電源管理
開關調節器通常優于線性調節器,因為它們更高效,而開關拓撲結構則十分依賴輸入濾波器.這種電路元件與電源的典型負動態阻抗相結合,可以誘發振蕩問題.本文將闡述如何避免此類問題的出現.
一般而言,所有的電源都在一個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 顯示的是一個開關電源的特征.隨著電壓的下降,電流不斷上升.
負輸入阻抗
電壓-電流線呈現出一定的斜率,其從本質上定義了電源的動態阻抗.這根線的斜率等于負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,因為控制環路影響了輸入阻抗的頻率響應.但是很多時候,當涉及電流模式控制時這種簡單近似值就已足夠了.
為什么需要輸入濾波器
開關調節器輸入電流為非連續電流,并且在輸入電流得不到濾波的情況下其會中斷系統的運行.大多數電源系統都集成了一個如圖 2 所示類型的濾波器.電容為功率級的開關電流提供了一個低阻抗,而電感則為電容上的紋波電壓提供了一個高阻抗.該濾波器的高阻抗使流入源極的開關電流最小化.在低頻率時,該濾波器的源極阻抗等于電感阻抗.在您升高頻率的同時,電感阻抗也隨之增加.在極高頻率時,輸出電容分流阻抗.在中間頻率時,電感和電容實質上就形成了一種并聯諧振電路,從而使電源阻抗變高,呈現出較高的電阻.
大多數情況下,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,開關的諧振濾波器與電源負阻抗耦合后會出現問題.圖 3 顯示的是在一個電壓驅動串聯電路中值相等、極性相反的兩個電阻.這種情況下,輸出電壓趨向于無窮大.當您獲得由諧振輸入濾波器等效電阻所提供電源的負電阻時,您也就會面臨一個類似的電源系統情況;這時,電路往往就會出現振蕩.
設計穩定電源系統的秘訣是保證系統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載(即最低輸入阻抗)狀態下達到這一目標.在電源設計小貼士 4 中,我們將討論控制電源阻抗的一些實用方法.
電源設計小貼士系列之 1:為您的電源選擇正確的工作頻率
電源設計小貼士系列之 2:駕馭噪聲電源
Robert Kollman 現任 TI 高級應用經理兼科技委員會的資深委員.他擁有在電源領域超過 30 年的工作經驗.Robert 畢業于得克薩斯 A&M 大學 (Texas A&M University),獲電子工程理學士學位,后又畢業于南衛理公會大學 (Southern Methodist University),獲電子工程碩士學位.
