【導讀】DC/DC的不穩定是由多種因素造成的，例如補償參數不當或布局不足。本文將主要討論次諧波振蕩，這是一種當電流模式開(kāi)關(guān)穩壓器具有連續電感電流且占空比超過(guò) 50% 時(shí)可能產(chǎn)生的不穩定形式，而這種振蕩會(huì )導致不穩定的電源。 

為了解次諧波振蕩，我們以一個(gè)采用峰值電流控制模式的降壓電路為例，看看這些振蕩如何隨時(shí)間和頻率而變化。 

時(shí)域次諧波振蕩

圖 1 顯示了一個(gè)采用峰值電流控制的降壓電路，該電路將誤差信號 (V_C) 與電感電流信號 (I_L) 進(jìn)行比較。其中V_C 為輸出電壓 (V_OUT) 減去參考電壓 (V_REF) 的差值。比較的結果將產(chǎn)生一個(gè)控制信號以驅動(dòng)上下管MOSFET。

圖1： V_C 與I_L的比較

圖 2 顯示了 V_C 與I_L 的交叉情形。藍線(xiàn)代表穩定條件下的 I_L 信號和開(kāi)關(guān)波形（SW），粉線(xiàn)則代表擾動(dòng)后的 I_L 信號和 SW 波形。波形中的?I₀ 和 ?t_ON 被定義為誤差值。從圖2可以看出，在占空比為30%時(shí)，擾動(dòng)逐漸減小，系統趨于穩定。

圖 2：占空比為30% 時(shí)相對穩定的 I_L

圖 3 顯示出，當占空比增加到 70% 時(shí)，擾動(dòng)逐漸增大，導致了系統的不穩定。

圖 3：占空比為70% 時(shí)不穩定的 I_L

從圖 2 和圖 3可以推斷，50% 的占空比為擾動(dòng)收斂和發(fā)散的邊界點(diǎn)。

邊界點(diǎn)也可以通過(guò)公式導出。在圖 4 所示的電感電流擾動(dòng)波形上，我們先定義變量，用D 代表占空比，m1 和 m2 代表電感電流的上升和下降斜率，i_c1 和i_c2 為電感電流達到 V_C 時(shí)的值。粉色虛線(xiàn)上的 ?i_L(0)和 ?i_LT(s)分別代表電感電流的起始值和結束值，而藍色實(shí)線(xiàn)上的 i_L(0)和 i_LT(s)分別代表擾動(dòng)的起始值和結束值。

圖4: 電感電流的擾動(dòng)波形

利用以上定義的變量，可以通過(guò)公式 (1) 來(lái)計算 Δi_LT：

例如，在第 n 個(gè)周期中，當D 小于一半（即占空比低于 50%）時(shí)，Δi_LT逐漸收斂為零；反之，如果占空比超過(guò) 50%，則?i_LT發(fā)散。另外，干擾可以確定為次諧波振蕩，因為該值可以為正，可以為負，與 n 相關(guān)，而且變化率恰好是開(kāi)關(guān)頻率的一半。

頻域次諧波振蕩

從頻域的角度也可以了解次諧波振蕩。根據圖 1 中采用峰值電流控制的降壓電路，可以得到圖 5的系統結構圖，由此導出由系統控制到輸出的開(kāi)環(huán)傳遞函數。

圖 5：峰值電流控制降壓電路系統中的開(kāi)環(huán)傳輸

對輸出采用開(kāi)環(huán)傳遞函數控制，輸入電壓 (V_IN) 設置為 12V，開(kāi)關(guān)頻率 (f_SW) 設置為 400kHz，占空比按照波特圖變化。圖 6 顯示出，當占空比為 50% 和 67% 時(shí)，增益曲線(xiàn)在1/2開(kāi)關(guān)頻率處有一個(gè)諧振峰值，而且相位曲線(xiàn)快速翻轉，表明發(fā)生了次諧波振蕩。這種現象會(huì )嚴重影響系統的穩定性。但是，當占空比為28%時(shí)，增益曲線(xiàn)和相位曲線(xiàn)均無(wú)異常。

圖6: G_i-v(s)函數波特圖

消除次諧波振蕩

減少次諧波振蕩的方法有多種。圖 7 顯示的峰值電流控制功能框圖采用了鋸齒波電流補償法。這種方法將鋸齒波補償信號疊加在電感電流信號上，從而使V_C 信號從恒定信號變?yōu)槊}動(dòng)斜坡信號。這個(gè)過(guò)程通常被稱(chēng)為斜坡補償技術(shù)。

圖 7：加入鋸齒波電流補償

通過(guò)比較有斜坡補償和無(wú)斜坡補償時(shí)的情況，可以展示斜坡補償技術(shù)的抑制效果，如圖 8所示。 

圖 8：鋸齒波電流補償的抑制效果

斜坡補償技術(shù)也可以通過(guò)數學(xué)推導和頻域進(jìn)行分析。

斜坡補償技術(shù)的缺點(diǎn)

斜坡補償雖然可以抑制次諧波振蕩，但它也有缺點(diǎn)，在電源設計過(guò)程中需要考慮到，例如：

1.由于增加了斜坡補償，芯片的限流值將隨占空比的增加而逐漸減小

2.過(guò)大的斜坡補償會(huì )影響系統的動(dòng)態(tài)性能

以MPQ4420A為例，這是一款內置功率 MOSFET 的高效同步降壓變換器。從圖 9可以看出，其占空比越大，限流點(diǎn)越小。 

圖9: MPQ4420A限流點(diǎn)與占空比的關(guān)系

圖 10 顯示了帶斜坡補償的 G_i-v(s)函數，其中 Mc 是斜坡補償系數。補償系數越大，系統帶寬越小，系統動(dòng)態(tài)響應就越慢。

圖 10：帶斜坡補償的 G_i-v(s)波特圖

結論

上文表明，控制次諧波振蕩以維持開(kāi)關(guān)電源的穩定性至關(guān)重要。在文章中，我們討論了如何通過(guò)時(shí)域和頻域來(lái)識別次諧波振蕩，還介紹了通過(guò)斜坡補償來(lái)減少次諧波振蕩的方法，當然它也有一些負面影響

MPS 的隔離式 DC/DC 電源模塊等產(chǎn)品可以提供領(lǐng)先的電源解決方案，保證DC/DC 的穩定性。 

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