開關電源靜態紋波、動態負載過沖下沖分析改善-KIA MOS管
信息來源：本站 日期：2022-06-30
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，可分解為等效寄生電感(ESL)，等效寄生電阻(ESR)，電容(C)的串聯電路，電感紋波電流流過輸出電容時，會在ESL，ESR和C上產生電壓紋波。
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。
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，增大容值，可通過如下措施進行優化：
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生的紋波;
輸出電容更換為ESL/ESR更小的電容，例如MLCC。
在負載發生跳變時(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，輸出電壓出現過沖。
動態負載時的過沖/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路帶寬，提高控制器的響應速度，但是需要保證系統穩定性，帶寬過大會導致不穩定;
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：
靜態紋波和動態負載的過沖/下沖原理有所區別，優化方案也有差異，總結如下：
靜態紋波：
增大感值
提高頻率
增大容值
采用MLCC
動態負載：
減小感值
提高頻率
增大容值
混合類型電容
增加DC load line
電感值對于靜態紋波和動態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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