DC-DC電源中前饋電容的選型分析

電源是現(xiàn)代電子產(chǎn)品必不可缺的模塊，現(xiàn)今大多數(shù)的通用電源芯片都會(huì)提供如下圖所示的反饋引腳，便于客戶使用反饋電阻實(shí)現(xiàn)所需的輸出，簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)并節(jié)省調(diào)試時(shí)間。但是通用化也從根本上制約了轉(zhuǎn)換器的帶寬及瞬態(tài)響應(yīng)能力。這種情況下，設(shè)計(jì)師可以通過(guò)使用前饋電容在一定程度上對(duì)此進(jìn)行改善。

 

 

 

 

本次對(duì)前饋補(bǔ)償進(jìn)行基本介紹，以方便設(shè)計(jì)人員選擇合適的前饋電容，以達(dá)到優(yōu)秀的產(chǎn)品性能。

前饋電容的影響

 

常見(jiàn)的可調(diào)電源電路如下圖所示。

                                                          可調(diào)電源電路

 

A(s)為電源系統(tǒng)的開環(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。

上述電路在不使用前饋電容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。

合理地使用前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)?/font>

據(jù)此可確定，前饋電容在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，需要合理地選擇前饋電容CF。

 

前饋電容的選擇

 

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)化的前饋電容容值

1. 在沒(méi)有前饋電容的情況下測(cè)得系統(tǒng)的穿越頻率fc；

2. 選擇的前饋電容引入的零點(diǎn)和極點(diǎn)，使其滿足

化簡(jiǎn)為：

 

案例分析

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)有前饋電容的情況下測(cè)得系統(tǒng)的環(huán)路增益曲線，如下所示。

 

                                          SY8513沒(méi)有前饋電容時(shí)的環(huán)路曲線

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)的前饋電容CF=109pF，我們實(shí)際使用較為接近的110pF。

此外，在沒(méi)有前饋電容時(shí)，該配置下的相位裕量?jī)H為27º。

在沒(méi)有前饋電容的配置狀態(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。

                           SY8513沒(méi)有前饋電容時(shí)的負(fù)載瞬變響應(yīng)

而使用110pF前饋電容后的環(huán)路增益曲線如下所示，可以看到穿越頻率變?yōu)榱?/font>72.4 kHz，帶寬擴(kuò)大了一倍。同時(shí)，相位裕量也增加到了50º。

                                                           SY8513使用110pF前饋電容時(shí)的環(huán)路曲線   

進(jìn)行相同的負(fù)載瞬變響應(yīng)測(cè)試，在增加前饋電容后，輸出電壓的最大偏移量從340mV降低為200mV，發(fā)生了明顯改善。

                      SY8513有無(wú)前饋電容時(shí)的負(fù)載瞬變響應(yīng)對(duì)比

綜上所述，合理的使用前饋電容可以明顯地改善電源的動(dòng)態(tài)特性。
前饋電容的最優(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)綜合分析公眾號(hào)：芯片電子之家，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。