DCDC反饋電容的作用

在電源電路設(shè)計(jì)中，Buck電源是常見(jiàn)的電源應(yīng)用，今天我們來(lái)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(cè)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(cè)中也有一些說(shuō)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(cè)波形，對(duì)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(jiǎn)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(kāi)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(jiàn)，通過(guò)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(duì)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(duì)的距離在對(duì)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(chǎng)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(guò)以下步驟可以得到最優(yōu)化的反饋電容容值

在沒(méi)有反饋電容的情況下測(cè)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(jiǎn)為：

來(lái)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(méi)有反饋電容的情況下測(cè)得系統(tǒng)的環(huán)路增益曲線，如下所示。

可見(jiàn)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(méi)有反饋電容時(shí)，該配置下的相位裕量?jī)H為27o。

在沒(méi)有反饋電容的配置狀態(tài)，進(jìn)行負(fù)載瞬變響應(yīng)測(cè)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(cè)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(chǎng)合，通過(guò)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(duì)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(lái)即可。

審核編輯：湯梓紅