DC-DC電源中前饋電容的選型分析

電源是現(xiàn)代電子產品必不可缺的模塊，現(xiàn)今大多數的通用電源芯片都會提供如下圖所示的反饋引腳，便于客戶使用反饋電阻實現(xiàn)所需的輸出，簡化設計并節(jié)省調試時間。但是通用化也從根本上制約了轉換器的帶寬及瞬態(tài)響應能力。這種情況下，設計師可以通過使用前饋電容在一定程度上對此進行改善。

 

 

 

 

本次對前饋補償進行基本介紹，以方便設計人員選擇合適的前饋電容，以達到優(yōu)秀的產品性能。

前饋電容的影響

 

常見的可調電源電路如下圖所示。

                                                          可調電源電路

 

A(s)為電源系統(tǒng)的開環(huán)增益，為方便討論我們假定A(s)里已經包含了輸出電容、負載等其他因素的影響。

上述電路在不使用前饋電容CF時的輸出電壓為

其中，β為反饋系數。其環(huán)路增益為

可見，通過調節(jié)分壓電阻雖然可以改變輸出電壓OUT，但同時也使得G(s)的帶寬變窄。

合理地使用前饋電容可以提升電源的帶寬及響應速度，此時環(huán)路增益為

由此可得，CF并不改變DC輸出，而是為系統(tǒng)引入了一對低頻零點fz和高頻極點fp。零點會使相位裕量增加，極點則惡化相位裕量，使零點與極點盡量遠離才能獲得更多的相位裕量。但CF引入的零極點對的距離在對數坐標里是固定的，因為

據此可確定，前饋電容在R1/R2越大時作用越明顯，在R1=0時不產生作用。而在R1/R2確定的場合，需要合理地選擇前饋電容CF。

 

前饋電容的選擇

 

為了兼顧系統(tǒng)的帶寬和相位裕量，通過以下步驟可以得到最優(yōu)化的前饋電容容值

1. 在沒有前饋電容的情況下測得系統(tǒng)的穿越頻率fc；

2. 選擇的前饋電容引入的零點和極點，使其滿足

化簡為：

 

案例分析

在某種運用下將SY8513配置成5V輸出，使用電阻R1=105kΩ，R2=20kΩ，此時β=0.16。

使用環(huán)路分析儀，在沒有前饋電容的情況下測得系統(tǒng)的環(huán)路增益曲線，如下所示。

 

                                          SY8513沒有前饋電容時的環(huán)路曲線

可見此時系統(tǒng)的穿越頻率為fc=34.8kHz，計算得到最優(yōu)的前饋電容CF=109pF，我們實際使用較為接近的110pF。

此外，在沒有前饋電容時，該配置下的相位裕量僅為27º。

在沒有前饋電容的配置狀態(tài)，進行負載瞬變響應測試，當負載從1A跳變至3A時，輸出電壓最大存在340mV偏移。

                           SY8513沒有前饋電容時的負載瞬變響應

而使用110pF前饋電容后的環(huán)路增益曲線如下所示，可以看到穿越頻率變?yōu)榱?/font>72.4 kHz，帶寬擴大了一倍。同時，相位裕量也增加到了50º。

                                                           SY8513使用110pF前饋電容時的環(huán)路曲線   

進行相同的負載瞬變響應測試，在增加前饋電容后，輸出電壓的最大偏移量從340mV降低為200mV，發(fā)生了明顯改善。

                      SY8513有無前饋電容時的負載瞬變響應對比

綜上所述，合理的使用前饋電容可以明顯地改善電源的動態(tài)特性。
前饋電容的最優(yōu)值是基于系統(tǒng)帶寬和相位裕量的最優(yōu)折中。在必要的場合，通過綜合分析公眾號：芯片電子之家，實際應用時轉換器的帶寬和裕量的要求，對最優(yōu)值的適當增大或減小以進一步優(yōu)化帶寬或裕量。通常情況下，我們建議盡量接近最優(yōu)值。
需要注意，并不是每一個 DC-DC 電路都需要前饋電容，實際設計時，按照 SPEC 參考設計來即可。