開關電源電路設計估計負載瞬態應和的簡單辦法解析

本篇電源設計小貼士解析了一種通過知道控制帶寬和輸出濾波器電容特性估算電源瞬態應和的簡單辦法。該辦法充足利用了這樣一個事實，即所有電路的閉環輸出阻抗均為開環輸出阻抗除以1加環路增益，或簡單表述為：

圖10.1以圖形方式說明了上述關系，兩種阻抗均以dB-Ω或20*log[Z]為單位。在開環曲線上的低頻率區域內，輸出阻抗取決于輸出電感阻抗和電感。當輸出電容和電感發生諧振時，形成峰值。高頻阻抗取決于電容輸出濾波器特性、等效串聯電阻(ESR)以及等效串聯電感(ESL)。將開環阻抗除以1加環路增益即可計算得出閉環輸出阻抗。

由于該圖形以對數表示，即簡單的減法，因此在增益較高的低頻率區域阻抗會大大降低;在增益較少的高頻率區域閉環和開環阻抗基本上是一樣的。在此需要說明如下要點：1)峰值環路阻抗出今朝電源交織頻率附近，或出今朝環路增益等于1(或0dB)的地方；以及2)在大部分時間里，電源控制帶寬都將會高于濾波器諧振，

因此峰值閉環阻抗將取決于交織頻率時的輸出電容阻抗。

圖10.1閉環輸出阻抗峰值Zout出今朝控制環路交織頻率處

一旦了解了峰值輸出阻抗，就可通過負載變動幅度與峰值閉環阻抗的乘積來輕松估算瞬態應和。有幾點留意事項需要說明一下，由于低相位裕度會引起峰化，因此實際的峰值可能會更高些。然而，就快速估計而言，這種影響可以忽略不計[1]。第二個需要留意的事項與負載變化幅度上升有關。如果負載變化幅度變化緩慢較低)，則應和取決于與上升時間有關的低頻率區域閉環輸出阻抗;如果負載變化幅度變化極為快速，則輸出阻抗將取決于輸出濾波器ESL。如果實在如此，則可能需要更多的高頻旁通。最后，就極高性能的系統而言，電源的功率級可能會限制應和時間，即電感器中的電流可可不可以像控制環路期待的那樣快速應和，這是因為電感和施加的電壓會限制電流轉換速率。

上圖是一個要怎么樣使用上述關系的示例。問題是依據200kHz開關電源10amp變化幅度準許范圍內的50mV輸出變化挑選一個輸出電容。所準許的峰值輸出阻抗為：Zout=50mV/10amps或5毫歐。這就是最大準許輸出電容ESR。接下來就是建立所需的電容。幸運的是，ESR和電容均為正交型，可單獨解決。一個高(Aggressive)電源控制環路帶寬可以是開關頻率的1/6或30kHz。于是在30kHz時輸出濾波電容就需要一個不到5毫歐的電抗，或高于1000uF的電容。圖10.2顯示了在5毫歐ESR、1000uF電容以及30kHz電壓模式控制條件時這一問題的負載瞬態仿真。就校驗這一辦法是不是有效的10amp負載變動幅度而言，輸出電壓變化約莫為52mV。

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