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【摘 要】推导了一个提前预防RegulatorIC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RegulatorIC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RegulatorIC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；RegulatorIC；ACRipple；Phasemargin；Gainmargin；UGF
1.引言
Regulator,即电压调节器,一般作为降压元件,分为LinearRegulator和SwitchingRegulator两种.RegulatorIC即调节器集成电路也叫稳压集成电路.如果在RegulatorIC电路引入了ACRipple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RegulatorIC的共振问题.
2.什么是共振
图2-1StableSystem
图2-2UnstableSystem
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ACRipple干扰的话,NegativeFeedback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NegativeFeedback相位刚好相反（即Phase-180°shift）.
如图2-2所示,ACRipple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PhaseShift360°）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ACRipple周期的变动频率不同,发生共振的可能性也不同.当ACRipple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RegulatorIC的PhaseMargin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/PCBPattern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,PhaseMargin与GainMargin不同时,是否出现共振.
图5-1不同频率干扰与相位比较
图5-2UGF与不稳定区域
图5-3GainMargin与PhaseMargin
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ACRipple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BodePlot：X轴心Logscale的频率减小,Y轴心①输入/输出大小比例出现Logscale的Gain和②出现位相差Phase.用2个推导表达：LoopGain等于20*log（Vac_out/Vac_in）；LoopPhase等于∠Vac_in-∠Vac_out.
如图5-2,Gain大小为0bB的频率叫UGF（UnityGainFrequency）.UGF具有重要意义：Loopsystem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.
PhasePlot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Loopsystem衰减反应.所以充分衰减一般-20db以下可以叫Stable.
Phase0°附近Gain0dB附近以上的时候LoopSystem是Unstable的,发生共振.即Phase0°附近的时候Gain0dB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GainMargin,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Gain0dB时Phase的大小叫GainMargin,PhaseMargin越大越Stable.控制理论最小45°以上确保.
Gain&PhaseMargin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RegulatorIC不会出现共振问题.
6.结论
故针对RegulatorIC输出电压的共振问题,只要保证以下条件即能提前预防：
（1）Phasemargin：45°以上.
（2）Gainmargin：10dB以上.
（3）UnityGainFrequency交换频率的1/5以下.