浅谈零ESR滤波电容对反馈回路补偿的利弊

　　FAE博士：

　　我出于好意做了一个调整，将电压模式控制DC-DC电源中的输出滤波电容换成了零等效串联电阻（zero-ESR）。调整后，电源在负载快速变化时却变得不稳定，把我老板气坏了。是不是任何调整都得付出代价？- 心急人

　　心急人：

　　这个问题其实很简单……有一点让我常常觉得奇怪，就是人们总爱把事情变得复杂化。如果你设计的是反馈回路，那么负反馈就是你忠实的朋友，对稳定性有好处；而正反馈则会把你的放大器变成一个震荡器。反馈回路使用的是反相放大器，相移为180度。但还有一些其它的因素会影响这个180度相移，如果影响过大，就会超过你的裕度，可能将友好的负反馈变成危险的正反馈。

    电容ESR的大小跟电容的制造有关。材质不同，ESR有区别。材质相同，则容量越大，ESR越小，约跟容量的开方成反比。同一品种的电容，耐压越高，ESR往往更低。就材质而言，电解电容的ESR明显高于薄膜电容。在电解电容中，铝电解电容的ESR又高于钽电解电容。在薄膜电容中，聚丙烯、聚苯乙烯等材料的电容ESR较小。一个对比例子是，1μF聚丙烯电容的ESR为10mΩ，而容量达1000μF的铝电解电容，其ESR为0.1Ω。

　　除提到你的电源为电压模式控制外，你没给我任何有关电路的细节，但这不妨碍我回答你的问题。一个人智商很高（顺带一提，是181）有这个好处：对这类电路细节，即使你没有说清楚，我也几乎了如指掌。你使用了一个降压转换器，其输出有一个类似下图所示的LC电路：

                                                       

 

　　图1：SPICE仿真

　　假设电容的ESR为零，该LC就是一个低通滤波器，其-3db拐点频率为：

　　这是一个双极电路，因此其拐点频率以上的频响曲线斜率为-40dB/decade(12分贝/倍频程)。图1的SPICE仿真结果可看到这一点。请注意拐点频率附近的输出特征谐振“峰”(图中实线)和0到180度快速相位变化(图中虚线)。由于相位变化很快，回路很难稳定。该频率附近的任何信号都会很快变成正反馈信号。怎么了得！

　　作为经验之谈，当电路(指单极电路)处于相位滞后为90度的零增益时，频响曲线斜率为-20dB/decade (6分贝/倍频程)。那就要有办法将-40dB/decade变为-20dB/decade而不需增加任何成本。我们可用一个寄生元件来实现这样的频响…即借助电容的ESR来实现零增益时所希望的频响。

　　电阻RESR和电容CAP构成的RC电路的拐点频率为：

　　在该拐点频率以上，频响曲线的斜率从-40dB/decade变成 -20db/decade….这正是零增益时我们想要的结果。就让我们来看看，在我们感兴趣的频率范围内增加一个适当的串联ESR(100毫欧)，频响会怎样?

　　图2：增加电容ESR

　　注意：现在的相位是按90度变化，而不是180度。

　　ESR小点，毕竟ESR上的损耗意味着能量浪费。因此，人们都喜欢ESR为零的电容(包括陶瓷电容)。不过，我们还必须考虑电源回路的设计。通常，这相当于在单零点(Type-2)补偿电路上添加一个电容来构成一个双零点(Type-3)电路。如果有机会的话，我很乐意在以后再详细讨论这种双零点补偿电路。另一个简化反馈电路的方法是使用电流模式控制(这种模式允许我们将输出等效成一个电流源，并将滤波电感从反馈回路去除。不过，这不是我们今天要谈论的话题)。

　　我很乐意解决你所有的问题，甚至包括那些与技术无关的问题。

　　所以我现在就回答你的问题：是否任何调整都得付出代价？的确如此。这可是个令人无奈的事实啊。