【導讀】電源設計小貼士我們已經(jīng)講了9個(gè)了,對大家在設計電源時(shí)一定起到了幫助。今天介紹一種通過(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。
具體的公式表述為:

圖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(xiàn)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(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 即可計算得出閉環(huán)輸出阻抗。
由于該圖形以對數表示,即簡(jiǎn)單的減法,因此在增益較高的低頻率區域阻抗會(huì )大大降低;在增益較少的高頻率區域閉環(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)路阻抗出現在電源交叉頻率附近,或出現在環(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1 閉環(huán)輸出阻抗峰值Zout出現在控制環(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。有幾點(diǎn)注意事項需要說(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,就快速估計而言,這種影響可以忽略不計。
第二個(gè)需要注意的事項與負載變化幅度上升有關(guān)。如果負載變化幅度變化緩慢(dI/dt較低),則響應取決于與上升時(shí)間有關(guān)的低頻率區域閉環(huán)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,就極高性能的系統而言,電源 的功率級可能會(huì )限制響應時(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,這是因為電感和施加的電壓會(huì )限制電流轉換速率。
下面是一個(gè)如何使用上述關(guān)系的示例。問(wèn)題是根據200kHz開(kāi)關(guān)電源10 amp變化幅度允許范圍內的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=50 mV / 10 amps 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。幸運的是,ESR和電容均為正交型,可單獨處理。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 30 kHz 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2顯示了在5毫歐ESR、1000uF電容以及30 kHz電壓模式控制條件時(shí)這一問(wèn)題的負載瞬態(tài)仿真。就校驗這一方法是否有效的10amp負載變動(dòng)幅度而言, 輸出電壓變化大約為52mV。

圖 2 仿真校驗估計負載瞬態(tài)性能