DC―DC开关电源容性负载能力设计分析
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【摘要】在大容性负载动态跳变的设备中，要求电源输出端有快速响应，这就要求开关电源有较强的带容性负载的能力。通过分析开关电源负载响应速度，对电源输出容性负载调试的两种方式进行了简要的描述，以期与同行业者共同探讨。
随着电子技术的高速发展，电子设备的小型化和低成本化使电源向轻、薄、小和高效率方向发展。开关电源是利用现代电力电子技术，控制开关晶体管开通和关断的时间比率，维持稳定输出电压的一种电源。其中，应用最广泛的就是DC-DC开关电源。
在DC-DC开关电源的应用中，输出负载端外接电容能起到滤波、抑制干扰的作用，在某些大容性负载动态跳变的设备中，要求电源输出端有快速响应，这就要求开关电源有较强的带容性负载的能力，并且有好的稳定性能。
1.开关电源负载响应速度分析
开关电源的瞬态特性一般包括了它的电压调整特性和负载调整特性。电压调整特性指开关电源对输入电压变化的瞬态响应，负载调整特性指开关电源对负载电流变化的瞬态响应。在采用电流控制的开关电源系统中，输入电压的变化会使得电感电流立即发生变化，从而改变输出电压，而不需要像电压控制系统中通过电压环路的调节改变输出电压，因此峰值电流控制系统对输入电压变化的瞬态响应能力好，恢复时间短，线性调整能力好。
图1 输出变化图
如图1所示为负载变化所引起的输出VOUT的变化，其中1阶段V1为输出滤波电容C的等效串联电感ESL所引起;2阶段V2由电容C的等效串联电阻ESR决定;3阶段中电压呈反向上升，同样是由ESL决定，其值为V1;第4阶段是由于负载突然增大，而电感电流需要满足新的要求，所出现的电容C放电所引起。其中V1与V2分别表示如下：
V1=（I2-I1）/Trise・ESL V2=I2-I1・ESR
在忽略电容电压纹波，及电感电流纹波的情况下，我们可以简单计算4阶段所下降的电压VC4。其中I=I1-I2，m1=（Vout-Vin）//L，根据电荷守恒定律，可得：
VC4=I2/（2m1C）
优化负载跃变响应可以从下面几个方面着手：
（1）根据VC4的关系式，可知增加输出滤波电容C，或减小电感L，这样能减小vC4的下陷或超调值。然而，过大的电容会占更大面积，而小电感L会引起更大的纹波电流和输出纹波电压。
（2）根据VC4，增加误差放大器的转换率。当负载发生跃变时，误差放大器输出也要满足于新的要求，若转换率低，则电感电流需要在误差放大器输出满足负载要求时，才满足要求，这样对电容将会注入或失去更多的电荷。
（3）进行环路补偿。由于电流模式的易补偿特性，设计时可以在反馈节点通过加入电阻电容，以引入极点零点对，调整补偿值的大小可以获得更好的响应速度，但同时应保持环路的稳定。
（4）对系统结构进行优化，通过减小系统结构上的时延或者增大系统的直流增益均可以改善系统的响应速度。
2.电源输出容性负载调试
在实际设计和应用中，开关电源输出容性负载能力由以下两种要求来调试和测试：
2.1 电源稳定工作，仅负载由空载到满载跳变，输出电压稳定
当模块正常工作时，DC/DC开关电源可以等效为电压源，其输出简化后的等效电路图分别如图2所示。其中，U是输出电压，Rs是等效内阻，RL是输出负载电阻，C是输出电容，R=（RS・RL）/（RS+RL）。
图2 简化等效电路
可以得出：
由上述计算，可以看出电容电压VC是按指数规律不断上升，要使输出电压更快更稳定的建立，电源输出内阻要小，一般通过高增益、快速响应的输出稳压反馈环路，可以实现性能的改善和提高。但由于存在输出电感的储能，电压反馈和前端峰值电流控制的作用，电容电压并不完全是由零开始上升的指数波形。输出电压的稳定过程中，一方面由输出滤波电感的储能来逐步补充，另一方面由反馈环控制电路原边快速输出更大功率。
输出电感的取值一般由电流纹波系数几和电源的空载特性来确定，为了避免容性跳变输出电压过大的下冲，使控制电路达到极限，电感的取值要大于又的理论值计算所得数值，但同时也要考虑输出失载时的电压上冲幅度，所以输出电感也不能太大，大的电感一般不易制作、成本较高，所以电感的实际取值可以用实验的方法得到。
由实验得出输出电感大的模块带的容性负载大，电感储能有助于输出电压的稳定，限流保护电路工作时间短，但响应时间会相应长一些。
2.2 模块带输出电容启动，输出电压稳定
当模块带大电容启动时，需对电容迅速充电，以维持输出电压稳定，启动瞬间会产生一个大的电流。启动过程中大电流持续时间太长，模块控制芯片的保护功能就会达到极限，会出现启动不良现象即输出电压不能正常建立;另外，容性负载的大小直接影响输出电压的上升时间，在有严格输出电压上升时间要求的环境中就会出现应用故障。
一般自馈电源的输出电压和供电电压是正比关系，在输出达到正常电压之前，芯片VCC无法满足供电要求。因此启动电路的供电方式和VCC电容的储能也是决定容性负载能力的重要因素。
3.结束语
一般开关电源都可带相当容性的负载，但考虑到电源的过流保护能力，尤其是输出短路保护，容性负载能力不可能太大，否则保护能力变差。
对于多路输出的模块所带容在开关电源的设计过程中，要充分理解并实现客户负载使用的特殊要求，必须分析开关电源容性负载能力的两种不同状态要求。
参考文献
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