開關電源靜態(tài)紋波、動態(tài)負載過沖下沖分析改善-KIA MOS管

靜態(tài)紋波

通過開關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)負載過沖/下沖

在負載發(fā)生跳變時(突然增大或者減小)，電感電流無法快速跟隨負載變化，會導致能量不足或者過剩，從而出現(xiàn)下沖/過沖，如下圖所示：

負載電流突然增大，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;

負載電流突然減小，由于電感電流下降斜率小于負載電流下降斜率，導致電感上能量過多，從而對輸出電容進行充電，輸出電壓出現(xiàn)過沖。

動態(tài)響應改善措施

動態(tài)負載時的過沖/下沖，主要是由于電感電流響應較慢，導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);

提高開關頻率，同時可以適當增大環(huán)路帶寬，提高控制器的響應速度，但是需要保證系統(tǒng)穩(wěn)定性，帶寬過大會導致不穩(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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