DCDC电路中前馈电容的作用

上图为DCDC典型应用电路,CIN为输入滤波电容,CBOOT是上管驱动“自举”电容,L是储能电感,R1和R2是反馈电阻,CFF是前馈电容,COUT是输出滤波电容,RT是内部运放补偿器件。一、没有前馈电容

如果没有前馈电容,内部补偿DC-DC转换器的反馈网络由两个反馈电阻组成,用于设置转换器的输出电压,如图 1 所示。

输出电压公式为:Vout = Vfb * (1 + R1 / R2),图 2 显示了相应的增益和相位图。

二、有前馈电容

图 3 显示了在反馈网络中添加了前馈电容C1(Cff)。

输出电压公式为:Vout = Vfb * (1 + R1  / R2),但由于有前馈电容,增益和相位已经受到影响,图 4 显示了相应的增益和相位图。

由于加入了前馈电容,故与反馈电阻形成新的零点和极点,虽然Cff在其零点频率之后引入了增益提升,但是环路相位变化(提升)在零点频率和极点频率之间达到最大值,请参考以下等式 1 和等式 2 的计算:

(1)R1和Cff形成了一个零点

(2)R1、R2和Cff形成了一个极点

零点和极点的位置如图 4 所示。

三、前馈电容的作用

增加了前馈电容设计,变换器可以更有效地响应输出电压上的高频干扰(交流阻抗小)。图 2 和图 4中的 Bode 图显示,每个反馈网络在较低频率下的响应是相同的。在中到高频率下,随着通过 C1 (Cff)的阻抗路径的减小,输出电压到反馈端的扰动(变化)衰减较小,并有效地提供增益和相位的提升。在DCDC工作电源中,增加的增益和相位与会使得转换器对负载瞬态响应速度更快,因为在反馈节点检测到的电压偏差在较高频率下衰减较少。转换器的反应是调整占空比,以更快的纠正输出电压偏差。

为了优化瞬态响应,选择合适的Cff值,这样环路反馈的增益和相位提升将增加转换器的带宽,同时仍保持可接受的相位裕度。通常,Cff的较大值可提供更大的带宽改进。但是,如果Cff过大,前馈电容会导致环路增益交叉频率过高,并且Cff相位提升贡献不足,导致不可接受的相位裕度或不稳定性。

四、前馈电容的实际效果

(1)无前馈电容

如下图所示,无前馈电容设计时,当负载(绿色)由小增大时,输出电压(黄色)曲线出现震荡,且很久才趋于平稳。

(2)有前馈电容

在同样负载变化情况下,当有前馈电容设计时,输出电压很快输出平稳,且不会震荡多次。

五、前馈电容的选择

在数据手册中我们一般会看到如下描述:

上图中的Vout即为DCDC的输出电压;R1和R2为反馈电阻;L为电感;Cout为输出滤波电容。Cff即为前馈电容,22~68pF就是建议取值大小,我们需要根据实际的负载情况来选取合适的前馈电容值。

六、一般的方法:

设定一个前馈电容值,测量DCDC输出端的纹波电压大小;减小或者增大前馈电容值,再次测量纹波大小,直到纹波电压小于自身产品要求的纹波电压时,当前前馈电容认为是合适的。

 

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