論預防Regulator IC的共振問題

【摘要】推導了一個提前預防Regulator IC共振問題的條件，滿足該條件就不會出現共振。在數字電子電路中，經常使用Regulator IC來轉換電壓，但因輸出噪聲疊加易發生共振，使得輸出電壓不穩定，引起IC誤動作等一系列問題。故檢討Regulator IC的輸入輸出電壓的相位、增益與頻率，提前預防可能出現的共振，以改善電路，降低成本。

【關鍵詞】共振；Regulator IC；AC Ripple；Phase margin；Gain margin；UGF

1.引言

Regulator，即電壓調節器，一般作為降壓元件，分為Linear Regulator和Switching Regulator兩種。Regulator IC即調節器集成電路也叫穩壓集成電路。如果在Regulator IC外圍電路引入了AC Ripple干擾的話，容易因干擾紋波疊加在輸出端，造成共振。在這里，我們專門探討提前預防Regulator IC的共振問題。

2.什么是共振

圖2-1 Stable System

圖2-2 Unstable System

共振的定義：當策動力的頻率跟物體的固有頻率相等的時候，受迫振動的振幅最大，這種現象叫做共振。當外加電源的頻率恰好等于電路的固有頻率時，電路發生共振，也稱為諧振。

如圖2-1所示，Loop電路發生AC Ripple干擾的話，Negative Feedback輸出相反的干擾信號，與輸入干擾信號抵消，使電路輸出穩定。此Loop的相位與Negative Feedback相位剛好相反（即Phase-180°shift）。

如圖2-2所示，AC Ripple的頻率因為相位延遲，Delay-180°，使輸入與輸出同相位的干擾信號，（即Phase Shift 360°）電路輸出就不穩定了，Ripple得到更大的振幅，即共振。

3.共振的原因

輸入的AC Ripple周期的變動頻率不同，發生共振的可能性也不同。當AC Ripple干擾信號輸入、輸出同相位時，干擾信號疊加，振幅最大，發生共振。所以共振的原因就是Regulator IC的Phase Margin不足。

4.共振的危害

電路共振的危害有很多，例如，輸出電壓持續共振易因電壓波動較大導致IC誤動作；Transistor/Coil/PCB Pattern因共振電流出現噪音，影響性能；還有因共振導致輸出電壓穩定的時間延長等等。

5.如何預防共振

我們以最常見的一個電源穩壓控制電路為例，檢討不同的干擾頻率下，Phase Margin與Gain Margin不同時，是否出現共振。

圖5-1 不同頻率干擾與相位比較

圖5-2 UGF與不穩定區域

圖5-3 Gain Margin與Phase Margin

從圖5-1可以看出為了預測共振，我們輸入很多不同頻率的AC Ripple信號，通過觀察輸出結果，看是否出現電路共振。頻率與增益或相位的表現方法Bode Plot：X軸心Log scale的頻率減小，Y軸心①輸入/輸出大小比例出現Log scale的Gain和②出現位相差Phase。用2個推導表達：Loop Gain=20*log（Vac_out/Vac_in）；Loop Phase=∠Vac_in-∠Vac_out。

如圖5-2，Gain大小為0bB的頻率叫UGF（Unity Gain Frequency）。UGF具有重要意義：Loop system到UGF為止的頻率反映輸出增幅，所以UGF又叫做頻帶寬度，Bandwidth。此Bandwidth越寬，系統越穩定。一般設計Bandwidth是Switching頻率的1/5以下。

Phase Plot根據頻率不同輸入輸出出現相位差，像前面說明的Phase與0°很近的話Unstable，有可能共振。Phase離0°越遠就越Stable。但Phase0°附近UGF以上的頻率Loop system衰減反應。所以充分衰減一般-20db以下可以叫Stable。

Phase0°附近Gain 0dB附近以上的時候Loop System是Unstable的，發生共振。即Phase0°附近的時候Gain 0dB以上的話2個條件不能同時滿足的話，電路不會發生共振，是stable。

如圖5-3，Phase0°附近Gain為負數的話表明充分衰減，輸出stable。接近Phase0°的時候Gain的大小叫Gain Margin，GainMargin越大越Stable。控制理論最小10bB以上確保。

如圖5-3，Gain在0dB以上時Phase離0°很遠的話，輸出stable。接近Gain 0dB時Phase的大小叫Gain Margin，Phase Margin越大越Stable。控制理論最小45°以上確保。

Gain Phase Margin滿足Unstable時不一定發生共振。但是Unstable的話外部變化穩定化的時間會比較長，Inductor/Trans類有噪音的話，輸出電壓波形變形，共振出現。

實際在三星組合音響MX-F630等產品上檢討過，滿足以上條件的Regulator IC不會出現共振問題。

6.結論

故針對Regulator IC輸出電壓的共振問題，只要保證以下條件即能提前預防：

（1）Phase margin：45°以上。

（2）Gain margin：10dB以上。

（3）Unity Gain Frequency交換頻率的1/5以下。

參考文獻

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作者簡介：馮慶秋（1983—），女，現供職于惠州三星電子有限公司數碼研究所，主要從事壓力測試及EMC測試工作。