靜態(tài)紋波
通過開關(guān)電源基本原理可以得知,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,電感紋波電流流過輸出電容時,會在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,可通過如下措施進行優(yōu)化:
增大感值,可以降低電感紋波電流;
提高開關(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。
動態(tài)負(fù)載過沖/下沖
在負(fù)載發(fā)生跳變時(突然增大或者減小),電感電流無法快速跟隨負(fù)載變化,會導(dǎo)致能量不足或者過剩,從而出現(xiàn)下沖/過沖,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,無法實時滿足負(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)致電感上能量過多,從而對輸出電容進行充電,輸出電壓出現(xiàn)過沖。
動態(tài)響應(yīng)改善措施
動態(tài)負(fù)載時的過沖/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,因此要改善過沖/下沖,主要減小電感能量變化或者增大電容值來解決:
減小感值,降低電感儲能,并且可以增大電感電流變化斜率(這個對靜態(tài)紋波是相反的,因此電感值不能太小);
提高開關(guān)頻率,同時可以適當(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,帶寬過大會導(dǎo)致不穩(wěn)定;
增大容值,是最直接的降低過沖/下沖的方法,成本會上升;
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;
對于部分控制器,可以采用增加DC load line的方式,有效降低過沖,例如CPU core電源,如下圖所示:
總結(jié)
靜態(tài)紋波和動態(tài)負(fù)載的過沖/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
動態(tài)負(fù)載:
減小感值
提高頻率
增大容值
混合類型電容
增加DC load line
電感值對于靜態(tài)紋波和動態(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方面都有改善的。
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