在電源電路設(shè)計(jì)中,Buck電源是常見的電源應(yīng)用,今天我們來分析一下Buck電路反饋引腳接電容的作用。
在多數(shù)通用電源芯片手冊上,可調(diào)輸出電壓的電源都會(huì)給出反饋引腳的電阻RH,RL,Vfb這三個(gè)參數(shù),在FB引腳和Vout之間有一個(gè)option(電容)選項(xiàng),這個(gè)option(電容)設(shè)計(jì)手冊中也有一些說明,但大都不是很詳細(xì),那么這個(gè)電容的作用究竟是什么 ,其實(shí)它是一個(gè)反饋電源瞬態(tài)響應(yīng)的一個(gè)參數(shù),影響這電壓轉(zhuǎn)換器的帶寬及瞬態(tài)響應(yīng)能力。 如何選擇這個(gè)電容的值,需要利用工具檢測波形,對比各種電容效果,進(jìn)行改善,以便達(dá)到最優(yōu)秀的產(chǎn)品性能。
如圖1所示,是某個(gè)降壓型DCDC的應(yīng)用,已下探討的是Cf的作用和選取方法。
圖 1 電源芯片段典型應(yīng)用
一、反饋電容的影響
如圖2為簡化的輸出可調(diào)電源的應(yīng)用示意圖。
A(s)為電源系統(tǒng)的開環(huán)增益,為方便討論我們假定A(s)里已經(jīng)包含了輸出電容、負(fù)載等其他因素的影響。
上述電路在不使用反饋電容CF時(shí)的輸出電壓為
其中,β為反饋系數(shù)。 其環(huán)路增益(Gs)為
可見,通過調(diào)節(jié)分壓電阻雖然可以改變輸出電壓OUT,但同時(shí)也使得G(s)的帶寬變窄。
合理地使用反饋電容可以提升電源的帶寬及響應(yīng)速度,此時(shí)環(huán)路增益為
由此可得,CF并不改變DC輸出,而是為系統(tǒng)引入了一對低頻零點(diǎn)fz和高頻極點(diǎn)fp。 零點(diǎn)會(huì)使相位裕量增加,極點(diǎn)則惡化相位裕量,使零點(diǎn)與極點(diǎn)盡量遠(yuǎn)離才能獲得更多的相位裕量。 但CF引入的零極點(diǎn)對的距離在對數(shù)坐標(biāo)里是固定的,因?yàn)?/p>
據(jù)此可確定,反饋電容在R1/R2越大時(shí)作用越明顯,在R1=0時(shí)不產(chǎn)生作用。 而在R1/R2確定的場合,需要合理地選擇反饋電容CF。
二、反饋電容的選擇
為了兼顧系統(tǒng)的帶寬和相位裕量,通過以下步驟可以得到最優(yōu)化的反饋電容容值
在沒有反饋電容的情況下測得系統(tǒng)的穿越頻率fc;
選擇的反饋電容引入的零點(diǎn)和極點(diǎn),使其滿足
化簡為:
來個(gè)實(shí)例分析,如圖所示
在某種運(yùn)用下將SY8513配置成5V輸出,使用電阻R1=105kΩ,R2=20kΩ,此時(shí)β=0.16。
使用環(huán)路分析儀,在沒有反饋電容的情況下測得系統(tǒng)的環(huán)路增益曲線,如下所示。
可見此時(shí)系統(tǒng)的穿越頻率為fc=34.8kHz,計(jì)算得到最優(yōu)的反饋電容CF=109pF,我們實(shí)際使用較為接近的110pF。
此外,在沒有反饋電容時(shí),該配置下的相位裕量僅為27o。
在沒有反饋電容的配置狀態(tài),進(jìn)行負(fù)載瞬變響應(yīng)測試,當(dāng)負(fù)載從1A跳變至3A時(shí),輸出電壓最大存在340mV偏移。
而使用110pF反饋電容后的環(huán)路增益曲線如下所示,可以看到穿越頻率變?yōu)榱?2.4 kHz,帶寬擴(kuò)大了一倍。 同時(shí),相位裕量也增加到了50o。
進(jìn)行相同的負(fù)載瞬變響應(yīng)測試,在增加反饋電容后,輸出電壓的最大偏移量從340mV降低為200mV,發(fā)生了明顯改善。
綜上所述,合理的使用反饋電容可以明顯地改善電源的動(dòng)態(tài)特性。
反饋電容的最優(yōu)值是基于系統(tǒng)帶寬和相位裕量的最優(yōu)折中。 在必要的場合,通過綜合分析實(shí)際應(yīng)用時(shí)轉(zhuǎn)換器的帶寬和裕量的要求,對最優(yōu)值的適當(dāng)增大或減小以進(jìn)一步優(yōu)化帶寬或裕量。 通常情況下,我們建議盡量接近最優(yōu)值。
需要注意,并不是每一個(gè) DC-DC 電路都需要前饋電容,實(shí)際設(shè)計(jì)時(shí),按照 SPEC 參考設(shè)計(jì)來即可。
審核編輯:湯梓紅
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原文標(biāo)題:DCDC反饋電容作用
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