如圖所示，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路的輸入端通常使用大電容，有助于提高電源負(fù)載功率的穩(wěn)定性。

開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路（降壓、升壓、降壓-升壓、反激等）的最基本模型非常簡(jiǎn)單，它們使用電感元件、隔離（在反激式轉(zhuǎn)換器的情況下）器件和用于穩(wěn)定功率輸出的電容器以及二極管等整流元件。如果您查看典型的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路波形，這意味著一切都應(yīng)表現(xiàn)出所需的、具有低開(kāi)關(guān)噪聲和在連續(xù)導(dǎo)通模式下的

這張圖片有什么問(wèn)題呢？關(guān)于開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路的基本模型在哪里不完整？答案在于這些電路中的瞬態(tài)行為中。

瞬態(tài)響應(yīng)可以在電路的三個(gè)方面中解決：

在輸出端，使用電感器和電容器用于降低開(kāi)關(guān)噪聲

在開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)，這里MOSFET的引腳電感和柵極電容會(huì)導(dǎo)致振鈴

在輸入端，從電源汲取的快速開(kāi)關(guān)級(jí)的電流脈沖

在本文中，我們將研究上述第 3 點(diǎn)，即由于轉(zhuǎn)換器中的開(kāi)關(guān)動(dòng)作而在輸入電源網(wǎng)絡(luò)中出現(xiàn)噪聲。事實(shí)證明，在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器模塊中看到的行為與在高速 PCB 的 PDN 中看到的行為非常相似——在輸入電源波形上可能會(huì)發(fā)生的振蕩。這暗示了確保功率穩(wěn)定性的解決方案：更大的電容！

為什么要在電源穩(wěn)壓器上放置輸入電容？

如簡(jiǎn)介中所述，由于需要確保功率穩(wěn)定性，因此需要在 DC-DC 轉(zhuǎn)換器的輸入端口上使用輸入電容。電容器存儲(chǔ)具有一定電勢(shì)能的電荷，并且當(dāng)電容器端子和負(fù)載連接時(shí)，該能量可以傳遞到負(fù)載。為穩(wěn)壓電路提供輸入電壓的電源必須能夠在轉(zhuǎn)換器運(yùn)行時(shí)快速響應(yīng)不斷變化的電源需求，以使輸入電源總線穩(wěn)定。

電源、電源轉(zhuǎn)換器模塊和電池可能沒(méi)有足夠低的阻抗和時(shí)間常數(shù)來(lái)響應(yīng)開(kāi)關(guān)電路中的電流需求。即使電源輸出端存在端接電容，輸出連接和引線也會(huì)增加電源輸出阻抗的電阻。但是，有一個(gè)簡(jiǎn)單的解決方案：添加電容！

當(dāng)電源調(diào)節(jié)器具有緩慢響應(yīng)（可能未調(diào)節(jié)）的輸入電源時(shí)，在 PCB 上放置輸入電容可提供更快的響應(yīng)。實(shí)際上，開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器從輸入電容器汲取電力，而輸入電源模塊只是簡(jiǎn)單地對(duì)輸入電容進(jìn)行再充電。

向輸入電容器和開(kāi)關(guān)電源電路供電

添加輸入電容的影響

當(dāng)我們查看開(kāi)關(guān)期間的輸入總線電壓時(shí)，我們可以看到增加足夠輸入電容的重要性。考慮如下所示的降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)。在此穩(wěn)壓器中，我們假設(shè)輸入的 12 V 電源在輸出上有一些電容（10 uF，C2），但連接器、引線、PCB 上的端子以及制造缺陷會(huì)導(dǎo)致在輸出端子上存在額外的 500 mOhms 電阻（R1）。

示例：降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)，其輸出阻抗使用電阻器和電容器建模。

如果我們查看該電路的 PSPICE 仿真結(jié)果，我們會(huì)看到下圖。從電感電流（綠色）、輸入電壓（藍(lán)色）和輸出電壓（紅色）來(lái)看，瞬態(tài)響應(yīng)非常大。在這些圖中可以看到 500 mV 的大過(guò)沖和輸入功率變化。

上述降壓轉(zhuǎn)換器設(shè)計(jì)示例的 PSPICE 結(jié)果

現(xiàn)在讓我們看看如果我們?cè)诟邆?cè) MOSFET 和 GND 的輸入端增加一些電容 (22 uF) 會(huì)發(fā)生什么。這不是一個(gè)巨大的輸入電容，但它確實(shí)為電源穩(wěn)定性提供了很多好處，我們將在下面一一說(shuō)明。（在 PCB 上，該電容器應(yīng)放置在非?？拷?MOSFET 端子的位置。）

帶有輸入電容器的改進(jìn)型開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓電路

下面的瞬態(tài)分析結(jié)果很好地表明輸入上的瞬態(tài)響應(yīng)是穩(wěn)定的。這是由輸入電容器 C3 的濾波作用提供的。該電路仍有一定的開(kāi)啟時(shí)間余量，但開(kāi)啟時(shí)間仍然相當(dāng)快，為 0.5-1 ms。

使用修改后的開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的瞬態(tài)分析結(jié)果

添加C3后，對(duì)電感中的開(kāi)關(guān)電流和輸出電壓有一些影響，但我們可以接受電感瞬態(tài)響應(yīng)略微增加，以換取極高的功率穩(wěn)定性。您可以在此電路中添加其他的設(shè)計(jì)決策以提高電路的穩(wěn)定性：

在低側(cè) MOSFET 端子上應(yīng)用緩沖器，以抑制 PWM 波形和開(kāi)關(guān)節(jié)點(diǎn)電壓上的任何振鈴

對(duì)輸出電容器 C1 施加一個(gè)非常小的串聯(lián)電阻，以稍微抑制其瞬態(tài)響應(yīng)

應(yīng)用另一個(gè)經(jīng)過(guò)精心設(shè)計(jì)的輸出濾波器級(jí)，以防止在穩(wěn)壓器的傳遞函數(shù)中產(chǎn)生新的極點(diǎn)

要準(zhǔn)確確定您需要多大的電容，您可以使用與去耦電容器大小時(shí)間的相同思路：確定在1個(gè)時(shí)間常數(shù)內(nèi)需要提供的電荷或電流量，并計(jì)算給定施加電壓（在上面的示例中為12 V）的電容。。

電源穩(wěn)定性策略總結(jié)

當(dāng)您開(kāi)始深入挖掘時(shí)，任何開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器電路都將是一個(gè)相對(duì)復(fù)雜的電路，需要大量分析才能正確設(shè)計(jì)。輸出瞬態(tài)過(guò)沖和開(kāi)關(guān)噪聲的問(wèn)題是互相關(guān)聯(lián)的，因此需要多種策略來(lái)設(shè)計(jì)能夠提供所需穩(wěn)定性和降噪的電路和PCB布局。下表顯示了一組用于處理 DC-DC 轉(zhuǎn)換器中各種噪聲源的策略。

隨著電流需求的增加，DC-DC 轉(zhuǎn)換器會(huì)變得更加復(fù)雜，而增加的復(fù)雜性帶來(lái)了更多在電路的各個(gè)點(diǎn)產(chǎn)生噪聲和瞬態(tài)過(guò)沖的機(jī)會(huì)。這就需要進(jìn)行徹底的電路仿真來(lái)識(shí)別這些電路的敏感區(qū)域（關(guān)鍵部分）。一旦您確定了開(kāi)關(guān)穩(wěn)壓器的易受噪聲影響的部分，請(qǐng)確保您設(shè)計(jì)了PCB疊層和布線，以確?？刂萍纳?yīng)，從而不會(huì)在設(shè)計(jì)中引入新的噪聲。

總結(jié)

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