靜態(tài)紋波和動(dòng)態(tài)負(fù)載的過(guò)沖/下沖原理及改善措施

對(duì)于DC-DC開(kāi)關(guān)電源，在設(shè)計(jì)階段需要進(jìn)行一些電源常規(guī)測(cè)試，確保電源系統(tǒng)的穩(wěn)定性和性能可以滿足要求，本文主要從原理上分析靜態(tài)紋波和動(dòng)態(tài)響應(yīng)時(shí)產(chǎn)生的過(guò)沖/下沖，并提供一些改善方法。

-開(kāi)關(guān)電源基本原理-

首先，對(duì)DC-DC開(kāi)關(guān)電源的原理進(jìn)行簡(jiǎn)單的分析，以buck電路為例：

如下為buck電路的基本框圖，由功率轉(zhuǎn)換，采樣反饋，邏輯驅(qū)動(dòng)這幾個(gè)主要部分組成。

產(chǎn)生紋波的主要是功率轉(zhuǎn)換部分，將功率轉(zhuǎn)換部分電路簡(jiǎn)化為如下模型：

Buck電路工作可以分為兩個(gè)階段：

1、上管(Q1)導(dǎo)通，下管(Q2)關(guān)閉，電流從輸入端流經(jīng)電感，到輸出端;輸入電壓加在電感和輸出兩端，電感電壓為

電流線性上升，電感儲(chǔ)存能量;

2、上管(Q1)關(guān)閉，下管(Q2)導(dǎo)通，電流從下管續(xù)流，經(jīng)過(guò)電感后到輸出端，電感電壓為

電流線性下降，電感釋放能量。穩(wěn)態(tài)下滿足伏秒平衡，即：

-靜態(tài)紋波-

通過(guò)前面的原理分析，我們可以看到，電感的電流并非純直流，而是附加了三角波形狀的紋波電流，并且紋波電流通過(guò)輸出電容濾掉。

輸出電容并非理想電容，存在寄生參數(shù)，可分解為等效寄生電感(ESL)，等效寄生電阻(ESR)，電容(C)的串聯(lián)電路，電感紋波電流流過(guò)輸出電容時(shí)，會(huì)在ESL，ESR和C上產(chǎn)生電壓紋波。

從以上公式可以看到，輸出紋波主要受到電容寄生ESL，ESR，C的值和電感紋波電流影響。

-靜態(tài)紋波改善措施-

想要降低輸出紋波，主要就是降低電感紋波電流和電容寄生參數(shù)，增大容值，可通過(guò)如下措施進(jìn)行優(yōu)化：

增大感值，可以降低電感紋波電流;

提高開(kāi)關(guān)頻率，可以降低電感紋波電流;

增大容值，降低電感紋波電流在電容上充放電產(chǎn)生的紋波;

輸出電容更換為ESL/ESR更小的電容，例如MLCC。

-動(dòng)態(tài)負(fù)載過(guò)沖/下沖-

在負(fù)載發(fā)生跳變時(shí)(突然增大或者減小)，電感電流無(wú)法快速跟隨負(fù)載變化，會(huì)導(dǎo)致能量不足或者過(guò)剩，從而出現(xiàn)下沖/過(guò)沖，如下圖所示：

負(fù)載電流突然增大，電感電流受到控制器TON和電流斜率的限制，無(wú)法實(shí)時(shí)滿足負(fù)載需求，這部分額外的能量需要輸出電容端提供，即輸出電容放電，輸出電壓出現(xiàn)下沖;

負(fù)載電流突然減小，由于電感電流下降斜率小于負(fù)載電流下降斜率，導(dǎo)致電感上能量過(guò)多，從而對(duì)輸出電容進(jìn)行充電，輸出電壓出現(xiàn)過(guò)沖。

-動(dòng)態(tài)響應(yīng)改善措施-

動(dòng)態(tài)負(fù)載時(shí)的過(guò)沖/下沖，主要是由于電感電流響應(yīng)較慢，導(dǎo)致輸出電容的充放電形成的，因此要改善過(guò)沖/下沖，主要減小電感能量變化或者增大電容值來(lái)解決：

減小感值，降低電感儲(chǔ)能，并且可以增大電感電流變化斜率(這個(gè)對(duì)靜態(tài)紋波是相反的，因此電感值不能太小);

提高開(kāi)關(guān)頻率，同時(shí)可以適當(dāng)增大環(huán)路帶寬，提高控制器的響應(yīng)速度，但是需要保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，帶寬過(guò)大會(huì)導(dǎo)致不穩(wěn)定;

增大容值，是最直接的降低過(guò)沖/下沖的方法，成本會(huì)上升;

輸出電容可采用大電容值固態(tài)電容和MLCC混搭的方式，降低各頻段的交流阻抗;

對(duì)于部分控制器，可以采用增加DC load line的方式，有效降低過(guò)沖，例如CPU core電源，如下圖所示：

-總結(jié)-

靜態(tài)紋波和動(dòng)態(tài)負(fù)載的過(guò)沖/下沖原理有所區(qū)別，優(yōu)化方案也有差異，總結(jié)如下：

靜態(tài)紋波：

增大感值

提高頻率

增大容值

采用MLCC

動(dòng)態(tài)負(fù)載：

減小感值

提高頻率

增大容值

混合類(lèi)型電容

增加DC load line

電感值對(duì)于靜態(tài)紋波和動(dòng)態(tài)響應(yīng)的效果是相反的，因此需要折中;其他措施大部分是兩個(gè)方面都有改善的。

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