DC-DC电源中前馈电容的选型分析

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=105kΩ，R2=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。