其中一項挑戰是控制迴路。若要處理更高的負載動態（load dynamics），並善用更小的元件的優勢，就需要更快速的控制迴路。對於過去較慢的切換頻率來說，3kHz的範圍已經夠好了，但當切換頻率增加到 200kHz 以上，設計人員就會需要在比3kHz範圍還大很多的頻率下交越0dB增益點。對於最不理想的線路及負載條件，200kHz 供應的上限（根據可接受的理論值）為 40kHz。

以此相對較高的頻率交越0dB增益，可讓設計人員使用較小的輸出電容，即使較高動態負載出現變化也是如此。這是因為當增益交越（gain crossover）提高，轉換器的回應會加快，而且輸出電容不需要在負載暫態期間長時間保持電壓。控制電路會調整傳輸功率，以補償及控制輸出電壓，而且不需要仰賴輸出電容來對負載或線路暫態進行控制。此外，磁性元件因為切換頻率增加而縮小，因此節省更多的空間。

當然，其中也有一些缺點。使用傳統的電路時，切換耗損會增加，不過，設計更精良的元件已大幅減少切換耗損。

使用準諧振拓樸，例如含控制器的相移全橋式拓樸，有助於減少切換耗損。在許多設計中，二次側的同步切換所產生的效用相當顯著。

磁性元件、開關及輸出電容都會以頻率函數關係來影響控制對輸出的增益。反餽控制有其本身的挑戰，而且反餽電路的寄生電容是更為重要的因素。

在這些較高的頻率下，寄生電容成為一大問題。進行低頻率切換時，0dB交越約在5kHz或5kHz以下的頻率附近，而反餽迴路中的寄生電容主要與配置有關。然而，當您進行30kHz交越設計時，會有其他因素造成問題，其中一項因素便是本文的主題。

最近筆者在一個轉換器上遭遇到這個特殊的問題，這個轉換器以400kHz運作，並且採用一次側使用控制 IC和二次側感應輸出的相移設計。

設計人員當初使用光耦合器來跨越一次側對二次側的隔離阻障，一開始似乎一切都已經考慮周詳，不過，迴路因為某種原因而變得不穩定，而且在維持DC設定點時，輸出發生低程度的振盪。

當然設計人員檢查過計算過程，但是沒有發現任何明顯的因素。然後，設計人員將轉換器設定為在出現AC鏈波的DC狀態下保持穩定，並且開始探究電路。

經過一段長時間的努力，發現雖然二次側的錯誤放大器確實重現了出現在轉換器輸出端的漣波，並具有正確的180度相位變化，但來自光耦合器的訊號卻比頻率約為 35 kHz 的預期相位偏移了大約 45度。這足以移除交越的相位容限（phase margin），而導致所觀測到的振盪。圖一顯示這三個波形。

《圖一　顯示透過光耦合器的相移》 - BigPic:999x688

光耦合器資料表未提及此一相移，但發現如此的效應使得設計人員想起光耦合器會在較高頻率的情況下產生極點。在查閱不同光耦合器的資料表後，並未發現其中提及因為頻率作用所造成的相移。於是進行了進一步調查，並製作一個測試電路來檢查整個光耦合器之中增益與相位的關係。圖二顯示此電路，其中使用網路分析儀來測量資料。

《圖二　用來獲得透過受測光耦合器的增益與相位的測試電路》 - BigPic:799x447

設計人員使用圖二顯示的電路進行第一次測試，然後針對通過電阻器時所產生的相位和增益，繪製出相關於頻率的變化圖。圖三為測試的結果，而此測試在可調變的DC電源端使用的是4.3伏特的電壓。設計人員使用跨越R1和R2的電壓來建立這些相移。

《圖三　光耦合器受測迴路的相位和增益相關於頻率的關係圖》 - BigPic:971x678

當相移45度且增益下降3dB時，極點的頻率約為35kHz，這便解釋了之前觀測到的現象。這個耦合器在我們關心的頻率之外，也出現其他複雜的極點與零點，不過與此分析沒有關聯，於是不加理會。

設計人員將測試電路的DC電壓增加到11V，並且重複測量類似的結果。極點並未隨著光耦合器的增大電流而明顯變化。

《圖四　光耦合器較高電流的相位/增益測試》 - BigPic:971x678

接著設計人員嘗試在4kΩ電阻加上1.2nF電容，以補償極點。設計人員依序在兩個電流量重複相同的測試，而這在35kHz產生零點，有助於補償光耦合器的極點。

《圖五　在35kHz增加零點的結果》 - BigPic:971x678

在這兩種情況下，這作法都能有效地移動相移，當頻率超過100kHz時，它會跨越135度的相移點，並在超過200kHz時，其增益會維持在大於3dB以上。

然後設計人員對功率轉換器嘗試相同的程序，接著在轉換器的光耦合器電路中增加零點，使光耦合器在整個線路及負載範圍保持穩定。

結語

如果設計人員計劃在頻率超過8kHz且具有0dB交越的封閉反餽迴路中使用光耦合器，必須先測試光耦合器，以瞭解其中的相位及增益特性。如果無法使用網路分析儀，可製作如圖六所示的簡易電路。這有助於設計人員以簡易的元件、具DC偏移功能的變頻訊號產生器及電源供應器來辨識相位及增益。

將恆定振幅AC電流訊號注入LED（在整個R1測得的電壓），並且測量從光電晶體流出的電流（整個R2的電壓），即可透過光電晶體所流出電流的振幅及相對相位瞭解極點的位置。在低頻率的情況下，CTR會造成電流差異，不過，只要頻率增加，通過電晶體的電流便會減少。將AC訊號頻率增加到光電晶體AC訊號振幅為其先前值一半的程度時，即可辨識出極點頻率。透過這項資訊，即可計算出需要哪些元件才能在反餽迴路增加零點。

《圖六　測試電路示意圖》 - BigPic:799x431

如果這些結果顯示在0dB交越前電路運作範圍內頻率的情況下出現不需要的極點，則在連接LED電路的串聯中增加零點可補償及重新測試光耦合器。當然，這個最終的測試是在運作的轉換器中進行。

---作者為TI德州儀器資深應用工程師；電子信箱為 ti_johnbottrill@list.ti.com---