开关电源电路设计秘笈之轻松估计负载瞬态响应

本篇电源设计小贴士介绍了一种通过了解控制带宽和输出滤波器电容特性估算电源瞬态响应的简单方法。该方法充分利用了这样一个事实，即所有电路的闭环输出阻抗均为开环输出阻抗除以1加环路增益，或简单表述为：

图10.1以图形方式说明了上述关系，两种阻抗均以dB-Ω或20*log[Z]为单位。在开环曲线上的低频率区域内，输出阻抗取决于输出电感阻抗和电感。当输出电容和电感发生谐振时，形成峰值。高频阻抗取决于电容输出滤波器特性、等效串联电阻(ESR)以及等效串联电感(ESL)。将开环阻抗除以 1加环路增益即可计算得出闭环输出阻抗。

由于该图形以对数表示，即简单的减法，因此在增益较高的低频率区域阻抗会大大降低;在增益较少的高频率区域闭环和开环阻抗基本上是一样的。在此需要说明如下要点：1)峰值环路阻抗出现在电源交叉频率附近，或出现在环路增益等于1(或0dB)的地方；以及2)在大部分时间里，电源控制带宽都将会高于滤波器谐振，

因此峰值闭环阻抗将取决于交叉频率时的输出电容阻抗。

图10.1闭环输出阻抗峰值Zout出现在控制环路交叉频率处

一旦知道了峰值输出阻抗，就可通过负载变动幅度与峰值闭环阻抗的乘积来轻松估算瞬态响应。有几点注意事项需要说明一下，由于低相位裕度会引起峰化，因此实际的峰值可能会更高些。然而，就快速估计而言，这种影响可以忽略不计[1]。第二个需要注意的事项与负载变化幅度上升有关。如果负载变化幅度变化缓慢较低)，则响应取决于与上升时间有关的低频率区域闭环输出阻抗;如果负载变化幅度变化极为快速，则输出阻抗将取决于输出滤波器ESL。如果确实如此，则可能需要更多的高频旁通。最后，就极高性能的系统而言，电源的功率级可能会限制响应时间，即电感器中的电流可能不能像控制环路期望的那样快速响应，这是因为电感和施加的电压会限制电流转换速率。

上图是一个如何使用上述关系的示例。问题是根据200kHz开关电源10amp变化幅度允许范围内的50mV输出变化挑选一个输出电容。所允许的峰值输出阻抗为：Zout=50mV/10amps或5毫欧。这就是最大允许输出电容ESR。接下来就是建立所需的电容。幸运的是，ESR和电容均为正交型，可单独处理。一个高(Aggressive)电源控制环路带宽可以是开关频率的1/6或30kHz。于是在30kHz时输出滤波电容就需要一个不到5毫欧的电抗，或高于1000uF的电容。图10.2显示了在5毫欧ESR、1000uF电容以及30kHz电压模式控制条件时这一问题的负载瞬态仿真。就校验这一方法是否有效的10amp负载变动幅度而言，输出电压变化大约为52mV。