng)分析儀，將正弦波(其頻率在所需范圍內(nèi)被掃描)與輸出耦合到電路的反饋回路中。然后同時(shí)測量增益和相位。對發(fā)生在單位增益和180°相移時(shí)的振蕩進(jìn)行回溯，提取20?log(1)=0dB處的相位，并取其與180°的差值。這就是相位裕度。同樣的方法適用于增益。但增益余量不太常見，因?yàn)橄辔徊怀^180°時(shí)的情況更多。在極點(diǎn)條件滿足之前，更高余量意味著更大的回旋余地，從而得到更穩(wěn)定的電路。

　　用這種方法，可很明顯地顯示每個(gè)變量對電路頻率響應(yīng)的影響。較高的輸出電容意味著較低的相位裕量，因?yàn)橄辔缓透哳l分量被衰減，將0dB點(diǎn)推向左側(cè)。該設(shè)置對于測量的準(zhǔn)確性也很重要。如果由于連接器處理得不小心和不良焊接而產(chǎn)生意外的寄生成分，可能會(huì)導(dǎo)致不準(zhǔn)確。

　　方法＃2：觀察負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。該方法通過觀察電路在時(shí)域中的特性響應(yīng)來進(jìn)行判斷。根據(jù)電路規(guī)范，用灌電流或拉電流使輸出產(chǎn)生脈動(dòng)。用示波器(仍然相當(dāng)昂貴，但比頻率響應(yīng)分析儀便宜)觀察輸出響應(yīng)。如果觀察到強(qiáng)烈的吉布斯現(xiàn)象(Gibb's phenomenon)，尤其是不立即衰減的那種，那么在靠近這種條件的某處就可能存在極點(diǎn)。后面給出了這種方法的更深入討論。

　　方法＃3：使用“皮斯原理(Pease's Principle)”。著名的模擬集成電路(特別是運(yùn)算放大器)設(shè)計(jì)師、也就是帶隙沙皇，已故的羅伯特·皮斯(我大學(xué)時(shí)，通過他內(nèi)容豐富的專欄“Pease Porridge”得知此公)詳細(xì)闡述了一種簡單的電路穩(wěn)定性測試方法。它涉及用所有頻率的方波輪番攻擊電路。如果電路得以幸存，那說明它具有魯棒性。電路的薄弱環(huán)節(jié)也將暴露無遺。該過程在理論上是合理的，因?yàn)榉讲ǖ念l率成分包含在頻域中(記得方波的傅里葉級數(shù)或單位階躍響應(yīng)的傅里葉變換？)。就像上面介紹的第一種方法一樣，將所有奇異正弦分量壓縮成方波(而不是逐個(gè)掃描)。在我看來，采用這種方法應(yīng)該注意一些預(yù)防措施，例如在輸出端使用有源負(fù)載。

　　負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)研究

　　若測量負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，則需要更好分辨率的示波器。在處理明顯高的電流時(shí)，檢查電路的輸入電壓是否有明顯下降是明智之舉。壓降可能會(huì)導(dǎo)致電路的欠壓鎖定(UVLO)觸發(fā)。在這種情況下實(shí)現(xiàn)4線配置可能會(huì)起到妙手回春的作用。應(yīng)遵循正確的探頭接地原則，以避免虛假的過沖和下沖，從而可能會(huì)造成不穩(wěn)定的誤報(bào)。

　　監(jiān)測電流可能是個(gè)障礙?？捎玫倪x項(xiàng)是針對低電流的電流探頭和用于監(jiān)測更低電流的檢測電阻。三線電纜(triaxial cable)也可以消除絕緣泄漏的影響。

　　測量負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的方法

　　有許多測量負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)的方法。以下段落詳細(xì)描述了每種方法。

　　使用與電阻串聯(lián)的MOSFET：這種實(shí)現(xiàn)可能是本文中描述的最簡單方法，它涉及一個(gè)在線性/工作區(qū)與負(fù)載電阻串聯(lián)工作的MOSFET。負(fù)載電阻的阻值將決定脈沖電流的高電平?？梢杂萌我獠ㄐ伟l(fā)生器或函數(shù)發(fā)生器對MOSFET的柵極進(jìn)行脈控。對于更寬松的規(guī)范(脈沖電流的擺率不是什么大問題)，任何可提供脈沖的定制電路都可以。值得注意的是，MOSFET開關(guān)必須處于線性區(qū)，否則將呈現(xiàn)高阻抗(如電流源飽和時(shí)會(huì)發(fā)生的現(xiàn)象)。

　　請記住，為了偏置線性區(qū)的開關(guān)，體源(bulk-source)電壓必須處于地電位(可以是反向偏置，但不應(yīng)太多，因?yàn)殚撝惦妷阂矔?huì)增加)，且柵極-源極電壓必須比漏極-源極電壓加上閾值電壓更高。

　　圖1：在負(fù)載瞬態(tài)測量中設(shè)置NMOS電阻(左)和PMOS電阻(右)對(來源：Justin Spencer Mamaradlo)

　　觀察圖1，可發(fā)現(xiàn)NMOS接近參考地并且PMOS與VOUT端子相接。這不是巧合，因?yàn)檫@種配置更容易將柵極-源極電壓驅(qū)動(dòng)到線性區(qū)。例如，如果NMOS放置在負(fù)載電阻的上方，則其漏極端子將位于參考地之上。解決該問題的一種方法是將脈沖電路連接到NMOS漏極而不是地，或引入DC偏移。遺憾的是，如果脈沖發(fā)生器是內(nèi)置地線的儀器，這就不可能了。

　　使用電子負(fù)載：市場上有許多電子負(fù)載可滿足各種測量要求。當(dāng)然，儀器的質(zhì)量會(huì)隨成本的降低而下降。盡管如此，即使最便宜的電子負(fù)載的價(jià)格也無法與單個(gè)MOSFET和電阻的價(jià)格競爭(對愛好者來說)。如果這樣的話，那為什么要在這里提及？我將它包括在內(nèi)是為了內(nèi)容的完整，若有人真買這種儀器的話或可借鑒。

　　對于瞬態(tài)測量，人們會(huì)希望有一個(gè)支持切換的電子負(fù)載(這個(gè)要求本身就會(huì)將價(jià)格門欄設(shè)得太高)。以GWINSTEK的PEL-3000系列電子負(fù)載為例。要執(zhí)行測量，請將儀器設(shè)置為“CR”模式和適當(dāng)?shù)碾娏鞣秶?。請?wù)必記住每個(gè)量程的相應(yīng)壓擺率，以避免輸出電壓出現(xiàn)不必要的過沖(可在儀器的數(shù)據(jù)表中找到)。配置其它所需的附加設(shè)置(例如保護(hù)功能以避免損壞D.U.T.、軟啟動(dòng)等)，并確定接口極性沒反接。

　　使用工作在飽和區(qū)的功率MOSFET：此方法是電子負(fù)載背后的基本原理，即利用飽和狀態(tài)下MOSFET的特性作為恒流源。這是最方便的，因?yàn)殡娏魅Q于柵極施加的電壓，而不是外部電阻(這更難設(shè)置)。缺點(diǎn)是MOSFET的功耗。由于沒有負(fù)載電阻，MOSFET受到D.U.T.(功率會(huì)相當(dāng)高)額定輸出電壓和負(fù)載電流容量的壓力。因此，在這種情況下(與前述方法相比)使用的MOSFET更貴。對于脈沖負(fù)載，柵極的高電平電壓必須足夠精確，以驅(qū)動(dòng)MOSFET漏極和源極之間正確的高電平電流。因此，在這種方法中，在MOS電阻對配置中設(shè)置精確電阻的挑戰(zhàn)轉(zhuǎn)變?yōu)樵O(shè)置精確電壓(通常低至+/-10mV)的挑戰(zhàn)。

　　LTSpice中的負(fù)載瞬態(tài)仿真

　　以下是針對USB Type-C的同步電流編程模式的連續(xù)導(dǎo)通模式(CPM-CCM)升降壓轉(zhuǎn)換器的個(gè)人設(shè)計(jì)。

　　圖2：在LTSpice中繪制的CPM-CCM雙向USB C型轉(zhuǎn)換器(來源：Justin Spencer Mamaradlo)

　　作為雙向電源轉(zhuǎn)換器，電路工作在三種模式：正向降壓、正向升壓和反向降壓。選用針對合理的電流紋波進(jìn)行了設(shè)計(jì)的高精度電感器、設(shè)置為10?H。MOSFET對根據(jù)工作模式交替工作(全部四個(gè)不能同時(shí)切換)。轉(zhuǎn)換器操作的全面說明如下：

　　在點(diǎn)1，作為5V降壓轉(zhuǎn)換器：為用作降壓器，M1必須作為短路(線性區(qū))工作，M2必須作為開路(截止區(qū))工作。M3和M4必須設(shè)置其占空比，以便輸入電壓降至5V。由于使用了一對NMOS，因此M3需要U11 (一個(gè)輔助低功率隔離的非穩(wěn)壓DC-DC轉(zhuǎn)換器)，它可以幫助U7(該轉(zhuǎn)換器狀態(tài)的高側(cè)驅(qū)動(dòng)器)正確偏置M3柵極。獲得所需占空比的粗略估計(jì)很簡單(對降壓應(yīng)用，只需使用常規(guī)公式)，然后進(jìn)行調(diào)整以滿足容差規(guī)范。

　　在點(diǎn)2，作為20V升壓轉(zhuǎn)換器：為使轉(zhuǎn)換器用作升壓器，M3必須短路(線性區(qū))，M4必須開路(截止區(qū))。這次，M2和M1必須精調(diào)其占空比以產(chǎn)生20V輸出。通過回顧升壓和校準(zhǔn)的一般公式可得出大概值，以符合公差范圍。

　　在點(diǎn)3，作為5V后向降壓轉(zhuǎn)換器：在這種情況下，晶體管的狀態(tài)與點(diǎn)2的狀態(tài)類似。調(diào)整的唯一變量是占空比。再次，降壓的通用公式可用來獲得合理估計(jì)，然后進(jìn)行優(yōu)化，以符合公差范圍。

　　開關(guān)頻率設(shè)置為250kHz，高側(cè)和低側(cè)功率MOSFET之間的死區(qū)時(shí)間為100ns。兩個(gè)控制信號(控制1和控制2)被用來控制四個(gè)功率MOSFET的開關(guān)時(shí)間。

　　CPM模塊的內(nèi)部原理圖如下所示：

　　圖3：所示為USB Type-C電源轉(zhuǎn)換器CPM模塊的內(nèi)部原理圖(來源：Justin Spencer Mamaradlo)

　　當(dāng)被測電壓進(jìn)入“vs”引腳時(shí)，控制電壓進(jìn)入“vc”引腳。理想的電壓源Varamp采用人工斜坡(ramp)來提高穩(wěn)定性并降低失真。U1用作一個(gè)饋送到SR觸發(fā)器的比較器。最終輸出是“PWM”端子處的脈寬調(diào)制信號。

　　為了測試該USB Type-C轉(zhuǎn)換器的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)，Rload從8.9Ω(2.2A)脈動(dòng)到6.7Ω，如下圖所示。

　　圖4：通過LTSpice中PWL功能獲得的負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)。(來源：Justin Spencer Mamaradlo)

　　通過前面介紹的第三種方法可獲得類似結(jié)果。圖5提供了一種示例電路實(shí)現(xiàn)。比較器U16(LT1013)用作驅(qū)動(dòng)Q1的500Hz張弛振蕩器。這將定義轉(zhuǎn)換器輸出端電流脈沖的時(shí)序。開關(guān)波形耦合到R22，總和為由R14處的分壓器(Rtop和Rbot)決定的偏移量。U15配置為反相放大器，因此在M5的柵極前插入另一個(gè)反相放大器——U14。

　　圖5：作為動(dòng)態(tài)負(fù)載的電路如上所述，其增益可通過一對電位器進(jìn)行調(diào)節(jié)。(來源：Justin Spencer Mamaradlo)

　　針對一款以盈利為目的的品牌電子負(fù)載來說，圖5所示電路的材料清單對于業(yè)余愛好者來說無疑是種更有吸引力的選擇。零件可以方便地從當(dāng)?shù)氐碾娮悠鞑牡曩徺I。有些甚至可重復(fù)使用以前項(xiàng)目中所用的器件。因此，在測試電路設(shè)計(jì)的穩(wěn)定性時(shí)，請選擇本文介紹的方法。