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  产品方案

DC-DC电源中前馈电容的选型分析

来 源:  时 间:2021-10-27

电源是现代电子产品必不可缺的模块,现今大多数的通用电源芯片都会提供如下图所示的反馈引脚,便于客户使用反馈电阻实现所需的输出,简化设计并节省调试时间。但是通用化也从根本上制约了转换器的带宽及瞬态响应能力。这种情况下,设计师可以通过使用前馈电容在一定程度上对此进行改善。

 

 

 

 

本次对前馈补偿进行基本介绍,以方便设计人员选择合适的前馈电容,以达到优秀的产品性能。

前馈电容的影响

 

常见的可调电源电路如下图所示。

                                                          可调电源电路

 

A(s)为电源系统的开环增益,为方便讨论我们假定A(s)里已经包含了输出电容、负载等其他因素的影响。

上述电路在不使用前馈电容CF时的输出电压为




其中,β为反馈系数。其环路增益为

可见,通过调节分压电阻虽然可以改变输出电压OUT,但同时也使得G(s)的带宽变窄。

合理地使用前馈电容可以提升电源的带宽及响应速度,此时环路增益为


由此可得,CF并不改变DC输出,而是为系统引入了一对低频零点fz和高频极点fp。零点会使相位裕量增加,极点则恶化相位裕量,使零点与极点尽量远离才能获得更多的相位裕量。但CF引入的零极点对的距离在对数坐标里是固定的,因为

据此可确定,前馈电容在R1/R2越大时作用越明显,在R1=0时不产生作用。而在R1/R2确定的场合,需要合理地选择前馈电容CF

 

前馈电容的选择

 

为了兼顾系统的带宽和相位裕量,通过以下步骤可以得到最优化的前馈电容容值

1. 在没有前馈电容的情况下测得系统的穿越频率fc

2. 选择的前馈电容引入的零点和极点,使其满足


化简为:

 

案例分析

在某种运用下将SY8513配置成5V输出,使用电阻R1=105kΩR2=20kΩ,此时β=0.16

使用环路分析仪,在没有前馈电容的情况下测得系统的环路增益曲线,如下所示。


 

                                          SY8513没有前馈电容时的环路曲线

可见此时系统的穿越频率为fc=34.8kHz,计算得到最优的前馈电容CF=109pF,我们实际使用较为接近的110pF

此外,在没有前馈电容时,该配置下的相位裕量仅为27º

在没有前馈电容的配置状态,进行负载瞬变响应测试,当负载从1A跳变至3A时,输出电压最大存在340mV偏移。


                           SY8513没有前馈电容时的负载瞬变响应

而使用110pF前馈电容后的环路增益曲线如下所示,可以看到穿越频率变为了72.4 kHz,带宽扩大了一倍。同时,相位裕量也增加到了50º


                                                           SY8513使用110pF前馈电容时的环路曲线   

进行相同的负载瞬变响应测试,在增加前馈电容后,输出电压的最大偏移量从340mV降低为200mV,发生了明显改善。


                      SY8513有无前馈电容时的负载瞬变响应对比

综上所述,合理的使用前馈电容可以明显地改善电源的动态特性。
前馈电容的最优值是基于系统带宽和相位裕量的最优折中。在必要的场合,通过综合分析公众号:芯片电子之家,实际应用时转换器的带宽和裕量的要求,对最优值的适当增大或减小以进一步优化带宽或裕量。通常情况下,我们建议尽量接近最优值。
需要注意,并不是每一个 DC-DC 电路都需要前馈电容,实际设计时,按照 SPEC 参考设计来即可。

 

 


 

 

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