關注“電源先生”，解析開關電源

在 開關電源設計中，環路補償如同汽車的懸掛系統——調校得當才能保證系統穩定運行。BUCK轉換器的穩定性直接決定了輸出是否紋波小、響應快、抗干擾強，而環路補償是實現穩定性的關鍵環節。通過合理的環路補償設計，可以有效避免系統振蕩，提高電源的可靠性和性能。 

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/ 系統穩定性設計的工程哲學 /

開關電源的閉環控制本質上是動態平衡的藝術。

功率級電路作為能量傳輸的“高速公路”，其LC濾波器形成的二階系統具有天然的相位滯后特性，圖 4.5所示。這種相位滯后會導致系統在高頻段出現振蕩，影響穩定性 。

控制環路則扮演著“智能交通系統”的角色，既要保證能量傳輸的快速響應，又要維持系統的動態平衡。這種矛盾統一的關系，使得環路補償設計成為連接功率硬件與控制算法的關鍵橋梁。

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/ 為什么需要環路補償？ /

參考[ 如何學習開關電源？從“大”到“小”學習開關電源... ]，我們將開關電源分為“大”功率傳輸和“小”環路控制。

BUCK電路本質上是一個閉環系統，也包含功率級（開關管、電感、電容）和環路控制 。由于電路中存在電感和電容等儲能元件，系統的頻率響應會存在極點和零點，可能導致相位裕度不足，引發振蕩。

補償電路的作用就是，通過調整反饋環路的增益和相位特性，使系統在目標頻率（交越頻率）處具備足夠的相位裕度（通常>45°），從而確保穩定性。

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/ 環路補償的設計流程 /

3.1. 確認系統參數：設計前的“體檢報告”

在開始環路補償設計之前，需要確認系統參數。這包括輸入電壓范圍、輸出電壓、開關頻率、電感和電容參數等，這些參數將直接影響環路補償的設計。

3.2. 分析功率級特性：找到電路的“敏感點”

BUCK電路功率級（具體來說是LC濾波器）會自帶“LC雙極點”和“ESR零點”，這就是會導致系統不穩定的“敏感頻率點”。

參考圖 4.5，BUCK電路“被控對象”的傳遞函數，如下所示：

極點頻率和零點頻率：

ω_LC 就是“LC濾波器”產生的雙極點（共軛極點），ω_ESR 就是輸出電容ESR產生的高頻零點。

LC濾波器的頻率響應特性，如圖 4.12所示：

3.3. 選擇交越頻率：速度與穩定的“黃金分割”

交越頻率（F0）是開關電源控制環路中增益曲線首次穿越0dB線的頻率點，相當于環路的“有效帶寬”。它決定了電源系統對負載變化的響應速度，同時直接影響穩定性，是環路設計的核心指標之一。一般來說，交越頻率的選擇應滿足以下條件：

交越頻率應低于開關頻率的1/5，以避免開關噪聲的影響。

交越頻率應高于LC濾波器的諧振頻率，以確保系統穩定性。

3.4. 選擇補償器類型：針對“敏感點”的“殺手锏”

Type II，提供1個零點用于抵消LC雙極點中的一個，提供1個極點用于濾波 

Type III，提供2個零點用于抵消LC雙極點，提供2個極點用于降噪

3.5. 參數計算與驗證：對“癥”下“藥”

步驟1：計算零點FZ1、FZ2補償LC雙極點相位滯后

步驟2：極點FP2抵消FESR，FP3抑制高頻噪聲

步驟3：代入公式計算R、C值，優先選標準件

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/ 避坑指南：這些錯誤千萬別犯！ /

忽略ESR變化：陶瓷電容ESR隨溫度/電壓變化，需留20%余量，以確保系統在不同工作條件下的穩定性。

帶寬過高：交越頻率F0過高（超過開關頻率的1/5）可能導致系統振蕩，影響穩定性。設計時應合理選擇交越頻率在1/10到1/5的開關頻率范圍內。

盲目堆電容：過多電容降低LC雙極點頻率FLC，需重新設計補償網絡。

忽略布局：補償網絡應遠離開關節點，避免噪聲耦合。合理的PCB布局對環路穩定性至關重要。

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/ 總結：“環路設計=醫生開藥方” /

環路設計可以類比為醫生開藥方：

診斷（參數測量或理論計算）→ 開藥（補償器選型）→ 復查（波特圖驗證）→ 沒問題，結束；有問題，繼續修復，直到系統穩定。

工具推薦

LTspice仿真：用于模擬和驗證環路補償設計。

廠商設計工具（如IR的SupIRBuck工具鏈）：提供自動化設計和優化功能。

關鍵點提示

相位裕量：應大于45°，以確保系統穩定性。

增益裕量：應大于10dB，以確保系統在不同工作條件下的穩定性。

交越頻率：應選擇在開關頻率的1/5以下，以避免開關噪聲的影響。

一句話記牢：相位裕量>45°，斜率-20dB/Dec過零點，閉環穩如泰山！