電源管理
開關(guān)調(diào)節(jié)器通常優(yōu)于線性調(diào)節(jié)器,因?yàn)樗鼈兏咝?而開關(guān)拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)則十分依賴輸入濾波器.這種電路元件與電源的典型負(fù)動(dòng)態(tài)阻抗相結(jié)合,可以誘發(fā)振蕩問題.本文將闡述如何避免此類問題的出現(xiàn).
一般而言,所有的電源都在一個(gè)給定輸入范圍保持其效率.因此,輸入功率或多或少地與輸入電壓水平保持恒定.圖 1 顯示的是一個(gè)開關(guān)電源的特征.隨著電壓的下降,電流不斷上升.
負(fù)輸入阻抗
電壓-電流線呈現(xiàn)出一定的斜率,其從本質(zhì)上定義了電源的動(dòng)態(tài)阻抗.這根線的斜率等于負(fù)輸入電壓除以輸入電流.也就是說,由 Pin = V ? I,可以得出 V = Pin/I;并由此可得 dV/dI = –Pin/I2 或 dV/dI ≈ –V/I.
該近似值有些過于簡單,因?yàn)榭刂骗h(huán)路影響了輸入阻抗的頻率響應(yīng).但是很多時(shí)候,當(dāng)涉及電流模式控制時(shí)這種簡單近似值就已足夠了.
為什么需要輸入濾波器
開關(guān)調(diào)節(jié)器輸入電流為非連續(xù)電流,并且在輸入電流得不到濾波的情況下其會(huì)中斷系統(tǒng)的運(yùn)行.大多數(shù)電源系統(tǒng)都集成了一個(gè)如圖 2 所示類型的濾波器.電容為功率級(jí)的開關(guān)電流提供了一個(gè)低阻抗,而電感則為電容上的紋波電壓提供了一個(gè)高阻抗.該濾波器的高阻抗使流入源極的開關(guān)電流最小化.在低頻率時(shí),該濾波器的源極阻抗等于電感阻抗.在您升高頻率的同時(shí),電感阻抗也隨之增加.在極高頻率時(shí),輸出電容分流阻抗.在中間頻率時(shí),電感和電容實(shí)質(zhì)上就形成了一種并聯(lián)諧振電路,從而使電源阻抗變高,呈現(xiàn)出較高的電阻.
大多數(shù)情況下,峰值電源阻抗可以通過首先確定濾波器 (Zo) 的特性阻抗來估算得出,而濾波器特性阻抗等于電感除以電容所得值的平方根.這就是諧振下電感或者電容的阻抗.接下來,對電容的等效串聯(lián)電阻 (ESR) 和電感的電阻求和.這樣便得到電路的 Q 值.峰值電源阻抗大約等于 Zo 乘以電路的 Q 值.
振蕩
但是,開關(guān)的諧振濾波器與電源負(fù)阻抗耦合后會(huì)出現(xiàn)問題.圖 3 顯示的是在一個(gè)電壓驅(qū)動(dòng)串聯(lián)電路中值相等、極性相反的兩個(gè)電阻.這種情況下,輸出電壓趨向于無窮大.當(dāng)您獲得由諧振輸入濾波器等效電阻所提供電源的負(fù)電阻時(shí),您也就會(huì)面臨一個(gè)類似的電源系統(tǒng)情況;這時(shí),電路往往就會(huì)出現(xiàn)振蕩.
設(shè)計(jì)穩(wěn)定電源系統(tǒng)的秘訣是保證系統(tǒng)電源阻抗始終大大小于電源的輸入阻抗.我們需要在最小輸入電壓和最大負(fù)載(即最低輸入阻抗)狀態(tài)下達(dá)到這一目標(biāo).在電源設(shè)計(jì)小貼士 4 中,我們將討論控制電源阻抗的一些實(shí)用方法.
電源設(shè)計(jì)小貼士系列之 1:為您的電源選擇正確的工作頻率
電源設(shè)計(jì)小貼士系列之 2:駕馭噪聲電源
Robert Kollman 現(xiàn)任 TI 高級(jí)應(yīng)用經(jīng)理兼科技委員會(huì)的資深委員.他擁有在電源領(lǐng)域超過 30 年的工作經(jīng)驗(yàn).Robert 畢業(yè)于得克薩斯 A&M 大學(xué) (Texas A&M University),獲電子工程理學(xué)士學(xué)位,后又畢業(yè)于南衛(wèi)理公會(huì)大學(xué) (Southern Methodist University),獲電子工程碩士學(xué)位.
