了解电源环路稳定性和环路补偿 ——第3部分：简单三步完成环路设计
出处：网络整理 发布于：2026-06-10 14:49:58 | 29 次阅读
在现代电子系统中，开关模式电源凭借高效率和高功率密度的优势，应用极为广泛。然而，对于经验不足的系统工程师而言，电源环路补偿设计优化却是一项既重要又具挑战性的任务。本文是系列文章的第三部分，聚焦于一种用于电流模式控制开关电源的简单环路补偿设计方法，此控制架构在电源管理解决方案中应用广泛，ADI 公司的众多电源产品也采用了该架构。
开关模式电源的电流模式控制架构包含内部电流检测环路和外部输出电压调节环路。以常用电流模式控制降压转换器为例，其内部电流检测环路会强制电感电流跟随 ITH 节点处的补偿网络输出电压，使得电感在概念上变为由电压环路误差放大器输出 VITH 控制的电流源。在低于电流环路带宽的较低频率下，包括电流环路在内的降压转换器功率级表现为单极点系统，因此，简单的 2 型补偿网络就足以优化电源环路稳定性和瞬态性能。
优化的电源环路设计需要兼顾高环路带宽以实现快速瞬态响应，同时保持足够的稳定性裕量，还需衰减反馈环路中的开关噪声，减少开关波形抖动。具体目标如下：
环路带宽 (fBW)：为实现快速瞬态响应，环路带宽越高越好，但实际受开关频率 (fSW) 限制，通常最大带宽设置为 fSW 的 1/10 或 1/5。
相位裕量：一般要求大于 45°，建议大于 60°。
增益裕量：环路相位为–180° 处的增益衰减至少应为 8 dB 至 10 dB。
开关噪声衰减裕量：电流模式控制开关电源需衰减反馈环路中的开关噪声，fSW/2 处的衰减最好大于 8 dB。
接下来，深入了解 2 型补偿网络。它由一个典型跨导误差放大器（增益为 gm）、放大器寄生输出电阻 R0 以及包含 RTH、CTH 和 CTHP 的补偿网络组成。这三个关键的 ITH 引脚 R/C 元件用于调整补偿增益 A (s)，从而影响电源环路增益带宽、稳定性裕量和瞬态响应性能。不同频率范围下，ZITH 阻抗幅度由不同的 R 或 C 元件决定：
范围 1：从直流到低频极点 fP1，所有电容视为高阻抗开路，ZITH 幅度由误差放大器寄生输出电阻 RO 决定，误差放大器表现为平坦的高直流增益。
范围 2：频率增加，CTH 电容阻抗下降，在 fP1 之后，CTH 阻抗决定总 ZITH 阻抗。
范围 3：CTH 阻抗幅度接近 RTH 值，RTH 主导总 ZITH 值并使其保持平坦，目标电源环路带宽 fBW 通常设置在此范围内。
范围 4：频率进一步增加，CTHP 阻抗下降并与 RTH 值相当，ZITH 幅度由 CTHP 阻抗决定，此高频极点应位于电源开关频率 fSW 以下以衰减开关噪声。
各补偿元件对环路增益和瞬态响应的影响如下：
补偿电阻 RTH：电源环路带宽 fBW 通常位于频率范围 3 内，RTH 值直接决定 fBW。增加 RTH 值可提高补偿增益 A (s)，进而提高环路带宽，降低负载瞬变期间电源 VOUT 的下冲和过冲幅度。
补偿电容 CTH：CTH 主要影响频率范围 2 中的环路增益。减小 CTH 值会提高该范围内的增益，虽对负载瞬态期间的 VOUT 下冲和过冲幅度影响较小，但有助于缩短瞬态建立时间。
补偿电容 CTHP：CTHP 通常采用高频、低 ESR、低 ESL 电容，用于衰减反馈环路中的高频噪声。增加 CTHP 可降低较高频率下的电源环路增益，衰减高频噪声。
在了解 ZITH 网络后，可通过简单三步完成 2 型补偿设计：
第 1 步：设置目标环路带宽的 RTH 值
理论上，可根据公式计算 RTH 值。实际中，若不方便估算 GCV 值，可使用 ADI 公司的 LTpowerCAD 程序。在该程序的环路设计页面，预设一个非常大的 CTH 值，从较小的 RTH 开始逐渐增加，直至达到目标环路带宽，同时确保相位裕量大于 60°。若裕量不足，可减小 RTH 值。若不使用 LTpowerCAD，也可借助波特图测量设备完成此步骤。
第 2 步：设置 CTHP 值以衰减噪声
使用 LTpowerCAD 工具或波特图测量，将 CTHP 从 0 开始增加，直到 fSW/2 处的环路增益低于 - 8 dB，同时保证电源增益裕量在 8 dB 至 10 dB。
第 3 步：设置 CTH 值以实现快速瞬态建立时间
减小预设的高 CTH 值，直到电源的相位裕量开始明显下降，此时 fZ1 接近环路带宽。要注意保持 45° 至 60° 的相位裕量，以在缩短负载瞬态建立时间的同时，保证电源的稳定性。
（可选）第 4 步：通过电阻分压器电容获得进一步提高相位
若调整 CTH、CTHP 和 RTH 仍无法实现所需的环路带宽和稳定裕量，可添加前馈电容 CFF 和滤波电容 CFLT 来调整电阻分压器网络，借助 CFF 提升目标环路带宽周围的相位。此操作可在 LTpowerCAD 环路补偿页面通过打开 Feedback 选项卡完成。
为进一步简化环路设计工作，ADI 公司的 LTpowerCAD 程序基于上述三步方法，提供了一键式自动环路补偿设计功能。用户只需设置目标环路带宽（通常在开关频率的 1/10 到 1/5 范围内），点击 “Use Suggested Compensation” 复选框，程序就会提供一组 RTH、CTH 和 CTHP 值，以实现目标环路带宽和良好的相位裕量。若无法实现目标，用户可自行降低目标环路带宽频率。若希望手动设计和微调环路与负载瞬态性能，可取消选中该复选框禁用该功能。
综上所述，对于采用常见电流模式控制架构的开关电源，使用本文介绍的简单三步方法能够轻松完成环路补偿设计和优化，而 LTpowerCAD 设计工具的一键式自动环路设计功能更是大大简化了设计和优化过程。
原文图片插入
图 1. 峰值电流模式降压转换器框图，包含内部电流环路、外部电压调节环路和 ITH 引脚上的 2 型补偿网络。
图 2. 电源环路增益示意图。
图 3.2 型补偿网络及其增益 A (s)。
图 4.ZITH (s)（包括 RO）幅度随频率变化的概念波特图 (CTH>>CTHP)。
图 5. 增加 RTH 会提高 fZ1 和 fP2 之间的补偿增益 A (s)。
图 6. 增加 RTH 会提高电源环路带宽，从而降低负载瞬变期间的 VOUT 下冲和过冲。
图 7. 减小 CTH 会提高 fZ1 和 fP1 之间的频率范围 2 中的补偿增益 A (s)。
图 8. 减小 CTH 会提高较低频率下的电源环路增益，因此会缩短负载瞬变期间的 VOUT 建立时间，而不会影响 VOUT 下冲 / 过冲尖峰。
图 9. 在较高频率下，CTHP 能够衰减增益和噪声。
图 10. 适当设计的 CTHP 值可以衰减高频环路增益，而对电源瞬态响应的影响非常小。
图 11. 环路设计第 1 步：预设一个较大的 CTH 值，然后从小到大增加 RTH，直至达到目标电源带宽。
图 12. 环路设计第 2 步：CTHP 从 0 开始增加，直到在 fSW/2 处实现 8 dB 的环路增益衰减。
图 13. 环路设计第 3 步：减小 CTH 值以缩短瞬态时间，直到电源相位裕量开始下降至所需的 60° 值。
图 14. 可选的额外步骤：使用反馈电阻分压器网络调整相位提升：(a) 最优设计；(b) 相位提升频率太低；(c) 相位提升频率太高。
图 15. 使用 ADI LTpowerCAD 设计工具中的 “Use Suggested Compensation” 选项，一键完成自动环路补偿设计。
开关模式电源的电流模式控制架构包含内部电流检测环路和外部输出电压调节环路。以常用电流模式控制降压转换器为例，其内部电流检测环路会强制电感电流跟随 ITH 节点处的补偿网络输出电压，使得电感在概念上变为由电压环路误差放大器输出 VITH 控制的电流源。在低于电流环路带宽的较低频率下，包括电流环路在内的降压转换器功率级表现为单极点系统，因此，简单的 2 型补偿网络就足以优化电源环路稳定性和瞬态性能。
优化的电源环路设计需要兼顾高环路带宽以实现快速瞬态响应，同时保持足够的稳定性裕量，还需衰减反馈环路中的开关噪声，减少开关波形抖动。具体目标如下：
环路带宽 (fBW)：为实现快速瞬态响应，环路带宽越高越好，但实际受开关频率 (fSW) 限制，通常最大带宽设置为 fSW 的 1/10 或 1/5。
相位裕量：一般要求大于 45°，建议大于 60°。
增益裕量：环路相位为–180° 处的增益衰减至少应为 8 dB 至 10 dB。
开关噪声衰减裕量：电流模式控制开关电源需衰减反馈环路中的开关噪声，fSW/2 处的衰减最好大于 8 dB。
接下来，深入了解 2 型补偿网络。它由一个典型跨导误差放大器（增益为 gm）、放大器寄生输出电阻 R0 以及包含 RTH、CTH 和 CTHP 的补偿网络组成。这三个关键的 ITH 引脚 R/C 元件用于调整补偿增益 A (s)，从而影响电源环路增益带宽、稳定性裕量和瞬态响应性能。不同频率范围下，ZITH 阻抗幅度由不同的 R 或 C 元件决定：
范围 1：从直流到低频极点 fP1，所有电容视为高阻抗开路，ZITH 幅度由误差放大器寄生输出电阻 RO 决定，误差放大器表现为平坦的高直流增益。
范围 2：频率增加，CTH 电容阻抗下降，在 fP1 之后，CTH 阻抗决定总 ZITH 阻抗。
范围 3：CTH 阻抗幅度接近 RTH 值，RTH 主导总 ZITH 值并使其保持平坦，目标电源环路带宽 fBW 通常设置在此范围内。
范围 4：频率进一步增加，CTHP 阻抗下降并与 RTH 值相当，ZITH 幅度由 CTHP 阻抗决定，此高频极点应位于电源开关频率 fSW 以下以衰减开关噪声。
各补偿元件对环路增益和瞬态响应的影响如下：
补偿电阻 RTH：电源环路带宽 fBW 通常位于频率范围 3 内，RTH 值直接决定 fBW。增加 RTH 值可提高补偿增益 A (s)，进而提高环路带宽，降低负载瞬变期间电源 VOUT 的下冲和过冲幅度。
补偿电容 CTH：CTH 主要影响频率范围 2 中的环路增益。减小 CTH 值会提高该范围内的增益，虽对负载瞬态期间的 VOUT 下冲和过冲幅度影响较小，但有助于缩短瞬态建立时间。
补偿电容 CTHP：CTHP 通常采用高频、低 ESR、低 ESL 电容，用于衰减反馈环路中的高频噪声。增加 CTHP 可降低较高频率下的电源环路增益，衰减高频噪声。
在了解 ZITH 网络后，可通过简单三步完成 2 型补偿设计：
第 1 步：设置目标环路带宽的 RTH 值
理论上，可根据公式计算 RTH 值。实际中，若不方便估算 GCV 值，可使用 ADI 公司的 LTpowerCAD 程序。在该程序的环路设计页面，预设一个非常大的 CTH 值，从较小的 RTH 开始逐渐增加，直至达到目标环路带宽，同时确保相位裕量大于 60°。若裕量不足，可减小 RTH 值。若不使用 LTpowerCAD，也可借助波特图测量设备完成此步骤。
第 2 步：设置 CTHP 值以衰减噪声
使用 LTpowerCAD 工具或波特图测量，将 CTHP 从 0 开始增加，直到 fSW/2 处的环路增益低于 - 8 dB，同时保证电源增益裕量在 8 dB 至 10 dB。
第 3 步：设置 CTH 值以实现快速瞬态建立时间
减小预设的高 CTH 值，直到电源的相位裕量开始明显下降，此时 fZ1 接近环路带宽。要注意保持 45° 至 60° 的相位裕量，以在缩短负载瞬态建立时间的同时，保证电源的稳定性。
（可选）第 4 步：通过电阻分压器电容获得进一步提高相位
若调整 CTH、CTHP 和 RTH 仍无法实现所需的环路带宽和稳定裕量，可添加前馈电容 CFF 和滤波电容 CFLT 来调整电阻分压器网络，借助 CFF 提升目标环路带宽周围的相位。此操作可在 LTpowerCAD 环路补偿页面通过打开 Feedback 选项卡完成。
为进一步简化环路设计工作，ADI 公司的 LTpowerCAD 程序基于上述三步方法，提供了一键式自动环路补偿设计功能。用户只需设置目标环路带宽（通常在开关频率的 1/10 到 1/5 范围内），点击 “Use Suggested Compensation” 复选框，程序就会提供一组 RTH、CTH 和 CTHP 值，以实现目标环路带宽和良好的相位裕量。若无法实现目标，用户可自行降低目标环路带宽频率。若希望手动设计和微调环路与负载瞬态性能，可取消选中该复选框禁用该功能。
综上所述，对于采用常见电流模式控制架构的开关电源，使用本文介绍的简单三步方法能够轻松完成环路补偿设计和优化，而 LTpowerCAD 设计工具的一键式自动环路设计功能更是大大简化了设计和优化过程。
原文图片插入
图 1. 峰值电流模式降压转换器框图，包含内部电流环路、外部电压调节环路和 ITH 引脚上的 2 型补偿网络。 图 2. 电源环路增益示意图。 图 3.2 型补偿网络及其增益 A (s)。 图 4.ZITH (s)（包括 RO）幅度随频率变化的概念波特图 (CTH>>CTHP)。 图 5. 增加 RTH 会提高 fZ1 和 fP2 之间的补偿增益 A (s)。 图 6. 增加 RTH 会提高电源环路带宽，从而降低负载瞬变期间的 VOUT 下冲和过冲。图 7. 减小 CTH 会提高 fZ1 和 fP1 之间的频率范围 2 中的补偿增益 A (s)。
图 8. 减小 CTH 会提高较低频率下的电源环路增益，因此会缩短负载瞬变期间的 VOUT 建立时间，而不会影响 VOUT 下冲 / 过冲尖峰。 图 9. 在较高频率下，CTHP 能够衰减增益和噪声。 图 10. 适当设计的 CTHP 值可以衰减高频环路增益，而对电源瞬态响应的影响非常小。 图 11. 环路设计第 1 步：预设一个较大的 CTH 值，然后从小到大增加 RTH，直至达到目标电源带宽。 图 12. 环路设计第 2 步：CTHP 从 0 开始增加，直到在 fSW/2 处实现 8 dB 的环路增益衰减。 图 13. 环路设计第 3 步：减小 CTH 值以缩短瞬态时间，直到电源相位裕量开始下降至所需的 60° 值。图 14. 可选的额外步骤：使用反馈电阻分压器网络调整相位提升：(a) 最优设计；(b) 相位提升频率太低；(c) 相位提升频率太高。
图 15. 使用 ADI LTpowerCAD 设计工具中的 “Use Suggested Compensation” 选项，一键完成自动环路补偿设计。
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