【论预防Regulator,IC的共振问题】 预防大桥共振

  【摘要】推导了一个提前预防Regulator IC共振问题的条件,满足该条件就不会出现共振。在数字电子电路中,经常使用Regulator IC来转换电压,但因输出噪声叠加易发生共振,使得输出电压不稳定,引起IC误动作等一系列问题。故检讨Regulator IC的输入输出电压的相位、增益与频率,提前预防可能出现的共振,以改善电路,降低成本。
  【关键词】共振;Regulator IC;AC Ripple;Phase margin;Gain margin;UGF
  1.引言
  Regulator,即电压调节器,一般作为降压元件,分为Linear Regulator和Switching Regulator两种。Regulator IC即调节器集成电路也叫稳压集成电路。如果在Regulator IC外围电路引入了AC Ripple干扰的话,容易因干扰纹波叠加在输出端,造成共振。在这里,我们专门探讨提前预防Regulator IC的共振问题。
  2.什么是共振
  图2-1 Stable System
  图2-2 Unstable System
  共振的定义:当策动力的频率跟物体的固有频率相等的时候,受迫振动的振幅最大,这种现象叫做共振。当外加电源的频率恰好等于电路的固有频率时,电路发生共振,也称为谐振。
  如图2-1所示,Loop电路发生AC Ripple干扰的话,Negative Feedback输出相反的干扰信号,与输入干扰信号抵消,使电路输出稳定。此Loop的相位与Negative Feedback相位刚好相反(即Phase-180°shift)。
  如图2-2所示,AC Ripple的频率因为相位延迟,Delay-180°,使输入与输出同相位的干扰信号,(即Phase Shift 360°)电路输出就不稳定了,Ripple得到更大的振幅,即共振。
  3.共振的原因
  输入的AC Ripple周期的变动频率不同,发生共振的可能性也不同。当AC Ripple干扰信号输入、输出同相位时,干扰信号叠加,振幅最大,发生共振。所以共振的原因就是Regulator IC的Phase Margin不足。
  4.共振的危害
  电路共振的危害有很多,例如,输出电压持续共振易因电压波动较大导致IC误动作;Transistor/Coil/PCB Pattern因共振电流出现噪音,影响性能;还有因共振导致输出电压稳定的时间延长等等。
  5.如何预防共振
  我们以最常见的一个电源稳压控制电路为例,检讨不同的干扰频率下,Phase Margin与Gain Margin不同时,是否出现共振。
  图5-1 不同频率干扰与相位比较
  图5-2 UGF与不稳定区域
  图5-3 Gain Margin与Phase Margin
  从图5-1可以看出为了预测共振,我们输入很多不同频率的AC Ripple信号,通过观察输出结果,看是否出现电路共振。频率与增益或相位的表现方法Bode Plot:X轴心Log scale的频率减小,Y轴心①输入/输出大小比例出现Log scale的Gain和②出现位相差Phase。用2个推导表达:Loop Gain=20*log(Vac_out/Vac_in);Loop Phase=∠Vac_in-∠Vac_out。
  如图5-2,Gain大小为0bB的频率叫UGF(Unity Gain Frequency)。UGF具有重要意义:Loop system到UGF为止的频率反映输出增幅,所以UGF又叫做频带宽度,Bandwidth。此Bandwidth越宽,系统越稳定。一般设计Bandwidth是Switching频率的1/5以下。
  Phase Plot根据频率不同输入输出出现相位差,像前面说明的Phase与0°很近的话Unstable,有可能共振。Phase离0°越远就越Stable。但Phase0°附近UGF以上的频率Loop system衰减反应。所以充分衰减一般-20db以下可以叫Stable。
  Phase0°附近Gain 0dB附近以上的时候Loop System是Unstable的,发生共振。即Phase0°附近的时候Gain 0dB以上的话2个条件不能同时满足的话,电路不会发生共振,是stable。
  如图5-3,Phase0°附近Gain为负数的话表明充分衰减,输出stable。接近Phase0°的时候Gain的大小叫Gain Margin,GainMargin越大越Stable。控制理论最小10bB以上确保。
  如图5-3,Gain在0dB以上时Phase离0°很远的话,输出stable。接近Gain 0dB时Phase的大小叫Gain Margin,Phase Margin越大越Stable。控制理论最小45°以上确保。
  Gain & Phase Margin满足Unstable时不一定发生共振。但是Unstable的话外部变化稳定化的时间会比较长,Inductor/Trans类有噪音的话,输出电压波形变形,共振出现。
  实际在三星组合音响MX-F630等产品上检讨过,满足以上条件的Regulator IC不会出现共振问题。
  6.结论
  故针对Regulator IC输出电压的共振问题,只要保证以下条件即能提前预防:
  (1)Phase margin:45°以上。
  (2)Gain margin:10dB以上。
  (3)Unity Gain Frequency交换频率的1/5以下。
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  作者简介:冯庆秋(1983—),女,现供职于惠州三星电子有限公司数码研究所,主要从事压力测试及EMC测试工作