開(kāi)關(guān)電源電路設(shè)計(jì)秘笈之輕松估計(jì)負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

本篇電源設(shè)計(jì)小貼士介紹了一種通過(guò)了解控制帶寬和輸出濾波器電容特性估算電源瞬態(tài)響應(yīng)的簡(jiǎn)單方法。該方法充分利用了這樣一個(gè)事實(shí)，即所有電路的閉環(huán)輸出阻抗均為開(kāi)環(huán)輸出阻抗除以1加環(huán)路增益，或簡(jiǎn)單表述為：

圖10.1以圖形方式說(shuō)明了上述關(guān)系，兩種阻抗均以dB-Ω或20*log[Z]為單位。在開(kāi)環(huán)曲線上的低頻率區(qū)域內(nèi)，輸出阻抗取決于輸出電感阻抗和電感。當(dāng)輸出電容和電感發(fā)生諧振時(shí)，形成峰值。高頻阻抗取決于電容輸出濾波器特性、等效串聯(lián)電阻(ESR)以及等效串聯(lián)電感(ESL)。將開(kāi)環(huán)阻抗除以 1加環(huán)路增益即可計(jì)算得出閉環(huán)輸出阻抗。

由于該圖形以對(duì)數(shù)表示，即簡(jiǎn)單的減法，因此在增益較高的低頻率區(qū)域阻抗會(huì)大大降低;在增益較少的高頻率區(qū)域閉環(huán)和開(kāi)環(huán)阻抗基本上是一樣的。在此需要說(shuō)明如下要點(diǎn)：1)峰值環(huán)路阻抗出現(xiàn)在電源交叉頻率附近，或出現(xiàn)在環(huán)路增益等于1(或0dB)的地方；以及2)在大部分時(shí)間里，電源控制帶寬都將會(huì)高于濾波器諧振，

因此峰值閉環(huán)阻抗將取決于交叉頻率時(shí)的輸出電容阻抗。

圖10.1閉環(huán)輸出阻抗峰值Zout出現(xiàn)在控制環(huán)路交叉頻率處

一旦知道了峰值輸出阻抗，就可通過(guò)負(fù)載變動(dòng)幅度與峰值閉環(huán)阻抗的乘積來(lái)輕松估算瞬態(tài)響應(yīng)。有幾點(diǎn)注意事項(xiàng)需要說(shuō)明一下，由于低相位裕度會(huì)引起峰化，因此實(shí)際的峰值可能會(huì)更高些。然而，就快速估計(jì)而言，這種影響可以忽略不計(jì)[1]。第二個(gè)需要注意的事項(xiàng)與負(fù)載變化幅度上升有關(guān)。如果負(fù)載變化幅度變化緩慢較低)，則響應(yīng)取決于與上升時(shí)間有關(guān)的低頻率區(qū)域閉環(huán)輸出阻抗;如果負(fù)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。如果確實(shí)如此，則可能需要更多的高頻旁通。最后，就極高性能的系統(tǒng)而言，電源的功率級(jí)可能會(huì)限制響應(yīng)時(shí)間，即電感器中的電流可能不能像控制環(huán)路期望的那樣快速響應(yīng)，這是因?yàn)殡姼泻褪┘拥碾妷簳?huì)限制電流轉(zhuǎn)換速率。

上圖是一個(gè)如何使用上述關(guān)系的示例。問(wèn)題是根據(jù)200kHz開(kāi)關(guān)電源10amp變化幅度允許范圍內(nèi)的50mV輸出變化挑選一個(gè)輸出電容。所允許的峰值輸出阻抗為：Zout=50mV/10amps或5毫歐。這就是最大允許輸出電容ESR。接下來(lái)就是建立所需的電容。幸運(yùn)的是，ESR和電容均為正交型，可單獨(dú)處理。一個(gè)高(Aggressive)電源控制環(huán)路帶寬可以是開(kāi)關(guān)頻率的1/6或30kHz。于是在30kHz時(shí)輸出濾波電容就需要一個(gè)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(shí)這一問(wèn)題的負(fù)載瞬態(tài)仿真。就校驗(yàn)這一方法是否有效的10amp負(fù)載變動(dòng)幅度而言，輸出電壓變化大約為52mV。