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对于DC-DC开关电源,在设计阶段需要进行一些电源常规测试,确保电源系统的稳定性和性能可以满足要求,本文主要从原理上分析静态纹波和动态响应时产生的过冲/下冲,并提供一些改善方法。BPSemiDC-DC-开关电源基本原理-首先,对DC-DC开关电源的原理进行简单的分析,以buck电路为例:如下为buck电路的基本框图,由功率转换,采样反馈,逻辑驱动这几个主要部分组成。产生纹波的主要是功率转换部分,将功率转换部分电路简化为如下模型:Buck电路工作可以分为两个阶段:1、上管(Q1)导通,下管(Q2)关闭,电流从输入端流经电感,到输出端;输入电压加在电感和输出两端,电感电压为电流线性上升,电感储存能量;2、上管(Q1)关闭,下管(Q2)导通,电流从下管续流,经过电感后到输出端,电感电压为电流线性下降,电感释放能量。稳态下满足伏秒平衡,即:BPSemi-静态纹波-通过前面的原理分析,我们可以看到,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。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。BPSemi-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;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。BPSemi-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。BPSemi-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