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  • 开关电源静态纹波,动态负载过冲下冲分析改善介绍
    • 发布时间:2022-10-21 16:41:05
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    开关电源静态纹波,动态负载过冲下冲分析改善介绍
    静态纹波
    通过开关电源基本原理可以得知,电感的电流并非纯直流,而是附加了三角波形状的纹波电流,并且纹波电流通过输出电容滤掉。
    输出电容并非理想电容,存在寄生参数,可分解为等效寄生电感(ESL),等效寄生电阻(ESR),电容(C)的串联电路,电感纹波电流流过输出电容时,会在ESL,ESR和C上产生电压纹波。
    静态纹波 动态负载 过冲下冲
    从以上公式可以看到,输出纹波主要受到电容寄生ESL,ESR,C的值和电感纹波电流影响。
    静态纹波改善措施
    想要降低输出纹波,主要就是降低电感纹波电流和电容寄生参数,增大容值,可通过如下措施进行优化:
    增大感值,可以降低电感纹波电流;
    提高开关频率,可以降低电感纹波电流;
    静态纹波 动态负载 过冲下冲
    增大容值,降低电感纹波电流在电容上充放电产生的纹波;
    输出电容更换为ESL/ESR更小的电容,例如MLCC。
    动态负载过冲/下冲
    在负载发生跳变时(突然增大或者减小),电感电流无法快速跟随负载变化,会导致能量不足或者过剩,从而出现下冲/过冲,如下图所示:
    负载电流突然增大,电感电流受到控制器TON和电流斜率的限制,无法实时满足负载需求,这部分额外的能量需要输出电容端提供,即输出电容放电,输出电压出现下冲;
    负载电流突然减小,由于电感电流下降斜率小于负载电流下降斜率,导致电感上能量过多,从而对输出电容进行充电,输出电压出现过冲。
    静态纹波 动态负载 过冲下冲
    动态响应改善措施
    动态负载时的过冲/下冲,主要是由于电感电流响应较慢,导致输出电容的充放电形成的,因此要改善过冲/下冲,主要减小电感能量变化或者增大电容值来解决:
    减小感值,降低电感储能,并且可以增大电感电流变化斜率(这个对静态纹波是相反的,因此电感值不能太小);
    提高开关频率,同时可以适当增大环路带宽,提高控制器的响应速度,但是需要保证系统稳定性,带宽过大会导致不稳定;
    增大容值,是最直接的降低过冲/下冲的方法,成本会上升;
    输出电容可采用大电容值固态电容和MLCC混搭的方式,降低各频段的交流阻抗;
    对于部分控制器,可以采用增加DC load line的方式,有效降低过冲,例如CPU core电源,如下图所示:
    静态纹波 动态负载 过冲下冲
    总结
    静态纹波和动态负载的过冲/下冲原理有所区别,优化方案也有差异,总结如下:
    静态纹波:
    增大感值
    提高频率
    增大容值
    采用MLCC
    动态负载:
    减小感值
    提高频率
    增大容值
    混合类型电容
    增加DC load line
    电感值对于静态纹波和动态响应的效果是相反的,因此需要折中;其他措施大部分是两个方面都有改善的。
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