DC/DC轉(zhuǎn)換器的輸出電容和輸出電壓穩(wěn)定性驗證

在 DC/DC 轉(zhuǎn)換器的電路設(shè)計中，可能需要根據(jù)微控制器或 FPGA 的規(guī)格來改善負(fù)載響應(yīng)。在這種情況下，很多人認(rèn)為改善負(fù)載響應(yīng)特性的最簡單方法是增加輸出電容器的電容。但在實際電路板設(shè)計時，可能需要減少輸出電容器的數(shù)量以增加安裝面積。在這種情況下，客戶可能會產(chǎn)生是否可以減少電容器的數(shù)量的疑問。接下來我們將對該問題進(jìn)行驗證。

評估環(huán)境

本次我們將使用 ADI LT8643S 評估板 (DC2658A) 進(jìn)行測量，該模塊是 ADI 降壓型 DCDC，內(nèi)置 42V 耐壓同步整流 MOSFET，下圖 (圖1) 為評估板原理圖。

評估板設(shè)置

對原始評估板的更改是為了將相位補(bǔ)償電路更改為最佳值。

前：R4=8.45kΩ，C5=0.33nF ? 后：R4=6.3kΩ，C5=1.36nF

評估條件：設(shè)置輸入電壓 12V，輸出電壓 5V，負(fù)載電流 3A，開關(guān)頻率 2MHz

圖1 評估板原理圖

測量環(huán)境

驗證輸出電容器的電容變化

使用穩(wěn)定電源 KIKUSUI PAN35-20E。連接到評估板的 VIN 和 GND 部分。

使用電子負(fù)載 KIKUSUI PLZ164WS。連接到評估板的 VOUT 和 GND 部分。

示波器 Tektronix 6 系列。在輸出電容器 C6 兩端觀察到紋波。

使用電源軌探頭 TPR1000

配件 1.3m，SMA (Ma) 至 MMCX(Ma)，50Ω 電纜

配件 MMCX 連接器 (Wurth Elektoronik 66012002111503)

當(dāng)輸出電容減小時

在評估板的初始狀態(tài)下，相位裕量不是最優(yōu)的，因此更換了補(bǔ)償電路。對上圖 (圖1) 中的 R4 和 C5 作如下改動，相位裕量從 56° 提高到 81.5°。

前：R4=8.45kΩ，C5=0.33nF ? 后：R4=6.3kΩ，C5=1.36nF

優(yōu)化相位裕量后，輸出電容 (C6)：123uF ? 45uF ? 23uF，下圖 (圖2) 的紋波波形是檢查輸出電壓的結(jié)果。

圖2 紋波波形確認(rèn)結(jié)果

改變輸出電容的結(jié)果

將輸出電容從默認(rèn)設(shè)置 123uF 更改為 45uF，紋波電壓從 1.9mV 增加到 4mV。如果紋波電壓可接受，則可以將輸出電容降低到 45uF。然而當(dāng)電容降低到 23uF 時，輸出紋波增加到 30mV，輸出電壓變得不穩(wěn)定 (振蕩)。這一結(jié)果表明，如果輸出電容很容易減小，輸出電壓就會變得不穩(wěn)定。接下來，我們檢查一下輸出電容為 45uF 時，相位補(bǔ)償電路是否處于最佳狀態(tài)。

輸出電容器補(bǔ)償電路的優(yōu)化

163uF 輸出電容的相位裕量和負(fù)載響應(yīng)

下圖 (圖3) 顯示了輸出電容為 163uF 時的相位裕量和負(fù)載響應(yīng)特性的測量結(jié)果。相位裕量為 74.1°~82°，電壓波動為 ±100mV (交越頻率 71.8KHz)。

圖3 163uF 輸出電容的相位裕量和負(fù)載響應(yīng)特性

45uF 輸出電容的相位裕量和負(fù)載響應(yīng)

下圖 (圖4) 顯示了輸出電容為 45uF 時相位裕量和負(fù)載響應(yīng)特性的測量結(jié)果。相位裕量為 51.2°~65.1°，電壓波動約為 ±137mV (交越頻率：168.2KHz)。從圖中可以看出，相位裕量減少了約 20°。這一結(jié)果表明，相位裕量可以通過改變輸出電容器的電容而變化。

圖4 45uF 輸出電容的相位裕量和負(fù)載響應(yīng)特性

相位補(bǔ)償電路的優(yōu)化

下圖 (圖5) 顯示了 45uF 輸出電容的相位補(bǔ)償電路的優(yōu)化結(jié)果。對上圖 (圖1) 中的 R4 和 C5 作如下改動，相位裕量從 53.9° 提高到 77.3°。

前：R4=6.3kΩ，C5=1.36nF ? 后：R4=1.0kΩ C5=3.3nF

然而交越頻率已從 168.2KHz 提高到 53.3KHz，這減慢了負(fù)載響應(yīng)特性，并將電壓波動增加到 +221mV/-264 mV。

圖5 45uF 輸出電容相位補(bǔ)償電路的優(yōu)化結(jié)果

總結(jié)

改變輸出電容器的電容可能會因相位裕量的變化而導(dǎo)致輸出電壓變得不穩(wěn)定，因此應(yīng)避免輕易減小輸出電容。更換輸出電容時，建議檢查相位補(bǔ)償電路是否最佳。如果由于電路板安裝面積的限制而通過減少輸出電容數(shù)量來降低電容，則需要注意如果改變補(bǔ)償電路常數(shù)以產(chǎn)生相位裕量，交越頻率可能會降低，并且可能會影響負(fù)載響應(yīng)特性。

審核編輯：劉清