【電源設計小貼士10】:輕鬆估計負載瞬態響應
發布時間:2013-01-31 責任編輯:abbywang
【導讀】電源設計小貼士我們已經講了9個了,對大家在設計電源時一定起到了幫助。今天介紹一種通過了解控製帶寬和輸出濾波器電容特性估算電源瞬態響應的簡單方法。該方法充分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。
具體的公式表述為:
圖1以圖形方式說明了上述關係,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,輸出阻抗取決於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。高頻阻抗取決於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。
由於該圖形以對數表示,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)峰值環路阻抗出現在電源交叉頻率附近,或出現在環路增益等於 1(或 0dB)的地方;以及 2)在大部分時間裏,電源控製帶寬都將會 高於濾波器諧振,因此峰值閉環阻抗將取決於交叉頻率時的輸出電容阻抗。

圖1 閉環輸出阻抗峰值Zout出現在控製環路交叉頻率處
一yi旦dan知zhi道dao了le峰feng值zhi輸shu出chu阻zu抗kang,就jiu可ke通tong過guo負fu載zai變bian動dong幅fu度du與yu峰feng值zhi閉bi環huan阻zu抗kang的de乘cheng積ji來lai輕qing鬆song估gu算suan瞬shun態tai響xiang應ying。有you幾ji點dian注zhu意yi事shi項xiang需xu要yao說shuo明ming一yi下xia,由you於yu低di相xiang位wei裕yu度du會hui引yin起qi 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。
第二個需要注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(dI/dt較低),則響應取決於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,則輸出阻抗將取決於輸出濾波器ESL。如果確實如此,則可能需要更多的高頻旁通。最後,就極高性能的係統而言,電源 的de功gong率lv級ji可ke能neng會hui限xian製zhi響xiang應ying時shi間jian,即ji電dian感gan器qi中zhong的de電dian流liu可ke能neng不bu能neng像xiang控kong製zhi環huan路lu期qi望wang的de那na樣yang快kuai速su響xiang應ying,這zhe是shi因yin為wei電dian感gan和he施shi加jia的de電dian壓ya會hui限xian製zhi電dian流liu轉zhuan換huan速su率lv。
下麵是一個如何使用上述關係的示例。問題是根據200kHz開關電源10 amp變化幅度允許範圍內的50mV輸出變化挑選一個輸出電容。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 個高 (Aggressive) 電源控製環路帶寬可以是開關頻率的1/6或30kHz。於是在 30 kHz 時輸出濾波電容就需要一個不到5毫歐的電抗,或高於1000uF的電容。 圖2顯示了在5毫歐ESR、1000uF電容以及30 kHz電壓模式控製條件時這一問題的負載瞬態仿真。就校驗這一方法是否有效的10amp負載變動幅度而言, 輸出電壓變化大約為52mV。

圖 2 仿真校驗估計負載瞬態性能
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