秘笈十 輕松估計負(fù)載瞬態(tài)響應(yīng)

　　本篇電源設(shè)計小貼士介紹了一種通過了解控制帶寬和輸出濾波器電容特性估算電源瞬態(tài)響應(yīng)的簡單方法。該方法充分利用了這樣一個事實(shí)，即所有電路的閉環(huán)輸出阻抗均為開環(huán)輸出阻抗除以 1 加環(huán)路增益，或簡單表述為：

　　圖10.1以圖形方式說明了上述關(guān)系，兩種阻抗均以dB-Ω或20*log ［Z］為單位。在開環(huán)曲線上的低頻率區(qū)域內(nèi)，輸出阻抗取決于輸出電感阻抗和電感。當(dāng)輸出電容和電感發(fā)生諧振時，形成峰值。高頻阻抗取決于電容輸出濾波器特性、等效串聯(lián)電阻 （ESR） 以及等效串聯(lián)電感 （ESL）。將開環(huán)阻抗除以1加環(huán)路增益即可計算得出閉環(huán)輸出阻抗。

　　由于該圖形以對數(shù)表示，即簡單的減法，因此在增益較高的低頻率區(qū)域阻抗會大大降低；在增益較少的高頻率區(qū)域閉環(huán)和開環(huán)阻抗基本上是一樣的。在此需要說明如下要點(diǎn)：1）峰值環(huán)路阻抗出現(xiàn)在電源交叉頻率附近，或出現(xiàn)在環(huán)路增益等于1（或0dB） 的地方； 以及2） 在大部分時間里， 電源控制帶寬都將會高于濾波器諧振，因此峰值閉環(huán)阻抗將取決于交叉頻率時的輸出電容阻抗。

　　圖10.1閉環(huán)輸出阻抗峰值Zout出現(xiàn)在控制環(huán)路交叉頻率處

　　一旦知道了峰值輸出阻抗，就可通過負(fù)載變動幅度與峰值閉環(huán)阻抗的乘積來輕松估算瞬態(tài)響應(yīng)。有幾點(diǎn)注意事項需要說明一下，由于低相位裕度會引起峰化，因此實(shí)際的峰值可能會更高些。 然而， 就快速估計而言， 這種影響可以忽略不計 ［1］ 。第二個需要注意的事項與負(fù)載變化幅度上升有關(guān)。如果負(fù)載變化幅度變化緩慢較低），則響應(yīng)取決于與上升時間有關(guān)的低頻率區(qū)域閉環(huán)輸出阻抗；如果負(fù)載變化幅度變化極為快速， 則輸出阻抗將取決于輸出濾波器ESL。 如果確實(shí)如此， 則可能需要更多的高頻旁通。最后，就極高性能的系統(tǒng)而言，電源的功率級可能會限制響應(yīng)時間，即電感器中的電流可能不能像控制環(huán)路期望的那樣快速響應(yīng)，這是因?yàn)殡姼泻褪┘拥碾妷簳拗齐娏鬓D(zhuǎn)換速率。

　　下面是一個如何使用上述關(guān)系的示例。 問題是根據(jù)200kHz開關(guān)電源10amp變化幅度允許范圍內(nèi)的50mV 輸出變化挑選一個輸出電容。所允許的峰值輸出阻抗為：

　　Zout=50mV/10 amps或5毫歐。這就是最大允許輸出電容ESR。接下來就是建立所需的電容。 幸運(yùn)的是， ESR和電容均為正交型， 可單獨(dú)處理。 一個高 （Aggressive） 電源控制環(huán)路帶寬可以是開關(guān)頻率的1/6或30 kHz。于是在30 kHz 時輸出濾波電容就需要一個不到5毫歐的電抗， 或高于1000uF的電容。 圖10.2顯示了在5毫歐ESR、 1000uF電容以及30kHz 電壓模式控制條件時這一問題的負(fù)載瞬態(tài)仿真。就校驗(yàn)這一方法是否有效的10amp負(fù)載變動幅度而言，輸出電壓變化大約為52mV。

　　圖 10.2 仿真校驗(yàn)估計負(fù)載瞬態(tài)性能

　　秘笈十一 解決電源電路損耗問題

　　您是否曾詳細(xì)計算過設(shè)計中的預(yù)計組件損耗，結(jié)果卻發(fā)現(xiàn)與實(shí)驗(yàn)室測量結(jié)果有較大出入呢？本電源設(shè)計小貼士介紹了一種簡便方法，以幫助您消除計算結(jié)果與實(shí)際測量結(jié)果之間的差異。該方法基于泰勒級數(shù)展開式，其中規(guī)定（在賦予一定自由條件下）任何函數(shù)都可分解成一個多項式，如下所示：

?????? 如果意識到電源損耗與輸出電流相關(guān) （可用輸出電流替換X） ， 那么系數(shù)項就能很好地與不同來源的電源功率損耗聯(lián)系起來。例如，ao代表諸如柵極驅(qū)動、偏壓電源和磁芯的固定開銷損耗以及功率晶體管Coss充電與放電之類的損耗。這些損耗與輸出電流無關(guān)。第二項相關(guān)聯(lián)的損耗a1直接與輸出電流相關(guān)，其典型表現(xiàn)為輸出二極管損耗和開關(guān)損耗。在輸出二極管中，大多數(shù)損耗是由于結(jié)電壓引起的，因此損耗會隨著輸出電流成比例地增加。

　　類似地，開關(guān)損耗可通過輸出電流關(guān)聯(lián)項與某些固定電壓的乘積近似得出。第三項很容易被識別為傳導(dǎo)損耗。 其典型表現(xiàn)為 FET 電阻、 磁性布線電阻和互聯(lián)電阻中的損耗。高階項可能在計算非線性損耗（如磁芯損耗）時有用。只有在考慮前三項情況下才能得出有用結(jié)果。

　　計算三項系數(shù)的一種方法是測量三個工作點(diǎn)的損耗并成矩陣求解結(jié)果。如果損耗測量結(jié)果其中一項是在無負(fù)載的工況下得到 （即所有損耗均等于第一項系數(shù)a0） ，那么就能簡化該解決方法。隨后問題簡化至容易求解的兩個方程式和兩個未知數(shù)。一旦計算出系數(shù)，即可構(gòu)建出類似于圖11.1、顯示三種損耗類型的損耗曲線。該曲線在消除測量結(jié)果和計算結(jié)果之間的偏差時大有用處，并且有助于確定能夠提高效率的潛在區(qū)域。例如，在滿負(fù)載工況下，圖 1中的損耗主要為傳導(dǎo)損耗。為了提高效率，就需要降低 FET 電阻、電感電阻和互聯(lián)電阻。

　　圖11.1：功率損耗組件與二次項系數(shù)相匹配

　　實(shí)際損耗與三項式之間的相關(guān)性非常好。圖11.2對同步降壓穩(wěn)壓器的測量數(shù)據(jù)與曲線擬合數(shù)據(jù)進(jìn)行了對比。我們知道，在基于求解三個聯(lián)立方程組的曲線上將存在三個重合點(diǎn)。對于曲線的剩余部分，兩個曲線之間的差異小于2%。由于工作模式（如連續(xù)或非連續(xù)）不同、脈沖跳頻或變頻運(yùn)行等原因，其他類型的電源可能很難以如此匹配。 這種方法并非絕對可靠， 但是有助于電源設(shè)計人員理解實(shí)際電路損耗情況。

　　圖11.2 前三個損耗項提供了與測量值良好的相關(guān)性

　　秘笈十二 電源效率最大化

　　在《電源設(shè)計秘笈11》中，我們討論了如何利用泰勒級數(shù) （Taylor series） 查找電源中的損耗源。在本篇電源設(shè)計秘笈中，我們將討論如何使用相同的級數(shù)最大化特定負(fù)載電流的電源效率。在《電源設(shè)計秘笈11》中，我們建議使用如下輸出電流函數(shù)來計算電源損耗：

　　下一步是利用上述簡單表達(dá)式，并將其放入效率方程式中：

　　這樣，輸出電流的效率就得到了優(yōu)化（具體論證工作留給學(xué)生去完成）。這種優(yōu)化可產(chǎn)生一個有趣的結(jié)果。當(dāng)輸出電流等于如下表達(dá)式時，效率將會最大化。

?????? 需要注意的第一件事是，a1項對效率達(dá)到最大時的電流不產(chǎn)生影響。這是由于它與損耗相關(guān)，而上述損耗又與諸如二極管結(jié)點(diǎn)的輸出電流成比例關(guān)系。因此，當(dāng)輸出電流增加時，上述損耗和輸出功率也會隨之增加，并且對效率沒有影響。需要注意的第二件事是，最佳效率出現(xiàn)在固定損耗和傳導(dǎo)損耗相等的某個點(diǎn)上。這就是說， 只要控制設(shè)置a0和a2值的組件， 便能夠獲得最佳效率。 還是要努力減小a1的值，并提高效率。控制該項所得結(jié)果對所有負(fù)載電流而言均相同，因此如其他項一樣沒有出現(xiàn)最佳效率。a1項的目標(biāo)是在控制成本的同時達(dá)到最小化。

　　表1概括總結(jié)了各種電源損耗項及其相關(guān)損耗系數(shù)， 該表提供了一些最佳化電源效率方面的折中方法。例如，功率MOSFET導(dǎo)通電阻的選擇會影響其柵極驅(qū)動要求及Coss損耗和潛在的緩沖器損耗。低導(dǎo)通電阻意味著，柵極驅(qū)動、Coss和緩沖器損耗逆向增加。因此，您可通過選擇 MOSFET 來控制a0和a2。

　　表1 損耗系數(shù)及相應(yīng)的電源損耗

　　代數(shù)式下一位將最佳電流代回到效率方程式中，解得最大效率為：

　　需要最小化該表達(dá)式中的最后兩項， 以最佳化效率。 a1 項很簡單， 只需對其最小化即可。末尾項能夠?qū)崿F(xiàn)部分優(yōu)化。如果假設(shè) MOSFET 的 Coss 和柵極驅(qū)動功率與其面積相關(guān)， 同時其導(dǎo)通電阻與面積成反比， 則可以為它選擇最佳面積 （和電阻） 。

　　圖12.1顯示了裸片面積的優(yōu)化結(jié)果。裸片面積較小時，MOSFET的導(dǎo)通電阻變?yōu)樾氏拗破?。隨著裸片面積增加，驅(qū)動和Coss損耗也隨之增加，

　　圖12.1 調(diào)節(jié) MOSFET 裸片面積來最小化滿負(fù)載功率損耗

　　圖12.2是圍繞圖12.1最佳點(diǎn)的三種可能設(shè)計效率圖。圖中分別顯示了三種設(shè)計的正常裸片面積。輕負(fù)載情況下，較大面積裸片的效率會受不斷增加的驅(qū)動損耗影響，而在重負(fù)載條件下小尺寸器件因高傳導(dǎo)損耗而變得不堪重負(fù)。這些曲線代表裸片面積和成本的三比一變化，注意這一點(diǎn)非常重要。正常芯片面積設(shè)計的效率只比滿功率大面積設(shè)計的效率稍低一點(diǎn)，而在輕載條件下（設(shè)計常常運(yùn)行在這種負(fù)載條件下）則更高

　　圖 12.2 效率峰值出現(xiàn)在滿額定電流之前

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