小型DCDC開關(guān)電源容性負(fù)載的研究

1、小型DC / DC開關(guān)電源容性負(fù)載的研究0引言在DC/DC開關(guān)電源的應(yīng)用中，輸出負(fù)載端外接電容能起到濾波、抑制干擾的作用，在某些大容性 負(fù)載動(dòng)態(tài)跳變的設(shè)備中，要求電源輸出端有快速響應(yīng)，這就要求開關(guān)電源有較強(qiáng)的帶容性負(fù)載的能力， 并且有好的穩(wěn)定性能。在開關(guān)電源的設(shè)計(jì)過程中，要充分理解并實(shí)現(xiàn)客戶負(fù)載使用的特殊要求，必須分 析開關(guān)電源容性負(fù)載能力的兩種不同狀態(tài)要求。1容性負(fù)載的要求開關(guān)電源的基本特性中，一般并沒有對(duì)容性負(fù)載能力做出嚴(yán)格的規(guī)范。一般電源都可帶相當(dāng)容性的負(fù) 載，但考慮到電源的過流保護(hù)能力，尤其是輸出短路保護(hù)，容性負(fù)載能力不可能太大，否則保護(hù)能力變 差。對(duì)于多路輸出的模塊所帶容性負(fù)載，其分

2、配原則是電容的存儲(chǔ)總能量不能超過0 25J，包括主路的電容存儲(chǔ)能量與輔助電路的存儲(chǔ)能量的總和（1 /2刀CU2）。依此計(jì)算，在設(shè)計(jì)中最大容性負(fù)載的選取如見表1（電路和輸出功率不同的模塊的最大容性負(fù)載會(huì)各不相同，實(shí)際選用和使用時(shí)需要參照相關(guān)給定的技 術(shù)參數(shù)手冊(cè)）在實(shí)際設(shè)計(jì)和應(yīng)用中，開關(guān)電源輸出容性負(fù)載能力由以下兩種要求來調(diào)試和測(cè)試：表1 一般開關(guān)電源最大容性負(fù)載輸出電壓最大容性負(fù)載能力儲(chǔ)能15VP20000F0.25J112V3300gFO,25J15V2200pF0.25J24VSOOiF0.25J48V220pFO.25J|1）電源穩(wěn)定工作，僅負(fù)載由空載到滿載跳變，輸出電壓穩(wěn)定當(dāng)模塊正常工作

3、時(shí)，DC/DC開關(guān)電源可以等效為電壓源，其輸出等效電路圖和簡(jiǎn)化后的等效電路圖分別如圖1和圖2所示。其中，U是輸出電壓，RS是等效內(nèi)阻，RL是輸出負(fù)載電阻，C是輸出電容,根據(jù)圖2有(1)V+C坐R R dr可認(rèn)為開關(guān)S閉合前電容電壓 UC為零，由式 可得由上述計(jì)算，可以看出電容電壓 VC是按指數(shù)規(guī)律不斷上升，要使輸出電壓更快更穩(wěn)定的建立，電源 輸出內(nèi)阻要小，一般通過高增益、快速響應(yīng)的輸出穩(wěn)壓反饋環(huán)路，可以實(shí)現(xiàn)性能的改善和提高。KJLILJi傀T圖1輸出等效電路圖圖2簡(jiǎn)化后的等效電路但由于存在輸出電感的儲(chǔ)能，電壓反饋和前端峰值電流控制的作用，電容電壓并不完全是由零 開始上升的指數(shù)波形，見圖3。 1

4、95OPF1 .Bl A #6 OmAGMHH SOO Mi A O輸出電壓的穩(wěn)定過程中，一方面由輸出濾波電感的儲(chǔ)能來逐步補(bǔ)充，另一方面由反饋環(huán)控制電 路原邊快速輸出更大功率。輸出電感的取值一般由電流紋波系數(shù)入和電源的空載特性來確定，為了避免容性跳變輸出電壓過大的下沖，使控制電路達(dá)到極限，電感的取值要大于入的理論值計(jì)算所得數(shù)值，但同時(shí)也要考慮輸出失載時(shí)的電壓上沖幅度，所以輸出電感也不能太大，大的電感一般不易制作、成本較 高，所以電感的實(shí)際取值可以用實(shí)驗(yàn)的方法得到。圖4給出了輸出電感 Lout不同取值時(shí)，容性負(fù)載突變時(shí)輸出電感電流的跳變波形和最大的容性負(fù)載能力。(白取人時(shí)(1,(b)厶譏取七TH

5、寸Ug “=142(加卩圖埠輸出電&電亍說亍度形Cli 1 A m p I 03 AA.:f%2 Onii A-i16 0 Om-A83-* OOOnsCh I Ampt t - 24 AIBtf 7 20. OOOnsIM 20. OJJL& A CiH 1 JT 1-19 A圖3 容性貞載跳變時(shí)的輸出電壓波形由實(shí)驗(yàn)得出輸出電感大的模塊帶的容性負(fù)載大，電感儲(chǔ)能有助于輸出電壓的穩(wěn)定，限流保護(hù)電 路工作時(shí)間短，但響應(yīng)時(shí)間會(huì)相應(yīng)長(zhǎng)一些。2）模塊帶輸出電容啟動(dòng)，輸出電壓穩(wěn)定當(dāng)模塊帶大電容啟動(dòng)時(shí)，需對(duì)電容迅速充電，以維持輸出電壓穩(wěn)定，啟動(dòng)瞬間會(huì)產(chǎn)生一個(gè)大的電流。 啟動(dòng)過程中大電流持續(xù)時(shí)間太長(zhǎng)，模塊控制

6、芯片的保護(hù)功能就會(huì)達(dá)到極限，會(huì)出現(xiàn)啟動(dòng)不良現(xiàn)象即輸出 電壓不能正常建立；另外，容性負(fù)載的大小直接影響輸出電壓的上升時(shí)間，在有嚴(yán)格輸出電壓上升時(shí)間 要求的環(huán)境中就會(huì)出現(xiàn)應(yīng)用故障。一般自饋電源的輸出電壓和供電電壓是正比關(guān)系，在輸出達(dá)到正常電 壓之前，芯片 VCC無法滿足供電要求。因此啟動(dòng)電路的供電方式和VCC電容的儲(chǔ)能也是決定容性負(fù)載能力的重要因素。2提高開關(guān)電源容性負(fù)載能力的方法如果輔助電源是獨(dú)立電源，可以用軟啟動(dòng)的方法使輸出電壓緩慢建立。對(duì)自饋供電來說，軟啟動(dòng)時(shí)間 長(zhǎng)就難以啟動(dòng)，這時(shí)要增加VCC電容容量。VCC容量大，對(duì)單獨(dú)依靠芯片內(nèi)部電流環(huán)起短路保護(hù)的模塊會(huì)有影響，因此必須在容性負(fù)載和過流（及短路保護(hù)）之間找一下平衡點(diǎn)。適當(dāng)使限流電阻取值減小， 相當(dāng)于提高電源的輸出功率，用于增加啟動(dòng)過程中提供給輸出端負(fù)載能量。調(diào)節(jié)反饋環(huán)路參數(shù)，使運(yùn)放光耦等集成元件退飽和速度加快，可以解決容性負(fù)載跳變時(shí)OVERSHOOT嚴(yán)重的問題，即提高了電源的穩(wěn)定性能。3容性負(fù)載設(shè)計(jì)的典型案例在Forward DC / DC變換器設(shè)計(jì)時(shí)，設(shè)計(jì)人員根據(jù)容性負(fù)載能力的兩項(xiàng)基本要求，通過調(diào)整限流電 阻、啟動(dòng)電容的大小等相關(guān)參數(shù)，參照理論計(jì)算值，進(jìn)行調(diào)試和測(cè)試，金升陽系列型號(hào)（VRB_LD_15W）DC /DC模塊的容性負(fù)載能力大大增強(qiáng)，滿足客戶在各種特殊環(huán)境中的廣泛應(yīng)用。