小型DC/DC開關電源容性負載的研究

　0 引言

　　在DC／DC開關電源的應用中，輸出負載端外接電容能起到濾波、抑制干擾的作用，在某些大容性負載動態(tài)跳變的設備中，要求電源輸出端有快速響應，這就要求開關電源有較強的帶容性負載的能力，并且有好的穩(wěn)定性能。在開關電源的設計過程中，要充分理解并實現(xiàn)客戶負載使用的特殊要求，必須分析開關電源容性負載能力的兩種不同狀態(tài)要求。

　　1 容性負載的要求

　　開關電源的基本特性中，一般并沒有對容性負載能力做出嚴格的規(guī)范。一般電源都可帶相當容性的負載，但考慮到電源的過流保護能力，尤其是輸出短路保護，容性負載能力不可能太大，否則保護能力變差。對于多路輸出的模塊所帶容性負載，其分配原則是電容的存儲總能量不能超過0．25J，包括主路的電容存儲能量與輔助電路的存儲能量的總和(1／2∑CU2)。依此計算，在設計中最大容性負載的選取如見表l(電路和輸出功率不同的模塊的最大容性負載會各不相同，實際選用和使用時需要參照相關給定的技術參數(shù)手冊)在實際設計和應用中，開關電源輸出容性負載能力由以下兩種要求來調試和測試：

　　1)電源穩(wěn)定工作，僅負載由空載到滿載跳變，輸出電壓穩(wěn)定

　　當模塊正常工作時，DC／DC開關電源可以等效為電壓源，其輸出等效電路圖和簡化后的等效電路圖分別如圖1和圖2所示。其中，U是輸出電壓，RS是等效內阻，RL是輸出負載電阻，C是輸出電容，

　　根據(jù)圖2有

　　可認為開關S閉合前電容電壓UC為零，由式(1)可得

　　由上述計算，可以看出電容電壓VC是按指數(shù)規(guī)律不斷上升，要使輸出電壓更快更穩(wěn)定的建立，電源輸出內阻要小，一般通過高增益、快速響應的輸出穩(wěn)壓反饋環(huán)路，可以實現(xiàn)性能的改善和提高。

　　但由于存在輸出電感的儲能，電壓反饋和前端峰值電流控制的作用，電容電壓并不完全是由零開始上升的指數(shù)波形，見圖3。

　　輸出電壓的穩(wěn)定過程中，一方面由輸出濾波電感的儲能來逐步補充，另一方面由反饋環(huán)控制電路原邊快速輸出更大功率。輸出電感的取值一般由電流紋波系數(shù)λ和電源的空載特性來確定，為了避免容性跳變輸出電壓過大的下沖，使控制電路達到極限，電感的取值要大于λ的理論值計算所得數(shù)值，但同時也要考慮輸出失載時的電壓上沖幅度，所以輸出電感也不能太大，大的電感一般不易制作、成本較高，所以電感的實際取值可以用實驗的方法得到。圖4給出了輸出電感Lout不同取值時，容性負載突變時輸出電感電流的跳變波形和最大的容性負載能力。

　　由實驗得出輸出電感大的模塊帶的容性負載大，電感儲能有助于輸出電壓的穩(wěn)定，限流保護電路工作時間短，但響應時間會相應長一些。

　　2)模塊帶輸出電容啟動，輸出電壓穩(wěn)定

　　當模塊帶大電容啟動時，需對電容迅速充電，以維持輸出電壓穩(wěn)定，啟動瞬間會產(chǎn)生一個大的電流。啟動過程中大電流持續(xù)時間太長，模塊控制芯片的保護功能就會達到極限，會出現(xiàn)啟動不良現(xiàn)象即輸出電壓不能正常建立；另外，容性負載的大小直接影響輸出電壓的上升時間，在有嚴格輸出電壓上升時間要求的環(huán)境中就會出現(xiàn)應用故障。一般自饋電源的輸出電壓和供電電壓是正比關系，在輸出達到正常電壓之前，芯片VCC無法滿足供電要求。因此啟動電路的供電方式和VCC電容的儲能也是決定容性負載能力的重要因素。

　　2 提高開關電源容性負載能力的方法

　　如果輔助電源是獨立電源，可以用軟啟動的方法使輸出電壓緩慢建立。對自饋供電來說，軟啟動時間長就難以啟動，這時要增加VCC電容容量。VCC容量大，對單獨依靠芯片內部電流環(huán)起短路保護的模塊會有影響，因此必須在容性負載和過流(及短路保護)之間找一下平衡點。

　　適當使限流電阻取值減小，相當于提高電源的輸出功率，用于增加啟動過程中提供給輸出端負載能量。調節(jié)反饋環(huán)路參數(shù)，使運放光耦等集成元件退飽和速度加快，可以解決容性負載跳變時OVERSHOOT嚴重的問題，即提高了電源的穩(wěn)定性能。

　　3 容性負載設計的典型案例

　　在Forward DC／DC變換器設計時，設計人員根據(jù)容性負載能力的兩項基本要求，通過調整限流電阻、啟動電容的大小等相關參數(shù)，參照理論計算值，進行調試和測試，金升陽系列型號(VRB_LD_15W)DC／DC模塊的容性負載能力大大增強，滿足客戶在各種特殊環(huán)境中的廣泛應用。

　　4 容性負載能力的應用和總結

　　容性負載的需求大小與應用環(huán)境密切相關，容性負載能力是基于短路性能、過載保護能力之間的平衡選擇。在具有特殊規(guī)格要求的模塊設計中，一定要對上述參數(shù)進行優(yōu)化調試，做到最優(yōu)設計，滿足特定的應用要求。